Wat is waterstof en hoe maak je het?
Waterstof is een eenvoudig element. Wonderlijk dat ons bestaan er toch van afhankelijk is. Hier vertellen we over het molecuul en zijn eigenschappen, en de mogelijkheden en risico’s die het gebruik van waterstof met zich meebrengt. Maar ook over hoe waterstof het leven mogelijk maakt. Waterstof in geïsoleerde vorm komt praktisch niet voor. Je moet daarom waterstof scheiden van de chemische elementen die waterstof bevatten. We vertellen met welke technieken dat gebeurt en welke aspecten daarbij van belang zijn.
Wat is waterstof?
Het waterstofatoom is het meest voorkomende, lichtste en eenvoudigste element in het universum. De Latijnse naam is Hydrogenium. In het periodiek systeem staat het element H op plaats 1. Een waterstofatoom is opgebouwd uit 1 proton in de kern en 1 elektron, dat om het proton heen beweegt.
Opbouw waterstofatoom
Waterstof is een molecuul (H₂) dat is opgebouwd uit twee waterstofatomen (H). Waterstof komt veel voor op aarde maar is altijd verbonden met andere atomen.
Opbouw waterstofmolecuul
Waterstof is een niet-giftige, kleurloze, smaakloze en reukloze stof. Bij normale omstandigheden, zoals kamertemperatuur en normale drukken, is waterstof gasvormig. Als waterstof tot -253°C afgekoeld wordt, dan wordt het vloeibaar. Naast afkoelen kun je waterstof ook onder druk brengen. Door de druk te verhogen zal de dichtheid, en dus ook de hoeveelheid energie per m³, toenemen. Bij kamertemperatuur en 1 bar is de dichtheid ongeveer 0,09 kg/m³; bij 200 bar neemt de dichtheid toe tot ongeveer 16 kg/m³.
Waterstof: de bron van leven
In het heelal bestaat meer dan 90% van alle atomen uit waterstofatomen. Waterstof vinden we in sterren. Maar ook tussen sterren of in grote (gas)planeten, zoals Jupiter en Saturnus. Vloeibaar waterstofmetaal vormt het grootste deel van het binnenste van grote gasplaneten.
Ook op aarde is veel waterstof: zo’n 2/3 van alle moleculen bevat een of meer waterstofatomen. Denk maar aan water, dat bestaat uit 2 waterstofatomen en 1 zuurstofatoom (H₂O). Of aan methaan (aardgas; CH₄), dat bestaat uit 1 koolstofatoom en 4 waterstofatomen. Alles wat leeft op aarde bestaat uit waterstofverbindingen en kan ook niet zonder. Waterstof komt hier op aarde echter nauwelijks in geïsoleerde vorm voor, of het moet door de mens geconverteerd zijn uit een bron.
De energie-inhoud van waterstof
Waarom en wanneer is de energie-inhoud van waterstof belangrijk? Bijvoorbeeld bij waterstoftoevoer via een brandstoftank. In auto’s die op waterstof rijden, wordt de waterstof in een brandstoftank tot 350 of 700 bar samengedrukt, zodat je zoveel mogelijk kilogram waterstof kunt meenemen. Je kunt waterstof nog compacter maken door het vloeibaar te maken bij heel lage temperaturen (< -253 °C). Dit kost veel energie en geld. De toepassing van vloeibare waterstof is daarom nu nog hoofdzakelijk beperkt tot de ruimtevaartindustrie. Daar dient het bijvoorbeeld als brandstof voor raketten. In de toekomst zullen we vaker het transport van waterstof in vloeibare vorm gaan zien. Shell werkt bijvoorbeeld met het Japanse industrieconcern Kawasaki aan schepen die waterstof in vloeibare vorm over de oceanen kunnen transporteren.
Bij toevoer van waterstof via een pijpleiding is energiedichtheid minder relevant. De hoeveelheid gas getransporteerd via een pijpleiding wordt uitgedrukt in Nm3. Omdat waterstof een heel licht molecuul is, is de stroomsnelheid bij dezelfde drukval bijna drie keer zo hoog als die van aardgas. Dat verkleint de verschillen. Uiteindelijk transporteert eenzelfde pijpleiding voor waterstof maar zo’n 20% minder energie dan wanneer er aardgas doorheen zou stromen (volumetransport per tijd per tijdseenheid).
