Duurzaamheid staat in de huidige samenleving centraal. Natuurrampen, verontrustende nieuwsberichten en de nodige druk vanuit de politiek zorgen dat steeds meer industrieën alles op alles zetten om duurzamer te werk te gaan.
In lijn met de Europese Green Deal stelt de Europese klimaatwet bovendien de wettelijk bindende doelstelling om de uitstoot van broeikasgassen tegen 2030 met 55% te verminderen ten opzichte van het niveau van 1990, en tegen 2050 klimaatneutraliteit in de EU te bereiken. Om deze doelen te kunnen halen, is binnen veel industrieën nu al actie nodig. Dit resulteert in veel onderzoek, discussie en gelukkig de ontwikkeling van veelbelovende duurzame energiebronnen.
In deze blog kijken we naar waterstof als belangrijk onderdeel van de huidige duurzaamheidsdiscussie. Waterstof heeft een enorme potentie om als duurzame brandstof te dienen, wanneer op de juiste manier geproduceerd en gebruikt.
Maar wat zijn de kenmerken van dit gas precies? Welke mogelijkheden biedt waterstof op het gebied van duurzaamheid? Wat zijn de belangrijkste toepassingen en welke oplossingen biedt Demaco? Dit, en nog veel meer, bespreken we in deze blog.
Wat is vloeibaar waterstof?
Waterstof is het lichtste gas in het universum. Het is een chemisch element met symbool H en atoomnummer 1, dat in normale omstandigheden kleurloos, geurloos en zeer ontvlambaar is. Het gas komt in geïsoleerde vorm niet op aarde voor, maar is onderdeel van water. Een gebrek aan waterstof is er dus zeker niet.
Waterstof wordt zowel in vloeibare vorm als in gasvorm gebruikt. Het gas heeft een dichtheid (kg·m−3) van 0,08988 en een kookpunt van -252,9 °C. Op dit kookpunt verandert waterstof van gasvormig naar vloeibaar.
Vergeleken met de meeste andere gassen ligt het kookpunt van waterstof extreem laag. Met -268,9 °C heeft alleen helium een nog lager kookpunt. De zeer lage temperatuur in combinatie met de hoge ontvlambaarheid van waterstof maakt het een relatief gevaarlijk materiaal. Zorgvuldige veiligheidsmaatregelen en geavanceerde infrastructuren zijn dan ook noodzakelijk.
De geschiedenis van vloeibaar waterstof
In 1671 werd waterstof voor het eerst geproduceerd door de wetenschapper Robert Boyle. Hij onderzocht de reactie van diverse metalen door deze in zuur te dompelen. Terwijl de metalen met het zuur hun eigen reactie gaven, ontstond als bijeffect ook waterstof.
Pas in 1766 werd waterstof echter voor het eerst geïdentificeerd door Henry Cavendish. Hij bevestigde in een onderzoekspaper dat waterstof een apart element is en ging verder in op de extreme ontvlambaarheid van die nieuw ontdekte gas.
Ook ontdekte Cavendish dat waterstofgas in combinatie met vuur water vormt. Deze ontdekking leidde tot de naam die Antoine Lavoisier het gas enkele jaren later gaf: hydrogenium (‘hydro’ en ‘genes’ kunnen worden vertaald als ‘watermaker’ of ‘watervormer’).
Brom: Een machine van Cavendish waarmee waterstof werd gemaakt
De productie van waterstof kwam pas echt op gang toen William Nicholson en Sir Anthony Carlisle in 1800 een proces ontdekten om waterstof te produceren. De methode, elektrolyse genoemd, komt neer op het toepassen van elektrische stroom op water, waardoor waterstof- en zuurstofgas ontstaat.
Waterstof was op dat moment nog uitsluitend gasvorming. Pas tientallen jaren later startten diverse wetenschappers wereldwijd hun experimenten met het vloeibaar maken van gas. Een van deze onderzoekers was Heike Kamerlingh Onnes, hoogleraar aan de Universiteit van Leiden. Hij bouwde een koudelaboratorium en concurreerde heftig met andere onderzoekers om als eerste vloeibaar waterstof te produceren.
