Waterstof als energiedrager

Een onderzoek naar het mogelijk benutten van waterstof als energiebron, de fysische eigenschappen van waterstof en de elektrolyse van water.

1 april 1992

Vanaf het begin van de industriële revolutie is de mensheid in snel tempo steeds meer fossiele brandstoffen gaan gebruiken. Olie, kolen en gas zorgen voor warmte en vormen onder meer de grondstof voor vele kunststoffen. In de elektriciteitscentrale gebruiken we de verbrandingswarmte van deze stoffen voor het opwekken van elektriciteit.

Maar bij de verbranding van fossiele brandstoffen komen milieuverontreinigende stoffen vrij, waaronder het broeikasgas koolstofdioxide. Door de voortgaande economische groei van de geïndustrialiseerde wereld en uitbreiding van de industrie naar de Derde Wereld, dreigen de voorraden aan fossiele brandstoffen binnen een halve eeuw op te raken. Het is dus hoog tijd om nieuwe mogelijkheden voor een duurzame energievoorziening te ontsluiten.

In zo’n nieuwe energiehuishouding lijkt waterstof een belangrijke rol te kunnen vervullen, en dan met name als secundaire energiedrager. Dit houdt in dat met behulp van energie water wordt omgezet in waterstof, waarna deze energie bij de verbranding van waterstof weer grotendeels vrijkomt.

Vooral de combinatie met zonne-energie is de moeite waard om aan een nader onderzoek te onderwerpen. De zon is een onuitputtelijke primaire-energiebron. Maar we doen, afgezien van ‘toepassing’ in de land- en bosbouw, niet zo veel met de enorme hoeveelheid zonne-energie die het aardoppervlak bereikt.

Met fotovoltaïsche ‘zonnecelplantages’ kunnen we in principe op grote schaal elektriciteit opwekken uit zonlicht. Het zou ideaal zijn als we de elektriciteit niet allemaal direct aan de afnemer leveren, maar voor een groot deel gebruiken om met behulp van elektrolyse uit water waterstofgas te produceren. We kunnen de waterstof in grote hoeveelheden opslaan en per schip of pijpleiding vervoeren. Bij verbranding van waterstof met zuurstof ontstaat zuiver water. Dit schone afvalprodukt maakt het gebruik van waterstof als energiedrager zo aantrekkelijk. Bovendien raakt de energiebalans van de aarde niet verstoord. Er ontstaat uiteindelijk immers niet meer warmte dan de zon instraalt.

Bezwaren tegen fossiele brandstoffen

De industrielanden zijn voor hun energievoorziening grotendeels aangewezen op het gebruik van fossiele brandstoffen. Er is daarbij sprake van een enorme verspilling. We kunnen weliswaar door rigoureuze energiebesparing de verspilling sterk terugdringen, maar toch blijft de industrie vooralsnog sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen als primaire energiebron.

Door de huidige verbranding van fossiele brandstoffen (turf, bruinkool, steenkool, aardolie en aardgas) komt een grote hoeveelheid milieuverontreinigende stoffen in het milieu. De wijze waarop de diverse energiebronnen het milieu belasten, wisselt nogal.

Als waterstof met lucht verbrandt, ontstaan stikstofoxiden (NO_x). Het vrijkomen van afvalwarmte heeft slechts een plaatselijk milieu-effect en zwaveldioxide, stikstofoxiden en vliegas kunnen we in een modern bedrijf op een behoorlijke wijze uit de rookgassen verwijderen. De vorming van CO₂ is daarentegen een reden voor grote bezorgdheid, doordat deze verbinding bijdraagt aan het broeikaseffect. De koolstofbalans in de atmosfeer is niet een, twee, drie weer in evenwicht te brengen.

Koolstofdioxide

Koolstofdioxide is het belangrijkste reactieprodukt bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Een kilogram zuivere koolstof geeft bij verbranding 3,66 kg CO₂. Het koolstofgehalte van fossiele brandstoffen varieert van 60 tot 95 massaprocent.

Het CO₂ in de atmosfeer vormt een onderdeel van de koolstofkringloop. Koolstof vinden we terug in kalkgesteenten, biomassa, fossiele brandstoffen, oceanen (carbonaten) en de atmosfeer. De koolstofbalans, ofwel de verhouding van de hoeveelheid koolstof in deze vijf groepen, is afhankelijk van een aantal natuurlijke processen: levende wezens ademen CO₂ in of uit en CO₂ kan oplossen in de oceanen. Door de verbranding van fossiele brandstoffen en door ontbossing is de koolstofbalans verstoord. Jaarlijks komt er een overschot van zo’n drie miljoen ton koolstof in onze atmosfeer terecht. De CO₂-concentratie in de aardatmosfeer is de laatste 140 jaar toegenomen met maar liefst twintig procent. Vooral de afgelopen paar jaar steeg de hoeveelheid koolstofdioxide sterk.