Zoals uit de staafdiagram Calorische waarde hieronder valt af te leiden, zit in 1 m³ waterstof 3 keer minder energie dan in 1 m³ aardgas. Als je 1 m³ waterstof verbrandt, komt dus maar 1/3 van de energie beschikbaar vergeleken met de verbranding van 1 m³ aardgas.
Vergelijking energiedichtheid en calorische waarde waterstof en aardgas van Groningen-kwaliteit Bron: DNVGL
1 m³ waterstof is veel lichter dan 1 m³ aardgas. Ga je echter waterstofmoleculen samendrukken (comprimeren) dan passen er veel meer kleine waterstofmoleculen in 1 kg waterstof, dan dat er aardgasmoleculen in 1 kg aardgas passen. Dit kun je afleiden uit de staafdiagram Energiedichtheid. Als je 1 kg waterstof verbrandt, dan komt er juist 3 keer méér energie beschikbaar vergeleken met aardgas (gewonnen uit het Groningenveld).
Nm3 staat voor normaal m³, ofwel 1 m³ bij 0 °C en een atmosferische druk van 1 bar).
De calorische waarde geeft aan hoeveel energie er vrijkomt bij volledige verbranding van een gas.
Komt er CO2 vrij bij gebruik van waterstof?
Het grote voordeel van waterstof is dat er bij verbranding met zuurstof geen CO₂-uitstoot is. Dat komt omdat er geen koolstof zit in het waterstofmolecuul. Als je waterstof verbrandt met zuivere zuurstof krijg je als afvalproduct alleen zuiver water. Meestal is sprake van verbranding met lucht. Daarbij komt wel NOx – stikstofoxide - vrij. Daarom zullen, om de uitstoot te beperken, de waterstofbranders verder ontwikkeld moeten worden. Zoals ook bij aardgasbranders is gebeurd.
Als het gebruik van waterstof zich sterk ontwikkelt, is het niet te voorkomen dat waterstof in de atmosfeer terechtkomt, bijvoorbeeld als gevolg van lekkage. Waterstof levert op zichzelf geen directe bijdrage aan klimaatverandering; het is geen broeikasgasmolecuul zoals methaan of CO₂. Wel kunnen er indirect gevolgen zijn voor het milieu. Dit effect is echter zeer gering.
Is waterstof gevaarlijk?
Waterstof is licht ontvlambaar, dus moet je daar zorgvuldig mee omgaan. Waterstof is acht keer lichter dan aardgas en 14 keer lichter dan lucht. Bij een lekkage zal waterstof daarom snel opstijgen, zich vermengen met lucht en door ventilatie afgevoerd worden. In een ruimte waar niet geventileerd kan worden, zal het explosiegevaar bij bepaalde condities juist sterk toenemen.
Waterstofvlammen zijn, zeker als ze klein zijn, bijna niet zichtbaar. De vlamsnelheid van waterstof is groter dan die van aardgas. En bij een explosie kunnen er grotere overdrukken ontstaan. De explosie van waterstof kan dus heftiger zijn dan, bijvoorbeeld, die van eenzelfde hoeveelheid aardgas.
Een mengsel van waterstof en lucht kan makkelijk ontbranden. Als in een ruimte tussen de 4% en 75% waterstof aanwezig is, vormt dit samen met de lucht een brandbaar mengsel. Ter vergelijking: aardgas is alleen brandbaar bij een mengsel van 4% en 15% aardgas in lucht. Bovendien heeft waterstof een veel lagere ontstekingsenergie. Dit betekent dat een klein vonkje al voldoende kan zijn. Daarom is het bij waterstof nog belangrijker dan bij aardgas om lekken te voorkomen en ruimtes goed te ventileren.
Door het ontbreken van koolstof is er geen gevaar van koolstofmonoxidevergiftiging bij waterstof.
De aard van het gevaar is dus anders dan bijvoorbeeld bij aardgas. Voor iedereen die met waterstof werkt iets om rekening mee te houden.