Terwijl Kamerlingh Onnes op de goede weg zat, slaagde de Schotse natuurkundige James Dewar er als eerste in om waterstof vloeibaar te maken. In 1898 behaalde hij voor het eerst de gewenste temperatuur van -252,9 °C. Enkele jaren later, in 1906, produceerde ook Kamerlingh Onnes met succes vloeibaar waterstof. Dit deed hij in zijn cryogene laboratorium in Leiden, waar destijds de laagste temperaturen ter wereld werden bereikt.
Ondertussen gingen ook de onderzoeken naar de toepassing van waterstof gestaag door. Zo werd in 1845 de eerste gasbatterij ontwikkeld en startte kort daarna ook het onderzoek naar de mogelijkheden van waterstof als brandstof in een brandstofcel.
In de loop van de jaren 90 werd de potentie van waterstof steeds duidelijker. De experimenten met schepen, vrachtwagens en vliegtuigen kwamen op gang en de ruimtevaartsector werd al snel grootgebruiker.
Ook de voordelen op het gebied van duurzaamheid werden steeds duidelijker. Zo bracht John O’M. Bockris in 1970 de term ‘waterstofeconomie’ in het leven. Hij beschreef een economie waarin duurzame waterstof de belangrijkste energiedrager zou zijn, in plaats van de huidige fossiele brandstoffen.
De voordelen van vloeibaar waterstof
Terwijl de waterstofeconomie van Bockris nog geen realiteit is geworden, staat duurzame waterstof momenteel volop in de belangstelling. De duurzaamheidsvoordelen zijn namelijk aanzienlijk:
- Ten eerste is waterstof een extreem veelvoorkomend element. Terwijl er momenteel nog de nodige uitdagingen bestaan met betrekking tot de productie van waterstof, is er aan grondstoffen dus geen gebrek.
- Daarnaast heeft waterstof, wanneer op een duurzame manier geproduceerd en gebruikt, geen nadelige gevolgen voor het milieu. De enige bijproducten zijn namelijk warmte en water, die gewoon weer in de lucht worden opgenomen.
- Als laatste zijn voor de productie van waterstof geen grote stukken land nodig, wat voor bijvoorbeeld biobrandstof en waterkracht wel het geval is.
Naast duurzaamheid heeft waterstof ook praktische voordelen. Zo kan het opgewekte energie efficiënt opslaan, waardoor dit een lange tijd kan worden bewaard. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld stroom vanuit windenergie. Deze stroom moet direct in het netwerk gestopt worden en, indien dit overbelast is, worden afgevoerd.
Maar is waterstof wel zo duurzaam als veel mensen denken? Dit hangt af van de manier waarop het wordt geproduceerd. Wordt er namelijk gebruik gemaakt van duurzame energie tijdens het productieproces, dan is waterstof inderdaad een zeer duurzame optie.
Helaas is dit in de meeste gevallen echter nog niet het geval. Slechts 5% van de waterstof wordt momenteel met duurzame energie geproduceerd; in de rest van de gevallen worden fossiele brandstoffen ingezet. En terwijl de intentie wellicht goed is, is waterstof daardoor helemaal niet zo duurzaam meer.
De productie van waterstof
Omdat waterstof niet in pure vorm op aarde voorkomt, moet het geproduceerd worden. Er bestaan drie enigszins verschillende productieprocessen, maar de basis is hetzelfde.
Om waterstof te produceren, is een grondstof nodig die in contact wordt gebracht met een bron van energie. Zowel de grondstof als de energiebron kunnen verschillen. Zo zijn er in de praktijk drie verschillende productieprocessen:
Grijze waterstof
Grijze waterstof wordt geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen (zoals kolen of aardgas) en stoom. Deze vorm van waterstofproductie wordt hierdoor ook wel steam methane reforming genoemd. Het voordeel van deze productiewijze is dat de kosten relatief laag blijven en dat productie op grote schaal mogelijk is.
