Waterstof staat volop in de belangstelling. De politiek en industrie zetten groots in op groene waterstof als duurzame brandstof en energiedrager, en overal ter wereld worden infrastructuren ontwikkeld die de implementatie van dit veelbelovende gas op grote schaal mogelijk maken.
Om wereldwijd gebruik te kunnen maken van waterstof, is echter waterstoftransport op grote schaal nodig. In deze blog leggen we uit waarom dit transport zo belangrijk is en wat de voor- en nadelen zijn van drie energiedragers: ammoniak, LOHC (liquid organic hydrogen carrier) en vloeibare waterstof.
Waarom internationaal waterstoftransport?
Terwijl de vraag naar waterstof in specifieke delen van de wereld extreem stijgt, zijn dit niet altijd de delen waarin ook productie op grote schaal mogelijk is. Om groene waterstof te produceren zijn namelijk grote hoeveelheden duurzame energie en geavanceerde infrastructuren voor elektrolyse nodig. Deze voorwaarden vereisen specifieke omstandigheden en voldoende ruimte.
Een mooi voorbeeld van een gebied met veel vraag naar groene waterstof, maar waar productie op grote schaal lastig is, is Europa. Volgens een rapport van Roland Berger zal de vraag naar groene waterstof in Europa zelfs zo sterk gaan stijgen dat in 2050 veel meer groene waterstof nodig zal zijn dan naar verwachting lokaal geproduceerd kan worden. Voldoende mogelijkheden voor de productie van duurzame energie zijn er in Europa simpelweg niet.
Enkele voorbeelden van gebieden die juist wel zeer geschikt zijn voor het produceren van duurzame energie zijn Chili, Australië en het Midden-Oosten. In een aantal van deze gebieden wordt daarnaast ook geëxperimenteerd met het op grote schaal omzetten van elektriciteit in groene waterstof met behulp van elektrolyse.
De ongelijke verdeling van duurzame energie en electrolyzers wereldwijd, zorgt ervoor dat internationaal transport van waterstof onvermijdelijk is om een globale groene waterstofeconomie te kunnen realiseren.
Voor transport over kleinere afstanden, zijn waterstof pijpleidingen en trucks de beste oplossing. Echter, wanneer hoeveelheden of afstanden groter worden zijn andere technieken nodig. Drie energiedragers die dit transport mogelijk kunnen maken zijn ammoniak, LOHC’s en vloeibare waterstof. Alle drie deze methoden worden momenteel volop onderzocht en hebben zowel voor- als nadelen.
Waterstoftransport met behulp van ammoniak
Een eerste middel dat grootschalig waterstoftransport mogelijk maakt is ammoniak. Ammoniak is een chemische stof die, naast gebruik als grondstof voor onder meer kunstmest, ook kan worden ingezet om waterstof op te slaan en te transporteren.
Hoe werkt het?
Ammoniak als energiedrager voor waterstof wordt geproduceerd door middel van ammoniaksynthese. Dit chemische proces laat waterstof en stikstof reageren, waaruit vloeibare ammoniak ontstaat. Deze vloeistof wordt vervolgens in tanks opgeslagen en kan op deze manier gemakkelijk worden vervoerd.
Bereikt de ammoniak de bestemming, dan wordt de stof afgebroken (‘gekraakt’) tot zijn componenten en komt de waterstof en stikstof weer vrij. De waterstof wordt vervolgens gezuiverd en is daarna klaar voor gebruik.
De voor- en nadelen
Waterstoftransport met behulp van ammoniak heeft diverse voordelen. Zo wordt ammoniak al een lange tijd in diverse industrieën gebruikt en zijn de infrastructuren voor ammoniaksynthese volop aanwezig. Ook kan ammoniak worden bewaard in licht gekoelde tanks van -33 °C of bij kamertemperatuur onder een druk van 8-10 bar. Dit maakt het opslaan en vervoeren van ammoniak relatief makkelijk en betaalbaar.
Helaas heeft ammoniak ook nadelen. Ten eerste zijn de infrastructuren voor het produceren van ammoniak aanwezig, maar is het kraken hiervan nog vrij nieuw en niet energiezuinig. Bovendien zijn er na het kraken extra stappen nodig om de waterstof te zuiveren voor gebruik.