Hoe maak je waterstof?
De extractie van waterstof
Omdat waterstofmoleculen zich graag met andere moleculen verbinden, komt waterstof op aarde in vrije, geïsoleerde vorm praktisch niet voor. Daarom moet je waterstof extraheren uit componenten die waterstof bevatten, bijvoorbeeld uit water of uit methaan. Drie elementen zijn hierbij van belang: efficiency, zuiverheid van de geproduceerde waterstof en de mate waarin CO₂ vrijkomt.
Extractie is een handeling waarbij je stoffen afzondert uit een bepaald materiaal en deze overbrengt naar een andere fase.
Efficiency
Het extraheren van waterstof kost energie. Hoeveel? Dat verschilt sterk per productiemethode. De hoeveelheid energie die nodig is om waterstof uit een energiebron te converteren, bepaalt de efficiency van de methode. Idealiter is de efficiency zo groot mogelijk, zodat de energie uit de energiebron daadwerkelijk omgezet kan worden in de energiedrager waterstof.
Zuiverheid
Verschillende toepassingen van waterstof hebben verschillende specificaties voor zuiverheid. Als je bijvoorbeeld gas in een ketel verbrandt om iets warm te maken, hoeft de kwaliteit minder hoog te zijn dan voor specifieke chemische processen. Gebruik je waterstof in een brandstofcel, dan moet dat met heel zuivere waterstof (99,999%). Sommige toepassingen zijn gevoelig voor specifieke onzuiverheden in de waterstof, zoals zwavelhoudende stoffen, waar brandstofcellen of katalysatoren slecht tegen kunnen. Waar nodig wordt de geproduceerde waterstof verder gezuiverd. Er zijn verschillende manieren om dat te doen. Vaak gebeurt dat via pressure swing adsorption of met membranen. Deze zuiveringsstappen kosten wel energie en geld.
CO₂-uitstoot
Als we waterstof produceren uit fossiele grondstoffen, komt CO₂ vrij. Op dit moment komt deze CO₂ meestal terecht in de atmosfeer. In de toekomst kan CO₂ mogelijk grootschalig worden afgevangen en opgeslagen of hergebruikt. Ideaal – en in de toekomst noodzakelijk - is natuurlijk duurzame waterstofproductie, zonder CO₂-uitstoot. Een voorbeeld hiervan is elektrolyse met behulp van duurzaam opgewekte elektriciteit. Bij nog weer andere productievarianten komt koolstofmonoxide (CO) of koolstof vrij. Die kunnen worden ingezet in andere processen.
De belangrijkste technieken zetten we hieronder op een rij, met de meest toegepaste voorop. Meer detailinformatie is te vinden via de links.
Steam Methane Reforming (SMR)
SMR bestaat uit een reactie waarbij methaan en stoom reageren tot een mengsel van H₂, CO en CO₂. Met een WGS (WaterGasShift) kan het gevormde CO met H₂O omzet worden in CO₂ en additioneel H₂. Dit gebeurt bij een temperatuur tussen de 500 en 900 ºC. Verbranding van fossiele brandstoffen wekt die hitte op. SMR is momenteel de goedkoopste en efficiëntste manier om waterstof te produceren.
- Efficiency: 75-80%
- Zuiverheid geproduceerde waterstof: dit hangt sterk af van de mate van zuiverheid die het verdere proces vereist. Meestal varieert dit tussen 95%-99,999 (met extra processtappen is een hogere zuiverheid mogelijk).
- CO₂-uitstoot: 9 kg CO₂ per kg H₂
- CO₂-afvang: 66%
Autothermische Reforming (ATR)
ATR bestaat uit twee reactiestappen. De eerste is dezelfde als bij SMR. Daarna volgt nog een reactie van de waterstoom uit de eerste reactie met pure zuurstof. Deze oxidatie vindt in de reactor plaats, waardoor er geen CO₂ buiten de reactor ontstaat, in tegenstelling tot SMR. Voordeel daarvan is dat de CO₂ vrijwel volledig kan worden afgevangen. Voor dit proces is een hoge temperatuur van 900-1.150ºC nodig.