Een groot nadeel is echter dat er bij de productie CO2 vrijkomt. Dit maakt grijze waterstof helaas schadelijk voor het milieu.
Momenteel wordt zo’n 95% van de waterstof geproduceerd door middel van steam methane reforming. Dit gebeurt in grote reformers, die koolwaterstof splitsen in waterstof en koolstof.
Blauwe waterstof
De productie van blauwe waterstof is in principe hetzelfde als die van grijze waterstof, met één verschil. Het overgrote deel van de CO2 die vrijkomt tijdens het productieproces wordt niet in de lucht opgenomen, maar opgevangen of opnieuw gebruikt.
Blauwe waterstof is hierdoor een stuk duurzamer dan grijze brandstof. Wel kost het opvangen van de C02 energie, waardoor de uiteindelijke opbrengst in totale energie lager uitpakt.
Groene waterstof
Bij de productie van groene waterstof wordt gebruik gemaakt van groene energie en water. Met behulp van elektrolyse wordt het water omgezet in waterstof en zuurstof. Bij deze productiewijze komt geen CO2 vrij, waardoor groene waterstof de enige echt duurzame waterstof betreft.
Zou groene waterstof op grote schaal worden geproduceerd, dan zou dit een grote stap betekenen in de verduurzaming van brandstof en energie. Helaas is dit momenteel nog niet het geval. Er zijn namelijk diverse factoren die de productie van groene waterstof lastig maken:
- De productie van groene waterstof is erg duur, vergeleken met die van grijze waterstof.
- Elektrolyse-technologieën kosten geld en ook groene energie is (vooralsnog) duurder dan grijze stroom.
- Elektrolyse kost relatief veel energie. Critici stellen daarom de vraag of het niet efficiënter is om de gebruikte stroom direct in het energienet op te nemen. Bij elektrolyse heb je namelijk een rendement van 70%. Dit betekent dat 30% van de opgewekte energie verloren gaat om er waterstof van te maken.
- Voor elektrolyse is water nodig. Momenteel wordt nog voornamelijk gebruik gemaakt van schoon water, wat in landen met een watertekort voor problemen zou kunnen zorgen. Uit onderzoek blijkt echter dat ook zeewater en afvalwater kunnen worden ingezet voor succesvolle elektrolyse. Dit biedt mogelijkheden voor de toekomst.
De bovenstaande redenen zorgen dat de productie van groene waterstof nog maar langzaam op gang komt. Er is dan ook een flinke prijsdaling en veel ondersteuning van overheden nodig om de productie van groene waterstof op grote schaal mogelijk te maken.
Opslag en transport
Terwijl waterstof relatief veel in gasvorm wordt gebruikt, is het opslaan en vervoeren van gasvormig waterstof een uitdaging. Vanwege de extreem lage dichtheid neemt waterstof in gasvorm onder atmosferische druk namelijk veel ruimte in beslag.
Door het gas echter onder hoge druk (350–700 bar tankdruk) te zetten of vloeibaar te maken, wordt dit probleem opgelost. In vloeibare vorm wordt de dichtheid van waterstof namelijk maar liefst 800 keer vergroot. Dit betekent dat in een tank of vat 800 keer meer waterstof kan worden opgeslagen.
Wat betekent dit voor het vervoer van waterstof? Over korte afstanden wordt waterstof vaak in vloeibare vorm vervoerd in optimaal geïsoleerde transferleidingen, terwijl voor lange afstanden gebruik wordt gemaakt van grote cryogene tankwagens of treinen. Ook in gasvorm wordt waterstof over de weg of over het spoor vervoerd in bijvoorbeeld hogedrukcilinders.