Als laatste is ammoniak een giftige stof die bij lekkage een negatief effect kan hebben op lucht-, bodem- en waterkwaliteit en op de gezondheid van omwonenden. Vanwege de mogelijk zeer ernstige gevolgen is het daarom de vraag in hoeverre opslag en transport van ammoniak verantwoord is.
Waterstoftransport met behulp van een LOHC
Een Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), ofwel ‘vloeibare organische waterstofdrager’, is een vloeistof die door middel van een chemische reactie in staat is om waterstof in zich op te nemen en weer vrij te geven.
Hoe werkt het?
Om waterstof te kunnen absorberen, wordt de LOHC in contact gebracht met waterstof door middel van een hydrogeneringsreactie. Deze chemische reactie vindt plaats onder een verhoogde druk en temperatuur en in de aanwezigheid van een katalysator. De LOHC kan, ook wanneer deze is samengevoegd met waterstof, gewoon in atmosferische omstandigheden worden opgeslagen of vervoerd.
Is de waterstof na enige tijd weer nodig of heeft het de bestemming bereikt, dan wordt de LOHC gedehydrogeneerd. Ook voor dit proces is een verhoogde temperatuur en een katalysator nodig.
Er bestaan verschillende stoffen die kunnen worden gebruikt als LOHC. Een goed voorbeeld hiervan is dibenzyltolueen. Deze ‘drager’ is in staat om met de hierboven beschreven techniek grote hoeveelheden waterstof in zich op te nemen. In 1 m3 LOHC kan maar liefst 56 kg waterstof worden opgeslagen.
De voor- en nadelen
Ook waterstoftransport met behulp van een LOHC heeft voor- en nadelen. Een bekend voordeel is het feit dat het proces relatief goedkoop en veilig is. Daarnaast is de LOHC een dieselachtige stof, die onder atmosferische druk en temperatuur met reguliere transportmiddelen voor benzine of diesel kan worden vervoerd.
Helaas heeft ook deze methode nadelen. Ten eerste vereist dehydrogenering veel warmte, en dus energie. Bij grootschalig gebruik kunnen de kosten dan ook flink oplopen. Ook zorgt de productie van LOHC voor extra CO2-uitstoot. Hoeveel dit precies is, hangt ervan af hoe lang de LOHC meegaat en hoe vaak dit opnieuw kan worden gebruikt.
Waterstoftransport in de vorm van vloeibare waterstof
De laatste manier om waterstof efficiënt te vervoeren, is dit om te zetten in vloeibare waterstof. Zoals al eerder beschreven in onze blog over de energiedichtheid van waterstof, is de dichtheid van vloeibare waterstof aanzienlijk hoger dan die van gasvormige waterstof. Dit betekent dat in dezelfde ruimte veel meer vloeibare- dan gasvormige waterstof kan worden vervoerd.
Hoe werkt het?
Om gasvormige waterstof om te zetten in vloeibare waterstof, wordt het gas afgekoeld tot een temperatuur van -252,9 °C. In vloeibare vorm kan dit vervolgens worden vervoerd en bewaard, mits zeer goed geïsoleerd. Warmt het namelijk op, dan verliest het de vloeibare vorm en wordt het opnieuw gasvormig.
Na vervoer of tijdelijke opslag wordt vloeibare waterstof weer gasvormig gemaakt met behulp van een verdamper.
De voor- en nadelen
Een groot voordeel van vloeibare waterstof als transportmiddel ten opzichte van ammoniak of een LOHC, is het feit dat de waterstof niet wordt samengevoegd met een andere stof. Waterstof blijft waterstof, het verandert alleen van vorm. Chemische reacties en extra zuiveringsstappen zijn hierdoor niet nodig en de waterstof behoudt een optimale kwaliteit.
Helaas heeft ook vloeibare waterstof als energiedrager enkele nadelen. Zo kost de extreme koeling veel energie en is goede isolatie nodig om de lage temperaturen te behouden. Ook vormt zich na verloop van tijd een kleine hoeveelheid boil-off gas.