- Efficiency: 75-80%
- Zuiverheid geproduceerd waterstof: dit hangt sterk af van de mate van zuiverheid die het verdere proces vereist. Meestal varieert dit tussen 95%-99,999 (met extra processtappen is een hogere zuiverheid mogelijk).
- CO₂-uitstoot: 10 kg CO₂ per kg H₂.
- CO₂-afvang: 95%
Partial Oxidation (POX)
Bij POX wordt een mengsel van fossiele brandstof en zuurstof gedeeltelijk verbrand. Hierdoor ontstaat een mengsel van koolmonoxide (CO), CO₂ en waterstof. De nodige lucht voor dit proces moet gezuiverd zijn van alle stikstof. In Nederland gebruikt de industrie POX met name voor de waterstofproductie bij de raffinage van olie.
- Efficiency: 70-80%
- Zuiverheid geproduceerde waterstof: dit hangt sterk af van de mate van zuiverheid die het verdere proces vereist. Meestal varieert dit tussen 95%-99,999 (met extra processtappen is een hogere zuiverheid mogelijk).
- CO₂-uitstoot: afhankelijk van de grondstof in de reactor. Tot zo’n 20 kg CO₂ per kg H₂ bij gebruik van kolen.
Elektrolyse
Elektrolyse is een proces waarbij water wordt gesplitst in zuurstof en waterstofdoor het water in contact te brengen met elektriciteit. Dit proces geeft geen directe CO₂-uitstoot, maar is alleen duurzaam als we duurzaam opgewekte elektriciteit gebruiken. Voor de productie van waterstof door elektrolyse is water nodig, gemiddeld ongeveer 9 liter per kilogram geproduceerde waterstof. De benodigde zuiverheid van dit water is afhankelijk van de gebruikte techniek.
- Efficiency: 65-80%
- Zuiverheid geproduceerd waterstof: iets minder dan 100%
- CO₂-uitstoot: bij de huidige opwekmix van elektriciteit ongeveer 25 kg CO₂ per kg H₂. Bij gebruik van volledig duurzaam opgewekte elektriciteit is dit 0 kg CO₂ per kg H₂.
De ambities van de Waterstof Coalitie met elektrolyse Bron: Waterstof Coalitie Manifest
Opschaling en kostenreductie elektrolysetechniek
De Waterstof Coalitie stelt dat binnen nu en 2030 de investeringskosten van elektrolyse mogelijk met ongeveer 2/3 kunnen worden verlaagd. Daarmee is een opgesteld vermogen van 3 à 4 gigawatt aan groene waterstof potentieel haalbaar. Het idee hierachter is dat door de grotere vraag naar elektrolysers producenten grotere aantallen zullen ontwikkelen, net zoals bij de ontwikkeling van windturbines is gebeurd. Er zijn inmiddels al stappen aangekondigd met verschillende elektrolyseprojecten van 1 tot 250 MW. Hieronder ziet u er enkele.
The Hydrogen project Hystock1 MW
BP, Nouryon en HbR onderzoeken bouw grootschalige elektrolyser
Gasunie en ENGIE gaan samenwerken om groene waterstof op grote schaal mogelijk te maken
Gasunie Deutschland met TenneT en Thyssengas aan de slag met grote 'power-to-gas'-installatie
Gigawatt Elektrolysefabriek
Met het project Gigawatt elektrolysefabriek wil een aantal grote spelers in de Nederlandse industrie groene waterstof een flinke duw in de goede richting geven. Het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT) speelt daarbij een centrale rol. Doel van de projecten is om de technologische knelpunten in kaart te brengen die ontstaan als de elektrolysecellen worden opgeschaald. De partners in het project Gigawatt Elektrolysefabriek gaan gezamenlijk onderzoeken wat nodig is om in Nederland rond 2025–2030 zo'n elektrolyse-installatie te kunnen bouwen. Het ISPT schat dat de kosten van een fabriek met een capaciteit van 1 gigawatt op dit moment ongeveer € 1 miljard zouden bedragen. Dat bedrag moet fors omlaag. ‘Wanneer een totale fabriek zo'n 350 miljoen euro zou kosten, is er een concurrerend alternatief voor de conventionele fossiele waterstoftechnologie’, stelt het instituut.
