Waterstof, wat is dat eigenlijk?

Waterstof is schoon, veilig en overal – het wordt in 90 procent van alle materie in het heelal aangetroffen. Het waterstofatoom is het meest voorkomende, lichtste en eenvoudigste element in het universum. En juist omdat er zo veel van is, kan waterstof overal gewonnen worden.

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.

waterstofmolecuul

Waterstof is een niet-giftige, kleurloze, smaakloze en reukloze stof. Bij normale omstandigheden, zoals kamertemperatuur en normale druk, 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.

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 (al als waterstof) vorm voor, of het moet door de mens gemaakt zijn uit een andere 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.

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. Als je 1 kg waterstof verbrandt, dan komt er juist 3 keer méér energie beschikbaar vergeleken met aardgas.

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.

Hoe maak je waterstof?

Omdat waterstofmoleculen zich graag met andere moleculen verbinden, komt waterstof op aarde in vrije vorm praktisch niet voor. Daarom moet je waterstof extraheren (scheiden van een ander molecuul) uit componenten die waterstof bevatten, bijvoorbeeld uit water of uit gas. (Extractie is een handeling waarbij je stoffen afzondert uit een bepaald materiaal en deze overbrengt naar een andere fase.)

Drie elementen zijn hierbij van belang: efficiency, zuiverheid van de geproduceerde waterstof en de mate waarin CO₂ vrijkomt.

Efficiency

Het extraheren (scheiden van andere moleculen) van waterstof kost energie. Hoeveel? Dat verschilt sterk per productiemethode. De hoeveelheid energie die nodig is om waterstof uit een energiebron te halen, 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%). Waar nodig wordt de geproduceerde waterstof verder gezuiverd.

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.

Soorten waterstof

Soorten waterstof

De aanduidingen van waterstof. Bron Gasunie

Waterstof wordt momenteel vooral aangeduid als grijs, blauw of groen.

Grijze waterstof

Op dit moment wordt de meeste waterstof gewonnen uit aardgas of kolen. Waterstof is op zichzelf een schone energiedrager, maar omdat er in dit geval bij de productie CO2 vrijkomt in de atmosfeer, wordt gesproken over grijze waterstof.

Blauwe waterstof

Ook voor blauwe waterstof is aardgas of kolen de grondstof. Maar de CO₂ die bij de productie vrijkomt, wordt afvangen en vervolgens opgeslagen, bijvoorbeeld in lege gasvelden op zee. Hiermee is blauwe waterstof CO₂-neutraal. Er komt dus geen extra CO₂ in de atmosfeer.

Groene waterstof

Groene waterstof wordt gemaakt met energie uit duurzame bronnen, zoals en zonne- en windenergie. Door elektrolyse wordt water (H₂O) onder stroom gezet, waardoor de moleculen gaan splitsen. Daardoor ontstaan zuurstof (O₂) en waterstofgas (H₂). Ook is het mogelijk om waterstof te maken via de biochemische omzetting van biomassa. Groene waterstof is de meest duurzame vorm van waterstof.

Electrolyse?

Elektrolyse is een proces waarbij water wordt gesplitst in zuurstof en waterstof door 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.

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.

Nederland heeft alles mee

Nederland heeft echt alles mee voor productie groene waterstof: Noordzee, een gasnet op zee en op land dat zich uitstrekt over heel Europa en industrie die met waterstof producten kan maken.

Wat kan je met waterstof?

Zoals u in dit artikel heeft kunnen lezen zijn er tal van mogelijkheden om waterstof als energiebron te gebruiken in zowel de industrie (o.a. scheepvaart, ruimtevaart en staal industrie) als ook de particuliere markt. (o.a. autobrandstof, verwarming) Hoe dit zich in de nabije en verre toekomst gaat vormen zal de tijd ons leren.

Tenslotte

Ik heb u in een notendop proberen te vertellen wat waterstof is en wat ermee mogelijk is. Eerlijk gezegd was en ben ik hier zelf ook nog niet goed genoeg van op de hoogte blijkt na het lezen van de vele stukken (positief en negatief) die er op internet te vinden zijn. De hoofdvraag of “Waterstof de oplossing voor onze energietransitie” is heb ik echter nog niet goed kunnen beantwoorden.

Komende tijd ga ik mij verder verdiepen in dit onderwerp, ik zal u in een volgend schrijven hierover meer duidelijkheid proberen te geven.

Erwin Damme, NewSolar

Bronnen:

https://opwegmetwaterstof.nl/

https://www.dewereldvanwaterstof.nl/gasunie/het-verhaal-van-waterstof/

https://www.expertisecentrumwarmte.nl/themas/technische+oplossingen/techniekfactsheets+energiebronnen/waterstof/default.aspx

https://www.shell.nl/over-ons/amsterdam/wat-doet-stca/stca-nieuwe-energie/stca-waterstof.html

https://nl.wikipedia.org/wiki/Waterstof

Natuur & Millieu over waterstof

Plaats reactie