Wat is waterstof?
H2
Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element in het heelal. 90% van het heelal bestaat uit waterstof. Waterstof (H2) is een chemisch element dat bestaat uit twee waterstofatomen. Het waterstofgas is kleurloos en geurloos en het meest opvallende kenmerk is dat het bij verbranding of reactie met zuurstof alleen water (H2O) als bijproduct ontstaat, waardoor het een schone energiebron is.
Productie van waterstof en de kleuren van waterstof
Er zijn meerdere manieren om waterstof te maken van verschillende grondstoffen. Om onderscheid te maken, is elk type benoemd met zijn eigen kleur. Op dit moment wordt de meeste waterstof gemaakt vanuit aardgas (grijze waterstof) en vanuit steenkool (bruine waterstof). Bij de productie van beide types komt CO2 of koolstof vrij. De schoonste manier om waterstof te produceren is groene waterstof via elektrolyse met water als grondstof, hierbij is er geen schadelijke uitstoot van broeikasgassen.
Hoeveel energie is er nodig om 1 kg groene waterstof te maken?
Voor 1 kg waterstof is ± 55 kWh nodig. Dit is afhankelijk van de efficiëntie van de elektrolyser en alle systemen om de waterstof te maken. 1 kg waterstof draagt een energie van ± 33 kWh. Indien bij verbranding van 1 kg de energie uit de waterdamp gehaald wordt, dan heeft 1 kg waterstof ± 39 kWh.
Lage volume dichtheid
1 kg waterstof neemt qua volume de ruimte in van een gemiddelde badkamer. Met andere woorden, waterstof heeft een heel lage dichtheid. Bij atmosferische druk en kamertemperatuur heeft 1 kg een volume van ± 11 m3. Om zoveel mogelijk kg’s te transporteren in een trailer moet dit onder hoge druk. Over het algemeen worden er trailers ingezet die onder 200-300 bar. Deze trailers, tube trailers genoemd, hebben dan een capaciteit van 250-400 kg per trailer. Vervoer via tube trailers is dan ook kostbaar. Voor import / export van waterstof wordt er daardoor ook gekeken naar alternatieven om het te transporteren. Indien een gasleiding niet mogelijk is, lijkt ammoniak een goed alternatief ten opzichte van vloeibare waterstof vanwege de energiedichtheid per m3.
bron: https://kleinmanenergy.upenn.edu/research/publications/ammonias-role-in-a-net-zero-hydrogen-economy/
Waterstof heeft een hoge energiedichtheid per kg
In waterstof zit veel energie per kg. Veel meer vergeleken met andere brandstoffen. Ruim 3 keer zoveel in vergelijking met aardgas. De energiedichtheid heeft een boven en een ondergrens, low heating value of high heating value. Bij verbranding of omzetting naar energie is het de vraag of alle warmte die daarbij vrij komt ook opgevangen en gebruikt wordt. Als dat het geval is, wordt er gesproken van een high heating value/ de bovengrens.
| Brandstof1 | Energiedichtheid |
|---|---|
| Waterstof | 33,3 – 39,4 kWh/kg |
| Aardgas | 11,7 – 15,3 kWh/kg |
| LPG | 12,8 – 14,2 kWh/kg |
| Benzine | 12,2 – 12,8 kWh/kg |
| Diesel | 11,7 – 12,8 kWh/kg |
| Ruwe aardolie | 11,7 – 13,1 kWh/kg |
| Steenkool | 6,6 kWh/kg |
| Methanol | 6,3 kWh/kg |
Waterstof wordt vloeibaar bij -252 oC
Voor het transporteren van waterstof over lange afstanden wordt er gekeken naar vloeibare waterstof als oplossing. Op plekken op aarde waar de groene waterstof goedkoop geproduceerd wordt doordat er veel zon en windenergie opgewekt wordt, bijvoorbeeld Namibië en Zuid Afrika, wordt gekeken hoe deze waterstof efficiënt geëxporteerd kan worden. Opties zijn vloeibare waterstof, maar ook producten die gemaakt worden van groene waterstof zoals ammoniak of zelfs groene staal.
