Waterstof in de historie
De geschiedenis van waterstof, hoe boeiend is dat? Al direct vanaf het begin van de geschiedenis, bij de oerknal, is het interessant. Dat is dan ook het eerste waar we op inzoomen. Daarnaast kijken we vooral naar de relatie van mens en waterstof. Hoe won de mens door de geschiedenis heen aan inzicht in dat eenvoudige element? En vooral: hoe wisten mensen waterstof steeds meer te gebruiken voor allerlei meer en minder nuttige toepassingen?
Het ontstaan van waterstof
Volgens de oerknaltheorie ontstond het heelal ongeveer 13,8 miljard jaar geleden vanuit een singulariteit: een enorm heet punt met een bijna oneindig grote dichtheid. Dit gebeurde met de huidige voorraad waterstof en helium. In het heelal is waterstof het kleinste element, maar wel veruit in de meerderheid; het vormt driekwart van de kosmische ruimte. Helium vertegenwoordigt grofweg het andere kwart. Alle andere, zwaardere elementen bij elkaar maken nauwelijks één procent van het heelal uit en zijn na de oerknal in de sterren gevormd. Hoe lastig dat proces geweest moet zijn, blijkt uit het feit dat er in al die tijd nog geen procent van de oorspronkelijke hoeveelheid waterstof is omgezet in zwaardere elementen.
De eerste wetenschap rond waterstof
In 1520 beschreef de Duits-Zwitserse wetenschapper Philippus Aureolus van Hohenheim, destijds bekend als Paracelsus, een opstijgend gas dat waarschijnlijk waterstof was. Hij gaf er echter geen naam aan en ontdekte ook niets over de eigenschappen.
De Ierse alchemist Robert Boyle ontdekte rond 1670 als eerste een brandbaar gas dat vrijkwam bij een reactie tussen ijzer en verdund zuur. Een kleine eeuw later, in 1766, kwam de Britse natuur- en scheikundige Henry Cavendish erachter dat het om een chemisch element ging. Cavendish kon de chemische eigenschappen van dit chemische element nauwkeurig beschrijven en dacht dat deze ‘ontvlambare lucht’ niet uit het zuur maar uit het metaal voortkwam. Hij noemde het element daarom ‘brandbaar gas van metalen’. In combinatie met zuurstof produceerde dit brandbare gas een dauw die, zoals de Britse scheikundige Joseph Priestley al eerder aantoonde, gelijk aan water bleek te zijn. De Franse scheikundige Antoine Lavoisier gaf het later zijn huidige naam: hydrogeen. Het woord waterstof (H in het periodiek systeem der elementen) is afgeleid van het Franse woord hydrogène, waarin Lavoisier de Griekse woorden hydor (water) en genes (maken) combineerde. Waterstof heette oorspronkelijk dus ‘watermaker’.
Antoine Lavoisier
In 1800 ontdekten de Engelse wetenschappers William Nicholson en Sir Anthony Carlisle dat wat we nu kennen als elektrolyse: door elektriciteit en water samen te brengen kan CO₂-neutrale waterstof en zuurstofgas worden geproduceerd. De Duits-Zwitserse scheikundige Christian Friedrich Schönbein ontdekte in 1838 het brandstofceleffect, via een experiment met platina, waterstof en zuurstof. Door de combinatie van waterstof- en zuurstofgas ontstond water en elektrische stroom – het omgekeerde principe van elektrolyse. Enkele jaren later bracht de Engelse wetenschapper Sir William Grove de ontdekking van Schönbein in praktijk door een gasbatterij te ontwikkelen. Deze gasbatterij bestond uit twee platina elektrodes in zwavelzuur, waarbij de ene elektrode met waterstofgas in contact stond en de andere met zuurstof. Met deze demonstratie verwierf Grove de titel ‘Vader van de brandstofcel’.
William Grove Fuel Cell
Toepassingen van waterstof in de geschiedenis
Halverwege de twintigste eeuw groeide dus de aandacht voor waterstof, maar ook eerder wisten allerlei mensen al slimme uitvindingen te doen met hulp van waterstof. Een historisch verloop.
Waterstofvoertuigen
De eerste verbrandingsmotor voor voertuigen liep op watergas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide, toen de Zwitserse uitvinder François Isaac de Rivaz in de eerste primitieve automobiel een interne verbrandingsmotor bouwde. De auto bereikte een snelheid van 8 kilometer per uur. Later, in 1863, bouwde Etienne Lenoir een tweetakt 1-cylinder motor, genaamd de ‘Hippomobiel’. Het watergas werd gemaakt door middel van elektrolyse. Later gebruikte Lenoir in de Hippomobiel watergas met koolstoftoevoeging. In 1865 reden er in Parijs wel 350 tot 400 Hippomobielen. Ruim een eeuw na de ontwikkeling van de eerste verbrandingsmotor, in 1920, zette de Duitse ingenieur Rudolf Erren de verbrandingsmotoren van vrachtwagens, bussen en onderzeeërs om naar waterstof- en waterstofhybridemotors.