Net als het vervoeren, is ook het opslaan van waterstof makkelijker wanneer dit een vloeibare vorm heeft of op zeer hoge druk wordt gehouden. Meestal wordt gasvormig waterstof dan ook bewaard in speciale tanks, die zijn gebouwd om deze hoge druk aan te kunnen en te reguleren. Ook vloeibaar waterstof wordt opgeslagen in grote tanks of bewaarvaten. Deze zijn voorzien van optimale (vacuüm) isolatie, waarmee energieverliezen worden geminimaliseerd.
Er wordt momenteel gesproken over de mogelijkheid om in de toekomst bestaande aardgasinfrastructuren in te zetten voor het vervoer van waterstof. Dit lijkt mogelijk zonder veel aanpassingen, maar er zitten kosten aan verbonden. Ook is niet elke infrastructuur hetzelfde en zal stuk voor stuk moeten worden geëvalueerd in hoeverre er aanpassingen nodig zijn.
De toepassingen van vloeibaar waterstof
Waar wordt waterstof precies voor gebruikt? Momenteel wordt (vloeibare) waterstof voornamelijk ingezet en onderzocht in de volgende industrieën:
- De ruimtevaartsector, onder meer als brandstof voor raketten. Wanneer gecombineerd met vloeibare zuurstof (als oxideermiddel) kan waterstof de enorme kracht genereren die nodig is voor het lanceren van een raket.
- De scheepvaartindustrie, waarin steeds meer interesse ontstaat in waterstof als een duurzame brandstof (via brandstofcellen). Om de doelen van de EU met betrekking tot het verminderen van CO2-uitstoot te halen, is een verschuiving van fossiele brandstoffen naar CO2-vrije brandstof in deze industrie noodzakelijk.
- De luchtvaartindustrie, waarin hard wordt gewerkt aan modellen voor vliegtuigmotoren op waterstof. Naar verwachting zullen rond 2030 de eerste proefmodellen worden gebouwd, maar zullen de nieuwe vliegtuigmodellen niet voor 2040 in gebruik worden genomen.
- De wegtransportsector, bestaande uit zowel vrachtverkeer als personenauto’s. Er zijn recentelijk enkele personenauto’s en vrachtwagens ontwikkeld die gebruik maken van waterstof als energiedrager. Naar verwachting zal de inzet van waterstof voor vrachtverkeer echter niet voor 2025 van de grond komen. Ook vinden er proeven plaats met waterstof als brandstof in een verbrandingsmotor.
- De Industriële sector, waarin waterstof als fundamentele grondstof dient voor de productie van ammoniak en plastics. Ook wordt waterstof ingezet voor het maken van aardolieproducten en methanol.
- De energiesector, waarin waterstof kan worden gebruikt voor zowel het koelen van generatoren in elektriciteitscentrales als het stabiliseren van het elektriciteitsnet. Waterstof wordt opgeslagen en gebruikt in brandstofcellen, die een stabiele back-up van energie bieden. Dit resulteert in optimale uptime.
Terwijl de bovenstaande sectoren momenteel de grootste gebruikers van- en geïnteresseerden in waterstof zijn, zijn er nog veel meer sectoren die het veelzijdige gas benutten. Zo zet bijvoorbeeld de voedingsmiddelenindustrie waterstof in om onverzadigde vetten om te zetten in verzadigde oliën en vetten.
Ook maakt de industriële sector gebruik van waterstof voor de productie van onder meer ijzer, wordt waterstof ingezet voor zogenaamd atomair waterstoflassen (AHW), maakt de electronics industry gebruik van waterstof voor diverse elektronica en wordt waterstof ingezet om waterstofperoxide (H2O2) te maken in de medische wereld.
In veel van de bovenstaande industrieën wordt waterstof in gasvorm gebruikt, maar in vloeibare vorm opgeslagen en vervoerd. Er bestaan echter ook diverse toepassingen van vloeibaar waterstof:
- De ruimtevaartsector is een van de grootgebruikers van vloeibaar waterstof. Zoals hierboven beschreven, gebruikt deze industrie vloeibaar waterstof voor het lanceren van raketten.