Er is in de atmosfeer een duidelijk verband tussen de concentratie van koolstofverbindingen zoals CO₂ en methaan, en de temperatuur. Het ziet er naar uit dat ten gevolge van het huidige CO₂-overschot in de atmosfeer de temperatuur zal toenemen, het oceaanpeil zal stijgen en het klimaat zal veranderen, met alle gevolgen voor bijvoorbeeld de landbouwactiviteiten en de natuur.

Waterstofenergie

De maatschappelijke verontrusting ten aanzien van de CO₂-problematiek is op dit moment de belangrijkste drijfveer om op een aantal plaatsen in de wereld uit te kijken naar alternatieve energiedragers. In landen als Canada, Duitsland, Amerika, Italië, Japan, Saoedi-Arabië en de voormalige Sovjetunie schenken onderzoekers serieuze aandacht aan de mogelijkheden van het gebruik van waterstof als secundaire energiedrager.

Als we afzien van het gebruik van fossiele brandstoffen en kerncentrales buiten beschouwing laten, hoe krijgen we dan tijdig de energie die we nodig hebben op de juiste plaats? We kunnen elektriciteit opwekken met behulp van bijvoorbeeld zonnecellen, waterkrachtcentrales en windmolens. Elektriciteit is dan de secundaire energiedrager. Een voordeel van elektriciteit is dat het transport van elektrische energie door het elektriciteitsnet eenvoudig is, en dat daarvoor geen fysieke verplaatsing nodig is. Daar staat tegenover dat elektrische energie niet zo gemakkelijk direct is op te slaan. Waterstof kunnen we wel op grote schaal opslaan. Bij dag- en seizoenspieken in de energiebehoefte staat de buffervoorraad waterstof dan klaar om aan de vraag te kunnen voldoen, tenminste, als de containers met vloeibaar waterstof tijdig per schip zijn aangevoerd.

We treffen waterstof zowel in anorganische als in organische verbindingen aan. Verreweg de meeste waterstof zit met zuurstof ‘opgesloten’ in de verbinding water, waarbij de oceanen dienstdoen als het grootste reservoir. We kunnen waterstof niet in zuivere vorm delven, maar moeten het vrijmaken uit grondstoffen. In de chemische industrie bereidt men bijvoorbeeld waterstof uit aardgas (reformproces).

Hoge verbrandingswaarde

Waterstof is niet alleen een veelbelovende secundaire energiedrager, maar ook een industrieel produkt met belangrijke chemische eigenschappen, dat kan dienen als grondstof voor de chemische industrie en als brandstof voor motoren en raketten.

Gasvormig, kleurloos en reukloos waterstof (H₂) is een brandstof met een zeer hoge verbrandingswaarde. Bij de verbranding van een kilogram waterstof komt 141,85 megajoule energie vrij, ofwel drie keer zoveel als bij de verbranding van een kilo aardgas. Omdat waterstof een lage dichtheid heeft (ongeveer veertienmaal zo licht als lucht) is de verbrandingswaarde van een kubieke meter waterstofgas echter slechts twaalf megajoule, en dat is slechts een derde van de verbrandingswaarde van net zo’n hoeveelheid aardgas. Zijn fysische eigenschappen maken waterstof weliswaar inzetbaar op alle gebieden waar ook aardgas wordt gebruikt, maar door de lage dichtheid van waterstof ten opzichte van aardgas zijn er grotere hoeveelheden vereist om hetzelfde vermogen af te leveren. Dit houdt onder andere in dat leidingdiameters bij dezelfde druk groter moeten zijn of dat er een groter drukverschil over een leiding moet zijn. Leidingdiameters hoeven echter niet dramatisch toe te nemen; door een leiding met een dubbele diameter kan bij een geschikte druk immers zes keer zoveel gas stromen.

De waterstofvlam is onzichtbaar. In tegenstelling tot aardgas is waterstofgas zeer licht en in lucht diffundeert het bijna driemaal zo snel. Dit betekent dat waterstof zich veel sneller van een lek in een leiding vandaan beweegt dan aardgas. Het gas hoopt zich niet op in de buurt van het lek en de opsporing wordt daardoor bemoeilijkt. In de praktijk is de veiligheid van het waterstofgas niet minder dan die van aardgas.