Hippomobiel van Etienne Lenoir
Zeppelin
In de jaren dertig van de twintigste eeuw maakte de Hindenburg, een Duitse, met waterstof opgeblazen zeppelin, tien succesvolle vluchten over de Atlantische Oceaan tussen Duitsland en de Verenigde Staten. Maar in 1937 ging het mis; de Hindenburg stortte neer bij de landing in Lakehurst, New Jersey. Over de exacte oorzaak blijven wetenschappers twisten. Volgens een veel aangehaalde theorie is het volgende gebeurd. Tijdens stormweer beval de kapitein kleine bochten te maken, in plaats van de gebruikelijke grote. De constructie van het luchtschip was echter niet bestand tegen de grote krachten tijdens die scherpe bochten, met als gevolg dat een kabel knapte, die een van de 16 grote waterstofzakken ter hoogte van de staart openscheurde. Door de ontsnappende waterstof raakte het luchtschip uit balans: de staart zakte wat naar beneden. Het ontsnapte waterstof mengde met zuurstof. Toen de Hindenburg uiteindelijk boven de landingsmast hing, werden de ankerkabels naar beneden gelaten. Toen de doornatte kabels de mast raakten functioneerden ze als aarding: alle tijdens de vlucht door het stormweer opgebouwde statisch-elektrische lading werd naar de aarde geleid. Door een overspringende vonk werd de ontsnappende waterstof in brand gestoken, die op zijn beurt het even brandgevaarlijke omhulsel in brand stak.
Waterstofbrandstofcellen
De Engelse ingenieur Francis Thomas Bacon, latere familie van de gelijknamige Britse filosoof en wetenschapper uit de zestiende eeuw, bouwde in 1959 met behulp van het bedrijf Marshall of Cambridge Ltd. (nu bekend als Marshall Aerospace) de eerste praktische waterstof-zuurstofbrandstofcel van 5 kW. Waterstofbrandstofcellen, vergelijkbaar met dat model van Bacon, zijn gebruikt om elektriciteit, hitte en water te genereren voor de ruimtevaart, zoals in het Apolloprogramma en alle daaropvolgende spaceshuttlemissies. Vanaf het einde van de jaren vijftig van de vorige eeuw begon de National Aeronautics and Space Administration (NASA), in samenwerking met industriële partners, brandstofcelgeneratoren te ontwikkelen voor bemande ruimtemissies.
Waterstofbom
In 1951 lukte het Edward Teller en Stanislaw Ulam om de (kernfusie)ontsteking te ontwerpen waarmee de waterstofbom technisch mogelijk werd. Op 1 november 1952 werd de eerste waterstofbom getest op het atol Eniwetok. Bij de waterstofbom is eenvoudig gezegd sprake van een kernfusie van waterstofatomen (bij extreem hoge temperaturen). Bij toepassingen van waterstofmoleculen waarover deze longread gaat, betreft het chemische toepassingen. Deze vormen van gebruik zijn dus niet te vergelijken met een waterstofbom.
Huidige toepassingen van waterstof
Tegenwoordig is Nederland na Duitsland in Europa de grootste producent van grijze waterstof, met een geschat volume van bijna 14 miljard m³ per jaar (176 PJ/jr). Deze waterstof wordt voornamelijk geproduceerd met behulp van aardgas via SMR (Steam Methane Reforming). De vrijkomende CO₂ wordt hierbij niet afgevangen. Circa 10% van het Nederlandse aardgasverbruik wordt ingezet voor de productie van waterstof.
Industrieel gebruik
We produceren deze waterstof natuurlijk niet voor niets. In de (chemische) industrie wordt waterstof al vele tientallen jaren op grote schaal ingezet. De grootste hoeveelheid gebruikt de industrie als grondstof voor de productie van ureum (via ammoniak), om kunstmest van te maken. Waterstof wordt ook gebruikt bij de raffinage van aardolie om brandstoffen te ontzwavelen en zware aardoliefracties op te werken. In toenemende mate is waterstof nodig bij de productie van biobrandstoffen, zoals biomethanol. Verder wordt waterstof onder andere in Nederland al gebruikt bij de productie van verschillende soorten kunststof. En als reductiemiddel en procesgas voor oppervlaktebehandeling in de glasindustrie, de metaalindustrie en de halfgeleiderindustrie.
Infrastructuur
Een regionale waterstofinfrastructuur om de waterstof van producent naar eindgebruiker te transporteren, bestaat al in Zuidwest-Nederland met vertakkingen naar België en Frankrijk. In de regel wordt waterstof ter plekke geproduceerd voor grootschalig industriegebruik. Daarnaast wordt het via pijplijnen getransporteerd binnen verschillende industriële clusters. Wereldwijd hebben we het over meer dan 4.500 km aan pijplijnen, waarvan bijna 1.600 km in Europa. Nederland neemt zo’n 300 kilometer voor zijn rekening.
Productiepark voor CO₂-neutrale waterstof
In 1990 werd het eerste door zonnecellen gevoede waterstofproductiepark van Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH (SWB) in de Duitse stad Neunburg operationeel. Het park had als doel grootschalige testen uit te voeren met belangrijke systeemcomponenten, ten behoeve van een mogelijke toekomstige waterstofeconomie.
PEM-brandstofcel
In 2000 presenteerde Ballard Power System tijdens de Detroit Auto Show ’s werelds eerste PEM-brandstofcel voor de auto-industrie. Door middel van deze brandstofcellen kan waterstof omgezet worden in elektriciteit.