- Er is momenteel een toenemende belangstelling in supergeleiding (de status waarin materiaal nagenoeg geen weerstand ondervindt bij het transport van elektriciteit), waarin vloeibaar waterstof een belangrijke rol speelt. Dit levert nog een potentiële gebruiker van het vloeibare gas op.
- Als laatste wordt ook bij de ontwikkeling van zwaardere vrachtwagens en schepen voor de langere range gedacht aan vloeibare waterstof in de tanks.
De risico’s van vloeibaar waterstof
Het gebruik van waterstof, in gasvorm of in vloeibare vorm, is niet zonder risico’s. Wanneer waterstof reageert met de juiste hoeveelheid zuurstofgas, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij en volgt er een explosie. Daarnaast heeft waterstof een relatief lage ontstekingstemperatuur en daarmee een hoge brandbaarheid.
Omdat waterstof bovendien kleurloos en geurloos is, is een lek lastig op te sporen. Zelfs een waterstofvlam is bijna niet te zien, en daardoor moeilijk te blussen. Vloeibaar waterstof is bovendien extreem koud (-252,9 °C) en leidt bij aanraking tot bevriezingsverschijnselen. Als laatste kan zuurstof condenseren bij onvoldoende isolatie van de waterstof, wat ook weer voor een verhoogd brandgevaar zorgt.
Er bestaat de nodige discussie over de vraag hoe de bovenstaande risico’s zich verhouden ten opzichte van andere brandstoffen. Uit onderzoek blijkt namelijk dat waterstof een iets hoger brandgevaar met zich meebrengt dan benzine of aardgas. Wat dit verhoogde risico echter betekent voor de toekomst van waterstof, is de vraag. Ook andere brandstoffen zijn namelijk niet zonder gevaren, en met de juiste infrastructuren en voorlichting is waterstof goed en veilig beheersbaar.
Gelukkig wordt er in diverse industrieën al een lange tijd met waterstof gewerkt en zijn de infrastructuren en beveiligingsmaatregelen over de afgelopen decennia aanzienlijk verbeterd. Er bestaan inmiddels geavanceerde sensoren die een lek in een infrastructuur direct aangeven. Ook zijn waterstoftanks, leidingen en applicaties aan zeer strenge test-standaarden gebonden. Zo worden ze altijd aan een hoge druk en extreme temperaturen blootgesteld voordat ze in gebruik mogen worden genomen.
Met de juiste infrastructuren is waterstof zonder problemen veilig te beheren, indien ook de eindgebruiker verantwoordelijk met het gas omgaat. Hierin speelt informatievoorziening een belangrijke rol. Hoe beter de gebruiker de voorschriften volgt en op de hoogte is van eventuele gevaren, hoe kleiner het risico.
Isolatie voor vloeibaar waterstof
Vloeibaar waterstof vereist een hogere kwaliteit van isolatie dan sommige andere vloeibare gassen. De voornaamste reden hiervan is de extreem lage temperatuur van het gas. Wordt waterstof bijvoorbeeld vervoerd in een transferleiding met foam-isolatie en ontstaat er een scheurtje in het foam? Dan is de kans groot dat de omringende zuurstof condenseert vanwege de extreme kou die de vloeibare waterstof afgeeft. Komt deze gecondenseerde zuurstof in aanraking met waterstof of ander brandbaar materiaal, dan ontstaat er brand of zelfs een explosie.
Gelukkig bestaat er een vorm van isolatie die zorgt voor een optimale isolatie. Deze methode, vacuümtechnologie, is daarom dé oplossing voor het veilig vervoeren, opslaan en gebruiken van vloeibaar waterstof. Vacuüm isoleert maar liefst 15 keer beter dan andere isolatiematerialen (PIR/PUR, bijvoorbeeld, of Foamglas, Armaflex, Perlite, en Misselon) en kan worden gebruikt voor zowel leidingen als appendages, tanks en cryogene apparaten.