Bij de verbranding van waterstof met zuurstof ontstaat zuiver water. Bij dit proces hebben we geen last van de vervuilende organische afvalstoffen die ontstaan bij de verbranding van fossiele brandstof. Maar als we waterstof verbranden met lucht – zoals in veel gevallen gebruikelijk is – ontstaan wel stikstofoxiden. Door de hogere verbrandingstemperatuur ontstaan er in verhouding zelfs meer dan bij de verbranding van bijvoorbeeld dieselolie of benzine. Dit geldt echter voor de stoichiometrische verbranding, dat is de verbranding waarbij we zorgen dat de uitgangsstoffen waterstof en zuurstof in dezelfde verhouding voorkomen als in de reactievergelijking. Bij een overmaat aan lucht daalt de verbrandingstemperatuur en dat beperkt de vorming van stikstofoxiden.

Om waterstof te verkrijgen, moeten we het vrijmaken uit chemische verbindingen. Onttrekken we waterstof aan water, dan vergt dat aan energie 2,4·10⁵ J mol^-1 of 2,5 eV per molekuul. Dezelfde energie komt bij verbranding natuurlijk weer vrij.

Bij elektrolyse moet de noodzakelijke energie worden toegevoerd in de vorm van elektriciteit. Elektrolytische waterstofproduktie vindt bij lage temperaturen doorgaans plaats in een elektrochemische cel met kaliloog (KOH). Het omzettingsrendement is doorgaans zo’n vier vijfde.

De alkalische elektrolyse van water is een oud principe. In Duitsland zijn onderzoekers erin geslaagd het rendement van deze methode aanzienlijk te verbeteren. Door verhoging van de bedrijfstemperatuur tot 120^oC, een andere elektrodevorm, ander elektrodemateriaal én verkleining van de afstand tussen de elektroden, is het gelukt de inwendige weerstand aanzienlijk te verkleinen. Voorheen stonden de elektroden apart in de elektrolytoplossing (25% kaliloog) met daartussen een scheidingswand van asbest. Die diende om enerzijds waterstof- en zuurstofgas van elkaar gescheiden te houden en anderzijds de elektrolytionen door te laten. Asbest is niet bestand tegen temperaturen hoger dan 80ºC. In het nieuwe proces is asbest daarom vervangen door kunststof of keramiek. Aan beide kanten van de scheidingswand is een dunne, poreuze nikkelelektrode aangebracht. Het rendement van het elektrolysesysteem is daarmee verbeterd tot ongeveer negentig procent.

Membraantechnologie

Een andere elektrolysemethode is afkomstig uit de membraantechnologie. Een zeer dun kunststofmembraan neemt nu de rol van elektrolyt over en dient tegelijk als scheidingswand. De poreuze elektroden zijn gemaakt van titaan en grafiet. Ook deze methode bereikt een rendement van negentig procent. Doordat hier echter grotere stroomsterkten per oppervlakte-eenheid zijn toegestaan, levert de membraanmethode bij gelijke grootte van de elektrolysecellen meer waterstof. Dergelijke cellen (van één bij dertig centimeter) kunnen met duizenden tegelijk in groepen bijeengezet worden en vormen zo grote elektrolyse-units.

Om één kubieke meter waterstofgas elektrolytisch te winnen is ongeveer één liter zuiver water nodig plus een vermogen van circa vijf kilowattuur. De opbrengst per tijdseenheid is sterk afhankelijk van de opzet van de installatie. Een installatie van tweehonderd megawatt vergt gemiddeld veertig kubieke meter voedingswater per uur, dat bovendien vaak vooraf een zuiveringsproces moet doorlopen. Zeewater bijvoorbeeld, moet eerst van zout worden ontdaan.

Solaire elektriciteit

Om waterstof te kunnen produceren met behulp van waterelektrolyse, is er elektriciteit nodig. Elektriciteit die afkomstig is van waterkracht (‘witte steenkool’), kernenergie of zonne-energie ligt hier voor de hand. Gezien de zeer grote hoeveelheden waterstof die nodig zijn voor de wereldenergiehuishouding, zullen we alle niet-fossiele bronnen voor de opwekking van elektriciteit moeten gebruiken. Zonne-energie biedt mondiaal de grootste mogelijkheden. Zonlicht straalt op het landoppervlak alleen al gemiddeld zo’n 2500 maal het huidige wereldenergiegebruik. Dat lijkt een goede uitgangspositie om de opwekking van elektriciteit met behulp van zonne-cellen in de komende decennia te laten uitgroeien tot een wereldwijd ingezette vorm van elektriciteitopwekking.

