Groene waterstof, het almachtige gas van de gaten
Deze column verscheen eerder in het oktobernummer van technologietijdschrift De Ingenieur.
Eeuwen geleden was het leven overzichtelijk. De wil van een onzichtbaar maar almachtig opperwezen verklaarde alles. Als je koorts kreeg, kreeg je koorts omdat god het wilde. Als het regende, regende het omdat god het wilde.
In de loop der tijd kwamen wijsneuzen met alternatieve verklaringen. Inzicht in het ontstaan van infecties maakte het mogelijk deze te voorkomen. Doeltreffender dan bidden om geen koorts te krijgen. Inzicht in de waterkringloop spoorde ons aan om neerslag op te vangen voor gebruik in droge tijden. Doeltreffender dan dansen voor regen als de bieten verpieteren.
Ondanks deze vooruitgang houdt religie grote invloed op de wereld. Het geloof is diepgeworteld en de gevestigde orde heeft er belang bij dat zo te houden. Daarbij laat de wetenschap nog serieuze kennisgaten open, waarin de wil van god tot vandaag een werkhypothese blijft. Elke keer als iets ‘moeilijks’ alsnog zonder god te verklaren blijkt, heeft die verklaring echter direct de voorkeur. Het almachtige opperwezen is een God van de Gaten geworden.
Dat de wonderen de wereld nog niet uit zijn, bleek afgelopen zomer. Toen las ik over een volledig batterij-elektrisch containerschip van 120 meter lang. Dit schip, met een actieradius van 1.000 kilometer en capaciteit voor liefst 700 zeecontainers, komt nog dit jaar in de vaart. De parallel met de god van de gaten kreeg ik vervolgens niet meer uit mijn hoofd.
In de loop der tijd kwamen er wijsneuzen met alternatieve oplossingen.
Nog niet zo lang geleden leek de energietransitie overzichtelijk. Het gebruik van een onzichtbaar maar groen gas was de oplossing voor alles. Wie duurzaam wil verwarmen, heeft waterstof nodig. Wie duurzaam mensen of spullen wil vervoeren, heeft waterstof nodig.
In de loop der tijd kwamen er wijsneuzen met alternatieve oplossingen. Duurzaam verwarmen van woningen bleek al snel doeltreffender met een warmtepomp. Duurzaam aandrijven van auto’s en bussen doeltreffender met accu’s. Inmiddels stappen ook bierbrouwers over op warmtepompen. En nu zien dus ook vervoerders in de zware scheepvaart een duurzame toekomst zonder waterstof.
Ondanks deze vooruitgang houdt waterstof grote invloed op de wereld. Het ideaalbeeld is diepgeworteld en de gevestigde orde heeft er belang bij om dat zo te houden. Daarbij blijven er nog serieuze energieverbruiksposten open, waarin de noodzaak van waterstof tot vandaag de reële werkhypothese blijft. De productie van kunstmest en staal bijvoorbeeld, waar waterstof niet alleen een energetische maar ook een chemische rol vervult. Of de luchtvaart, waarin zo ontzettend veel energie in compacte vorm nodig is.
Ook hier blijf ik echter uitkijken naar positieve verrassingen. Experimenten met directe elektrolyse van ijzererts lopen al. Vliegtuigen op accu voor korte vluchten zijn in ontwikkeling. Moeilijker voor te stellen – maar niet geheel ondenkbaar – is dat we in de toekomst met minder staal, kunstmest en luchtvaart toekunnen.
De prikkel om naar alternatieven te zoeken, blijft in ieder geval bestaan. Elke keer als we ontdekken dat iets ‘moeilijks’ toch zonder waterstof kan, blijkt dat direct de efficiëntere optie. Zelfs de grootste promotors van de waterstofeconomie kunnen er inmiddels niet meer omheen. Het almachtige groene waterstof is een Gas van de Gaten geworden.
Imagecredit: AXP Photography, via Unsplash Public Domain
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.
Vraag
Al tijden worstel ik met deze vraag: Waar komt die waterstof religie toch vandaan?
Als je zegt dat de energie transitie mogelijk is helemaal zonder waterstof, dan ben je een ketter (dat ben ik dus).
Waterstof is niet nodig voor verwarming of transport, laat staan elektriciteitsopwekking.
Industriële toepassingen van waterstof
Allereerst staal: Fe2O3 + 3 H2 => 2 Fe + 3 H2O. Is dat ook mogelijk met alleen maar opwarming? Zo wordt ook kwik (Hg) gewonnen: 2 HgO => 2 Hg + O2. OK, dat betekent opwarming tot 1.500C (i.p.v. tot 400C voor kwik), maar die hoge temperatuur is zeker haalbaar met elektriciteit, zie ‘Experimenten met directe elektrolyse van ijzererts lopen al’.