Vacuümtechnologie maakt gebruik van vacuüm of hoogvacuüm voor het optimaal isoleren van transferleidingen of systemen. Door deze te voorzien van een dubbele wand en tussen de twee wanden alle lucht weg te zuigen, ontstaat een vacuüm omgeving. De luchtledige ruimte zorgt ervoor dat er geen overdracht van warmte kan plaatsvinden (de meeste moleculen zijn immers weggezogen) tussen de warme buitenzijde en de koude binnenkant.
Vacuüm isolatie voor waterstofsystemen is niet alleen veilig, maar voldoet ook aan de strenge eisen die aan infrastructuren voor waterstof worden gesteld. Zo wordt van transferleidingen voor vloeibaar waterstof op schepen verwacht dat deze zijn uitgerust met een double-containment voor extra veiligheid (mocht de procesleiding een lek krijgen is er altijd nog de double-containment om dit op te vangen). Worden de leidingen voorzien van vacuüm isolatie, dan fungeert de vacuümbuis ook direct als double-containment. De vacuüm isolatie slaat zo dus twee vliegen in één klap.
Demaco’s oplossingen voor vloeibaar waterstof
Bij Demaco geloven we in de toekomst van groene waterstof. Sterker nog, we staan vooraan bij het onderzoek naar de beste waterstof-infrastructuren. Al tientallen jaren experimenteren we met prototypen, werken we aan pioniersprojecten en bewijzen we proof of concept voor geavanceerde projecten en producten.
We werken samen met grote spelers in de waterstofmarkt en zijn aangesloten bij Hydrogen Europe. Deze vereniging vertegenwoordigt de belangen van de waterstof- en brandstofcelindustrie en zet zich samen met honderden bedrijven en verenigingen in voor de toekomst van waterstof in een emissievrije samenleving. Door onze samenwerking met Hydrogen Europe volgen we alle ontwikkelingen niet alleen op de voet, maar zijn we ook actief betrokken bij onderzoek en besluitvorming. Hierdoor zijn én blijven we expert op het gebied van waterstof.
Ook is Demaco turnkey-leverancier voor waterstofprojecten over de hele wereld. We zijn betrokken vanaf het eerste concept en bieden ondersteuning vanaf de eerste conceptuele schets, gedetailleerd design, engineering, productie, levering, montage, toezicht, oplevering, inbedrijfstelling, tot onderhoud en certificering.
Uiteraard worden al onze projecten uitgevoerd met het allerbeste materiaal, volledig vacuüm geïsoleerd en aan de hand van strenge technische ontwerpnormen voor mogelijk explosiegevaar onder atmosferische omstandigheden (ATEX). Hierdoor zijn we in staat om de eerder besproken risico’s van waterstof te minimaliseren. Daarnaast is Demaco DNV-gecertificeerd ten behoeve van de toepassingen aan boord van schepen.
Momenteel bieden wij de waterstofmarkt de volgende producten en oplossingen:
- A. Vulstations of laadperrons voor vrachtwagens
- B. Vacuüm geïsoleerde laadarmen voor schepen
- C. Vacuüm geïsoleerde transferleidingen tussen een tank of vervloeier en de toepassing, zowel op schepen als op het vasteland
- D. Vacuüm geïsoleerde distributieboxen
- E. Waterstofzuiveraars
- F. Small-scale waterstofvervloeier
We zijn trots op alle kennis en ervaring die we in de afgelopen decennia hebben opgebouwd. Omdat we al zo lang met waterstof werken, zijn onze methoden, producten en infrastructuren uitgebreid getest en geoptimaliseerd. Klopt een nieuwe klant bij ons aan voor een oplossing, dan zijn we in staat proven technology te bieden.
Er is nog een lange weg te gaan voordat de waterstofeconomie van Bockris realiteit zal worden, maar wij zijn er klaar voor!
Een model van een met vloeibaar waterstof gekoelde vliegtuigmotor
Meer weten?
Voor meer informatie over ons werk, bekijk ook onze producten en diensten eens. En voor meer over vloeibaar waterstof, neem een kijkje op onze vloeibaar waterstof pagina.