Elektrolyse op zee
De wind op de Noordzee geeft Nederland een enorme potentiële energiebron. Het is een flinke uitdaging om al die windenergie aan land te brengen. Dit vraagstuk bracht een groot internationaal samenwerkingsverband op de been. Elektriciteits- en gasbedrijven onderzoeken hoe zij dit transportvraagstuk op kunnen lossen. Dat kan bijvoorbeeld door windenergie op zee direct om te zetten in waterstof, via elektrolyse op zee, en het in die vorm aan land te brengen. Kortom, waterstof als brug tussen de wereld van wind en van gas. Dit project heet de North Sea Wind Power Hub.
Overige technieken
CO₂-neutrale waterstof kun je ook met andere technieken produceren. Bijvoorbeeld door diverse pyrolyseprocessen. Daarbij wordt aardgas of biomassa in afwezigheid van zuurstof ontleed tot waterstof en pure koolstof. De koolstof kun je gebruiken als industriële grondstof of je kunt het opslaan. Voor deze chemische ontleding is veel energie nodig..
In een alternatief procedé, plasmalyse, worden magnetrongolven gebruikt. De voordelen hiervan zijn dat het proces relatief weinig energie nodig heeft, energiecompact is en makkelijk schaalbaar. Maar deze techniek staat nog in de kinderschoenen.
CO₂-neutrale waterstof kun je ook produceren uit biomassa, op dezelfde manier als bij POX. De biomassa wordt bijvoorbeeld vergast tot een mengsel van koolmonoxide, koolstofdioxide en waterstof in de aanwezigheid van zuiver zuurstof, water of lucht.
Een veelbelovende techniek is superkritische watervergassing (Super Critical Water gasification, ofwel SCW). Die converteert natte biomassa(afval-)stromen zoals mest, groenafval en rioolslib in duurzame energie en herbruikbare grondstoffen. In Alkmaar is in samenwerking met Gasunie een demonstratiefabriek gebouwd voor superkritische watervergassing.
Ten slotte kun je waterstof biologisch produceren. In 1997 ontdekten deskundigen dat wanneer je algen zwavel onthoudt, ze door fotosynthese overschakelen op de productie van waterstof in plaats van zuurstof. In 2007 bleek dat de toevoeging van koper hetzelfde resultaat oplevert.
Een andere mogelijkheid is kunstmatige fotosynthese, waarbij waterstof direct uit zonlicht wordt geproduceerd. In 2015 heeft onderzoek in Eindhoven eraan bijgedragen dat de efficiency van deze techniek flink is verbeterd. Ook internationaal doet men veel onderzoek naar deze techniek. De stappen voorwaarts zijn er, maar er is nog geen commercieel systeem verkrijgbaar.
Waterstof als bijproduct
Naast productieprocessen waarbij het belangrijkste product waterstof is, zijn er ook verschillende chemische processen waarbij waterstof ontstaat als bijproduct. Enkele voorbeelden: de productie van chloor uit zout en de productie van kunststofgrondstoffen zoals etheen en styreen.
Hernieuwbaar gas en gedecarboniseerd gas
Met de verschillende productiemethoden van waterstof gaan verschillen in CO₂-uitstoot gepaard. Om deze reden zijn er verschillende aanduidingen voor waterstof. Indien de vrijkomende CO₂ niet wordt afgevangen, spreekt men van grijze waterstof. Als de bron een fossiele brandstof betreft en de vrijgekomen CO₂ wordt afgevangen, dan wordt dit blauwe waterstof. Als waterstof geconverteerd is uit een duurzame bron (bijvoorbeeld biomassa) of uit duurzaam opgewekte elektriciteit dan spreekt men van groene waterstof. Het palet aan kleuren waterstof is uitgebreider, maar voor de vereenvoudiging van termen gebruiken we alleen de termen grijs, groen en blauw. Als we in deze longread de term CO₂-neutrale waterstof gebruiken, bedoelen we zowel blauwe als groene waterstof.
De aanduidingen van waterstof. Bron Gasunie