Vervolgens ammoniak: 2 N2 + 3 H2 => 2 NH3. Waterstof is onmisbaar voor de synthese van ammoniak, en daaruit nitraat en ureum, de N in NPK-kunstmest. Maar hebben we daar in de toekomst steeds meer of juist steeds minder van nodig? Met de opkomst van kweekvlees verwacht ik het laatste.
Tenslotte, de meeste waterstof wordt op dit moment verbruikt op olieraffinaderijen voor ontzwaveling en kraken van aardolie. Maar we gaan naar een fossielvrije toekomst!
Bovenstaande gaat direct gebruik van waterstof. Er zijn ook nog andere rollen voor deze energiedrager.
Waterstof als opslagmedium
Daar is waterstof voor nodig, maar gaan we daar brandstofcellen voor gebruiken, of flow batterij technologie zoals bijv. op basis van waterstofbromide (zie https://elestor.com)? Hoe dan ook, in beide gevallen is er veel waterstof nodig om de systemen te vullen, maar eenmaal gevuld, hoeft daar geen waterstof meer bij.
Waterstof als middel van energietransport
Vooral als het gaat om transport over lange afstanden bijv. van de Sahara naar Nederland. Per pijpleiding is transport van energie in de vorm van waterstof goedkoper dan met elektronen door HVDC kabels. Maar wanneer deze waterstof bij aankomst weer omgezet wordt in elektriciteit, dan is deze optie aanzienlijk duurder dan HVDC (zie https://xlinks.co). Wanneer die elektriciteitskabels van koper zijn, wat veel mensen nog steeds denken, dan is HVDC inderdaad veel te duur. Maar die kabels zijn van aluminium, en dat is wel betaalbaar.
Dan de luchtvaart, daar zal kerosine onmisbaar blijven voor lange afstanden vluchten. Hetzelfde geldt voor groene zeeschepen, die dan moeten varen op methanol of LNG. Productie van deze brandstoffen is heel goed mogelijk zonder waterstof uit biomassa. In de media lees je dat groene kerosine gemaakt wordt uit CO2 via Direct Air Capture en groene waterstof. Met biomassa kan het ook zonder waterstof.
Antwoord?
De tragiek van oliemaatschappijen is dat bij elektrisch rijden niemand meer langs een tankstation komt, maar thuis zijn/haar batterij oplaadt. Hoe komen die organisaties dan aan hun inkomsten? Met waterstof lopen die inkomsten gewoon door, want dan blijven alle autorijders bij hun tankstations langskomen. Zo is volgens mij de waterstofmythe de wereld in gekomen, gewoon als een PR-verhaal van ‘Big Oil’. Het verbijsterende is, dat zelfs de grootste tegenstanders van deze sector, een rotsvast geloof hebben in waterstof.
H2 is principieel ongeschikt voor diverse toepassingen. Toch krijgt de lobby het voor elkaar miljoenensubsidies voor pilots te krijgen. Bijvoorbeeld in de gemeente Hoogeveen voor koken en verwarmen.
Ik lees dat waterstof een toekomstige optie is voor “de luchtvaart, waarin zo ontzettend veel energie in compacte vorm nodig is”.
Dat in de luchtvaart veel energie in compacte vorm nodig heeft, daar ben ik het mee eens.
Maar dat waterstof daarvoor de oplossing is, dat klopt volgens mij niet.
Waterstof is een heel licht gas, maar neemt een enorm volume in. Daarom moet je het heel sterk samenpersen, om het kunnen vervoeren. Zelfs als je het samenperst tot 700 atmosfeer neemt het nog 4,5 keer zoveel volume in als je aan kerosine nodig hebt. En dit nog zonder het tank-omhulsel, die de hoge druk aan moet kunnen. Terwijl nu de vliegtuigbrandstof in de vleugels zit, gaat dat niet lukken met waterstof. Er zijn sterke drukvaten voor nodig die niet in de vleugel passen. Lege vleugels en grote drukvaten in de romp maken dat er weinig passagiers meekunnen.
Hoe moet dat dan wel? De oplossing ligt waarschijnlijk in biobrandstof, synthetische kerosine en voor de korte afstand elektrische vliegtuigen (met batterijen in de vleugels).
Overigens, de oplossing met vloeibaar waterstof is nog onwaarschijnlijker. Denk aan de benodigde isolatie voor de extreem lage temperatuur (-252°C), de energie nodig om het zo koud te maken, en het gevaar dat deze vorm van waterstof met zich meebrengt.