Op dit moment (1992) maakt de fotovoltaïsche zonne-energie, dat is de elektrische energie die we verkrijgen uit zonlicht, niet meer dan een duizendste van alle geproduceerde elektriciteit uit. Op langere termijn zijn de prognoses redelijk gunstig. Deze zijn gebaseerd op een tweetal verwachtingen. Door technisch-wetenschappelijke vorderingen zal de prijs van zonne-elektriciteit nog aanzienlijk dalen, terwijl de prijs van elektriciteit uit fossiele brandstoffen door milieu-eisen en schaarste drastisch zal toenemen.

Zonne-cel

Een fotovoltaïsch systeem (zonne-cel) produceert elektriciteit uit zonlicht, zonder dat daar bewegende delen en hoge temperaturen aan te pas komen. De zonnecel is in wezen een halfgeleiderdiode. Dat wil zeggen dat deze is opgebouwd uit een zogeheten p-type- en een n-type- halfgeleider, die op elkaar liggen.

In de omgeving van het contactvlak van beide lagen ontstaat een potentiaalverschil en dus ook een elektrisch veld. Licht maakt in het materiaal de elektronen die zwak aan de roosteratomen zijn gebonden vrij; die verplaatsen zich van de valentieband naar de geleidingsband. Deze elektronen kunnen vervolgens vrij door het halfgeleiderrooster bewegen; vanwege het potentiaalverschil bij voorkeur door de n-type-halfgeleider Waar een elektron zich bevond, ontstaat een positief geladen ‘gat’ dat weer door een ander elektron moet worden opgevuld. Die elektronen zijn vooral afkomstig uit de p-type-halfgeleider. Zo’n gat beschouwt men als een ladingsdrager, net als het elektron, maar dan positief.

Onder invloed van het elektrische veld in het contactvlak verplaatsen de ladingsdragers zich naar de buitenkant van de cel, de buitenkant van de p-type-halfgeleider wordt positief, de buitenzijde van de n-type-halfgeleider wordt negatief. Het resultaat is een elektrische cel met een bepaalde elektromotorische kracht, EMK, die elektrische arbeid kan verrichten. De efficiëntie van de omzetting van stralingsenergie in elektrische energie hangt af van de aard van de straling en van de constructie en het materiaal van de cel. Voor een grote efficiëntie moet men voorkomen dat de elektronen de gaten weer opvullen (waarbij het ingevallen licht vrijkomt) voordat ze aan weerszijden het oppervlak van de cel bereiken. De energie-opbrengst zal ook veel groter zijn als de cel zoveel mogelijk licht absorbeert. In de oudere types ging meer dan vier vijfde van het licht door reflecties verloren, zonder enig effect teweeg te brengen.

Omzettingsrendement

De theoretische limiet voor het omzettingsrendement, ofwel de hoeveelheid verkregen elektrische energie per hoeveelheid zonnestralingsenergie, bedraagt voor monokristallijne siliciumcellen ongeveer 25% en voor galliumarsenidecellen 28%. Nu blijkt dat niet elk materiaal licht met dezelfde golflengte absorbeert. Het ene materiaal heeft een voorkeur voor UV-licht met een golflengte van 350 nm, het andere materiaal absorbeert gemakkelijker licht met een iets grotere golflengte. Een combinatie van materialen kan dan voor een hogere omzettingsefficiëntie zorgen. In het laboratorium zijn op die manier rendementen gehaald van meer dan dertig procent.

De huidige generatie commerciële monokristallijne siliciumcellen heeft een efficiëntie van 10 tot 15%. Een dergelijke cel met een doorsnede van tien centimeter geeft onder ideale, heldere buitenomstandigheden, een stroom van twee ampère bij een potentiaalverschil van een half volt, dus een vermogen van één watt. De grootschalige toepassing van fotovoltaïsche cellen wacht op een verdere verlaging van de kilowattuurprijs. De verwachting is dat deze het komende decennium nog met een factor tien zal kunnen dalen. Dit hangt voor een groot deel af van het feit of men er in slaagt om het relatief dure monokristallijne silicium te vervangen door polykristallijn of amorf silicium.

Sinds de jaren zeventig zijn er in een aantal landen projecten gestart om de technologie van de grootschalige inzet van zonnecellen verder te ontwikkelen. De grootste zonne-elektriciteitscentrale staat in Californië en heeft een vermogen van 6,5 megawatt. De ervaringen met deze centrale leren dat fotovoltaïsche elektriciteitsgeneratoren zeer betrouwbaar, eenvoudig installeerbaar en eenvoudig te bedienen zijn.