Kleinste molecuul
Waterstof is het kleinste molecuul. Het gevolg van deze eigenschap is dat het daardoor gemakkelijk door materialen “verdwijnt”. Bij de keuze van materialen om waterstof in te maken, transporteren en op te slaan is dit een belangrijk aandachtspunt.
Veiligheid is essentieel
Waterstof is kleurloos, geurloos. Waterstof is explosief/brandbaar als het in contact komt met lucht en zuurstof. De verbranding van waterstof is onzichtbaar. Waterstof is het kleinste molecuul waardoor het makkelijk ontsnapt. Voor al deze eigenschappen zijn tijdens de productie, de opslag en het transport scherpe veiligheidsmaatregelen nodig.
Zuiverheid van waterstof
Bij het maken van waterstof, komen er onzuiverheden mee. Afhankelijk van de productiemethode en de grondstof waar de waterstof van gemaakt wordt. Deze onzuiverheden kunnen water, zuurstof, koolstofmonoxide, stikstof, koolstofdioxide en andere stoffen zijn. Niet elke toepassing kan goed omgaan met deze onzuiverheden. Zo heeft een brandstofcel een waterstof zuiverheid nodig van 99,999% waterstof en zijn er eisen gesteld aan de 0,0001% onzuiverheid. Waterstof als grondstof of gebruikt in een verbranding heeft elk een andere eis.
Bron: linde gas indstrustrial gas data sheets
| Waterstof zuiverheid | Onzuiverheden | |
|---|---|---|
| Hydrogen 3.0 | ≥ 99.9% | H2O < 30 ppm |
| Hydrogen 4.0 | ≥ 99.99% | H2O ≤ 20 ppmO2 ≤ 10 ppm |
| Hydrogen 5.0 | ≥ 99,999 % | H2O ≤ 5 ppmN2 ≤ 3 ppmO2 ≤ 2 ppmCxHy ≤ 0.5 ppm |
| Hydrogen 6.0 | ≥ 99,9999 % | H2O ≤ 0.5 ppmN2 ≤ 0.5 ppmO2 ≤ 0.5 ppmCxHy ≤ 0.1 ppmCO ≤ 0.1 ppmCO2 ≤ 0.1 ppm |
Uitstekende energie drager
Waterstof wordt gezien als belangrijke energiedrager om bijvoorbeeld overtollige groene energie langdurig op te slaan. Energie in een lithium-ion batterij wordt efficiënt opgeslagen voor een tijdsduur van minuten tot 48 uur, daarna raak je de energie kwijt wat erg herkenbaar is van de mobiele telefoon. Waterstof daarentegen verliest nauwelijks energie over langere perioden en gaat ingezet worden voor het opslaan van energie om seizoens effecten van de zomer en de winter in de toekomst te overbruggen. De gasunie is zoutcavernes, holtes in de grond zo diep als de Eiffeltoren hoog is, gereed aan het maken om grote hoeveelheden waterstof in op te slaan.
Verbranding waterstof en stikstofoxides
In principe is water het restproduct tijdens de verbranding van waterstof. Doordat bij deze verbranding gepaard kan gaan met hoge temperaturen kunnen er stikstofoxiden ontstaan. Stikstofoxiden (NOx), waaronder stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2), kunnen ontstaan tijdens de verbranding van waterstof doordat stikstofmoleculen in de lucht reageren bij hoge temperaturen.
Wat is er te doen tegen het onstaan van stikstofoxides NOx?
Om dit onder controle te krijgen en het ontstaan ervan te beheersen zijn er verschillende manieren om dit positief te beïnvloeden. Bijvoorbeeld door de verbrandingstemperatuur te beheersen door de verbrandingsluchttoevoer te regelen. Of waterinjectie toe te passen om de verbrandingstemperatuur te verlagen en zo de NOx-emissies te verminderen. Water wordt rechtstreeks in de verbrandingskamer geïnjecteerd waar het verdampt en afkoelt waardoor de vorming van NOx wordt verminderd.
Conclusie
Waterstof is een unieke en belangrijke energie drager die ook nodig is in de energie transitie.
GET IN TOUCH