Transport en opslag

De omgang met waterstof op industriële schaal is een routinezaak. Zowel in de ruimtevaart als in de chemische industrie houdt men jaarlijks tientallen miljarden kubieke meters waterstof in tussenopslag of vervoert men het per lange pijpleidingen. In Duitsland bestaat een pijpleidingennet van meer dan tweehonderd kilometer ten behoeve van de chemische industrie, dat al een halve eeuw probleemloos functioneert. Ook in de Verenigde Staten, Japan en Italië bestaan uitgebreide pijpleidingstraten voor het vervoer van waterstof voor industrieel gebruik.

We kunnen vloeibare waterstof met een temperatuur van twintig kelvin bovengronds opslaan in enkelwandige en in dubbelwandige, vacuumgeïsoleerde opslagtanks. Waterstofgas kan in grote hoeveelheden onderaards worden opgeslagen. Uitgeputte gas- en olievelden alsmede kunstmatig uitgespoelde zoutholten komen daarvoor in aanmerking. Men kan gasvormige waterstof ook in drukvaten opslaan. Doorgaans streeft men naar zo groot mogelijke containers en opslag onder zo hoog mogelijke druk. Deze vorm van opslag levert geen ernstige technische problemen op.

Gebruik van waterstof

In Duitsland voert men een groot zonne-ernergie-waterstofproject uit. Een zonnecelplantage levert de elektrische energie die wordt gebruikt voor het voeden van elektrolyse- en brandstofcellen. De elektrolysecellen splitsen water in waterstof en zuurstof. Deze gassen dienen op hun beurt als brandstof in achtereenvolgens een systeem voor katalytische verhitting, een boiler en brandstofcellen die weer elektrische energie opwekken. In vloeibare vorm komt de waterstof ook beschikbaar als brandstof voor automobielen.

Onder katalytische verbranding van waterstofgas verstaan we een vlamloze chemische reactie waarbij waterstof en zuurstof door tussenkomst van een katalysator reageren tot waterdamp. Deze reactie treedt op aan het oppervlak van de katalysator. Hoe groter het katalysatoroppervlak dat contact maakt met waterstof en zuurstof, des te sneller de verbranding.

Bij de verbranding van waterstof in een open vlam treden, afhankelijk van zuurstofaanvoer, type brander en dergelijke, hoge tot zeer hoge temperaturen op. De temperatuur waarbij de katalytische oxydatiereactie verloopt kan aanzienlijk lager zijn, tot in de buurt van de kamertemperatuur. Voordeel van zo’n lage reactietemperatuur is dat stikstof uit de lucht dan niet met zuurstof reageert tot stikstofoxiden.

Vlamloze verbranding

Bij brandstofcellen is eveneens sprake van een vlamloze verbranding. Tot op zekere hoogte kunnen we die echter beschouwen als het omgekeerde van elektrolyse. Dat wil zeggen dat de chemische energie die vrijkomt bij de reactie van waterstof en zuurstof direct wordt omgezet in elektrische energie.

Een brandstofcel bestaat uit een anode en een kathode met daartussen een elektrolyt. Aan de anodekant voeren we waterstof toe en aan de kathodekant zuurstof. Beide gassen diffunderen door het poreuze elektrodemateriaal en reageren aan de anode en de kathode, die daarom een katalytisch vermogen moeten bezitten. De reacties verschillen per celtype. De EMK ontstaat doordat de kathode via het externe deel van het circuit trekt aan de elektronen die bij de anode vrijkomen. Deze brandstofcellen gebruikt men met name daar waar aftappen van stroom uit het elektriciteitsnet niet mogelijk is, in afgelegen gebieden en in vervoersmiddelen zoals duikboten en schepen.

Waterstof als energiedrager is voor Nederland duidelijk een lange-termijnoptie. Er zijn geen essentiële technische obstakels aan te wijzen voor de vervanging van aardgas door waterstof. Gezien de enorme hoeveelheid energie die waterstof – ergens in het begin van de volgende eeuw – zou moeten vervangen, moet er tijdig naar het vereiste, omvangrijke produktievermogen worden toegewerkt. De verwezenlijking daarvan zal echter in een traag tempo verlopen, zelfs bij een inzet van alle beschikbare middelen, zoals financieringsruimte en technische en organisatorische capaciteit. Waterstof zal daardoor rond het jaar 2020 slechts zo’n vijf procent van het totale energieverbruik in Nederland door waterstof kunnen verzorgen. De toekomst van een zogeheten waterstofeconomie is duidelijk een mondiale aangelegenheid. De betekenis van waterstof voor Nederland blijft vooralsnog beperkt tot het gebruik ervan ten behoeve van schoon verkeer binnen de bebouwde omgeving.

Dit artikel verscheen in Natuur en Techniek; jaargang 60 (1992) nr 4; p. 258-271.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek