Waterstoftoepassingen Waterstof

Waterstof is veelzijdig en kan op verschillende manieren worden gebruikt. Deze veelzijdige toepassingen kunnen in twee grote categorieën worden ingedeeld;

1. Waterstof als grondstof. Een rol waarvan het belang al tientallen jaren wordt erkend en die zal blijven groeien en evolueren.
2. Waterstof als energiedrager die de energietransitie mogelijk maakt. Het gebruik van waterstof in deze context is reeds begonnen en neemt geleidelijk toe. In de komende tijd zal dit gebied dramatisch groeien. De veelzijdigheid van waterstof en het veelvoudige gebruik ervan is de reden waarom waterstof kan bijdragen tot het koolstofvrij maken van bestaande economieën. De rol van waterstof in het decarbonisatieproces kan worden samengevat zoals aangegeven in onderstaande grafiek:

Lange gevestigde toepassingen – Waterstof als grondstof (materiaalgebaseerde toepassingen)

Tegenwoordig wordt waterstof in verschillende industriële processen gebruikt. Naast andere toepassingen is het belangrijk te wijzen op het gebruik ervan als grondstof in de chemische industrie, en ook als reductor in de metallurgische industrie. Waterstof is een fundamentele bouwsteen voor de fabricage van ammoniak, en dus meststoffen, en van methanol, dat wordt gebruikt bij de fabricage van vele polymeren. Raffinaderijen, waar waterstof wordt gebruikt voor de verwerking van intermediaire olieproducten, zijn een ander toepassingsgebied. Zo wordt ongeveer 55 % van de wereldwijd geproduceerde waterstof gebruikt voor de synthese van ammoniak, 25 % in raffinaderijen en ongeveer 10 % voor de produktie van methanol. De andere toepassingen wereldwijd maken slechts ongeveer 10% van de mondiale waterstofproductie uit.

Ammoniak – Meststoffen

De belangrijkste waterstof-stikstofverbinding is ammoniak (NH3), ook bekend als azaan. Technisch wordt ammoniak op grote schaal verkregen door het Haber-Bosch-proces. Bij dit proces worden waterstof en stikstof rechtstreeks door synthese met elkaar verbonden. Daartoe moeten eerst de uitgangsstoffen stikstof en waterstof worden verkregen. In het geval van stikstof gebeurt dit door middel van lage-temperatuurscheiding van lucht, terwijl waterstof tegenwoordig afkomstig is van stoomreforming van aardgas.

Al bijna 90 % van de ammoniak gaat naar de kunstmestproductie. Daartoe wordt een groot deel van de ammoniak omgezet in vaste meststofzouten of, na katalytische oxidatie, in salpeterzuur (HNO3) en de zouten daarvan (nitraten). Vanwege de hoge verdampingsenergie wordt ammoniak ook gebruikt in koelinstallaties als een milieuvriendelijk en goedkoop geproduceerd koelmiddel; de technische naam is R-717.

Industriële gebieden

Waterstof wordt gebruikt in verschillende industriële toepassingen; deze omvatten metaalbewerking (voornamelijk in metaallegeringen), vlakglasproductie (waterstof gebruikt als inert of beschermend gas), de elektronica-industrie (gebruikt als beschermend en dragergas, in depositieprocessen, voor reiniging, bij etsen, in reductieprocessen, enz.), en toepassingen in de elektriciteitsproduktie, bijvoorbeeld voor het koelen van generatoren of ter voorkoming van corrosie in pijpleidingen van elektriciteitscentrales.

De directe reductie van ijzererts – d.w.z. de afscheiding van zuurstof uit het ijzererts met behulp van waterstof en synthesegas – zou zich kunnen ontwikkelen tot een belangrijk industrieel proces in de staalproduktie, omdat bij de traditionele hoogovenmethode grote hoeveelheden koolstof vrijkomen. Terwijl directe reductie met aardgas nu goed ingeburgerd is in de staalproductie (World Steel Association 2015), bestaan overeenkomstige productiemethoden op basis van waterstof tot nu toe alleen op proefschaal.

Brandstofproductie

Waterstof wordt gebruikt om ruwe olie te verwerken tot geraffineerde brandstoffen, zoals benzine en diesel, en ook om verontreinigende stoffen, zoals zwavel, uit deze brandstoffen te verwijderen.

Hydrogen use in refineries has increased in recent years for different reasons:
(i) the strict regulations that require low sulphur in diesel,
(ii) the increased consumption of low quality ‘heavy’ crude oil, which requires more hydrogen to refine and
(iii) the increased oil consumption in developing economies such as China and India.

Bijna 75% van de waterstof die momenteel wereldwijd door olieraffinaderijen wordt verbruikt, wordt geleverd door grote waterstoffabrieken die waterstof genereren uit aardgas of andere koolwaterstofbrandstoffen

Waterstof is ook een belangrijke basisstof voor de productie van methanol (CH 3 OH). De productie van methanol (methanolsynthese) vindt plaats door middel van de katalytische hydrogenering van koolmonoxide.
Methanol kan direct worden gebruikt als brandstof in verbrandingsmotoren. Het wordt ook gebruikt in directe methanolbrandstofcellen of, na reforming, in PEM-brandstofcellen. Uit methanol worden brandstofadditieven vervaardigd en het wordt gebruikt om plantaardige oliën te transestereren tot methylesters (biodiesel).

Gebruik – op energie gebaseerd gebruik

Op energiegebied wordt waterstof meestal gebruikt via brandstofcellen (FC’s). Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat waterstof en zuurstof combineert om elektriciteit te produceren, met water en warmte als bijproducten. In zijn eenvoudigste vorm bestaat een brandstofcel uit twee elektroden – een anode en een kathode – met daartussen een elektrolyt. Aan de anode reageert waterstof met een katalysator, waarbij een positief geladen ion en een negatief geladen elektron ontstaan. Het proton stroomt vervolgens door de elektrolyt, terwijl het elektron door een circuit stroomt, waardoor een stroom ontstaat. Aan de kathode reageert zuurstof met het ion en het elektron, waarbij water en nuttige warmte worden gevormd.

Waterstof in het vervoer

Waterstofbrandstof wordt beschouwd als een goede kandidaat om bij te dragen tot het koolstofvrij maken van de wegvervoersector indien zij via het elektrolyseproces uit hernieuwbare energiebronnen wordt geproduceerd. In dit geval zijn de belangrijkste voordelen van elektrische voertuigen met brandstofcellen de nuluitstoot van CO 2 en verontreinigende stoffen (de uitstoot aan de uitlaat is alleen water), en de hogere efficiëntie van brandstofcellen in vergelijking met interne verbrandingsmotoren. Personenauto’s en stadsbussen, naast andere voertuigen, zoals materiaalbehandelingsapparatuur, enz, zijn goede voorbeelden van de nieuwe technologie die klaar is voor massacommercialisering in de komende jaren.

De toepassingsmogelijkheden van waterstof als brandstof voor mobiliteit kunnen ten eerste worden onderscheiden naar de chemische vorm of binding van waterstof en ten tweede naar de energieconvertor waarmee de in de waterstof opgeslagen energie ter beschikking wordt gesteld.

• Bij direct gebruik wordt (zuivere) moleculaire waterstof (H2) door de transportmiddelen direct, d.w.z. zonder verdere conversie, als energiebron gebruikt. In dit geval kan waterstof zowel in verbrandingsmotoren als in brandstofcellen (brandstofcelsystemen) worden gebruikt.
• Bij indirect gebruik wordt waterstof gebruikt om uiteindelijke energiebronnen te produceren of wordt waterstof door middel van extra omzettingsstappen omgezet in gasvormige of vloeibare waterstof bevattende brandstoffen. Dergelijke PtG- (Power-to-Gas) en PtL- (Power-to-Liquids) brandstoffen kunnen dan weer in warmtemotoren worden gebruikt. Gebruik in brandstofcellen zou ook mogelijk zijn (in sommige gevallen), met behulp van een reformer, maar dat is economisch niet haalbaar.

Aviation

In de burgerluchtvaart worden waterstof-aangedreven brandstofcellen beschouwd als potentiële energieleveranciers voor vliegtuigen, zoals dat in de ruimtevaart al enige tijd het geval is. Zo kunnen brandstofcelmodules als noodgeneratorsets of als hulpaggregaat elektriciteit leveren aan het elektrische systeem van het vliegtuig. Meer geavanceerde concepten omvatten het starten van de hoofdmotor en de neuswielaandrijving voor vliegveldbewegingen door commerciële vliegtuigen.

Maritieme toepassingen

Zoals in de luchtvaart worden brandstofcellen momenteel getest als energieleveranciers voor de stroomvoorziening aan boord. Het gebruik van waterstofaangedreven brandstofcellen voor de aandrijving van schepen bevindt zich daarentegen nog in een vroege ontwerp- of testfase – met toepassingen in kleinere passagiersschepen, veerboten of pleziervaartuigen. De brandstofcel met lage en hoge temperatuur (PEMFC) en de vaste oxide brandstofcel (SOFC) worden gezien als de meest veelbelovende brandstofceltypen voor nautische toepassingen (EMSA 2017). Tot dusver zijn er echter nog geen brandstofcellen opgeschaald voor en gebruikt op grote koopvaardijschepen.

Treinen

In elektrische locomotieven wordt de aandrijfkracht geleverd via stationaire stroomgeleiders (bovenleidingen, geleiderails) en stroomcollectoren op de voertuigen. Om technische, economische of andere redenen kan echter niet elke spoorlijn worden geëlektrificeerd. Vooral op lijnen met een gering vervoersvolume zijn de hoge initiële investeringen die nodig zijn voor de elektrificatie van de lijnen niet altijd te rechtvaardigen. Bovendien kunnen bovengrondse lijnen niet worden gebruikt voor rangeren wanneer ook kranen worden gebruikt voor het verplaatsen van transportgoederen. In de ondergrondse mijnbouw daarentegen moeten tractievoertuigen zonder luchtverontreinigende stoffen werken.

Railvoertuigen die waterstof als energieopslag en energiebron gebruiken, kunnen een extra alternatief bieden. Door brandstofcellen aangedreven railvoertuigen combineren het voordeel van een luchtverontreinigingsvrije werking met het voordeel van lage infrastructuurkosten, vergelijkbaar met die voor dieselgebruik.

Material Handling Vehicles

Brandstofcel-industrietrucks, zoals vorkheftrucks of sleepwagens (luchthavens), zijn bijzonder geschikt voor gebruik binnenshuis, omdat ze geen plaatselijke verontreinigende emissies en slechts geringe geluidsemissies produceren. Brandstofcelvoertuigen hebben voordelen ten opzichte van batterij-aangedreven industriële trucks op het gebied van tanken. In plaats van de batterij te moeten vervangen, kunnen de trucks binnen twee tot drie minuten worden bijgetankt.

Ze nemen minder ruimte in beslag en zijn goedkoper in onderhoud en reparatie. Brandstofcel-industrietrucks maken ononderbroken gebruik mogelijk en zijn daarom bijzonder geschikt voor multi-shift vlootwerking in de materiaalverwerking (FCTO 2014b). In het geval van grotere industriële truckvloten in meerploegendienst kunnen (gematigde) kostenreducties worden bereikt in vergelijking met batterijtechnologie, en kan ook de productiviteit in de materiaaloverslag worden verhoogd.

Bussen

In termen van wegvervoer zijn bussen in het openbaarvervoernetwerk het grondigst geteste toepassingsgebied voor waterstof en brandstofcellen. Sinds het begin van de jaren negentig zijn en worden wereldwijd enkele honderden bussen met waterstof geëxploiteerd – overwegend in Noord-Amerika, Europa en in toenemende mate ook in Azië.

Hoewel waterstof aanvankelijk nog werd toegepast in bussen met verbrandingsmotoren, concentreren de ontwikkelaars van bussen zich nu vrijwel geheel op elektrische bussen met brandstofcellen (FCEB). Het gebruik van kleine FCEB-vloten wordt in stedelijke gebieden gestimuleerd als een manier om bij te dragen aan de technologische ontwikkeling en aan het beleid inzake schone lucht.
Brandstofcelbussen hebben inmiddels een hoog niveau van technische rijpheid bereikt, hoewel zij nog niet in serie worden geproduceerd. Vanwege de kleine aantallen zijn ze tot nu toe met ongeveer 1 miljoen euro nog steeds veel duurder dan standaard dieselbussen, die rond de 250.000 euro kosten. De onderhoudskosten zijn ook aanzienlijk gedaald en de betrouwbare bedrijfstijden zijn toegenomen (Hua et al. 2013).

Afhankelijk van de jaarlijkse productieaantallen zouden de productiekosten voor FCEB’s in toekomstige projecten echter verder moeten dalen. De productiekosten voor 12-meterbussen zullen naar verwachting dalen tot ongeveer 450.000 (aankoop van 100 bussen) EUR in 2020 en tot ongeveer 350.000 EUR in 2030, waardoor ze binnen het bereik van dieselhybride bussen komen.

Moderne brandstofcelbussen halen hun energie uit twee brandstofcelstacks, elk met een vermogen van ongeveer 100 kW. Ze hebben ook een relatief kleine tractiebatterij en zijn in staat om remenergie terug te winnen. Bovendien hebben ze ongeveer 30 tot 50 kg gecomprimeerde waterstof aan boord, opgeslagen in druktanks met een druk van 350 bar. Aan de andere kant hebben sommige batterij-elektrische busmodellen grote tractiebatterijen en slechts kleine brandstofcelstacks, die als range extenders worden gebruikt.

Brandstofcelbussen hebben nu een actieradius van 300 tot 450 km en bieden daarmee in het dagelijkse gebruik bijna dezelfde flexibiliteit als dieselbussen. Terwijl sommige oudere stadsbussen nog ruim 20 kg waterstof (in plaats van 40 liter diesel) per 100 km verbruiken, verbruiken nieuwere brandstofcelbussen nu slechts 8 à 9 kg per 100 km, waardoor FCEB’s een energie-efficiëntievoordeel van ongeveer 40 % hebben ten opzichte van dieselbussen. Om de markt te ontwikkelen zijn demonstratieprojecten gepland met grote wagenparken die op lange termijn worden gebruikt. Verwacht wordt dat de FCEB-vloot in Europa tegen 2020 zal zijn uitgebreid van 90 tot 300 à 400 voertuigen.

Lees hier meer over brandstofcelbussen.

Passagiersauto’s

Samen met batterij-elektrische voertuigen zijn waterstofaangedreven brandstofcelpassagiersauto’s de enige emissievrije alternatieve aandrijvingsoptie voor gemotoriseerd particulier vervoer. De eerste brandstofcelpersonenauto’s werden al in de jaren zestig als demonstratieproject getest. Een nieuwe impuls voor de ontwikkeling van brandstofcellen kwam in de jaren 1990. In de meeste gevallen waren de brandstofceltestvoertuigen omgebouwde auto’s die oorspronkelijk waren uitgerust met een interne verbrandingsmotor. In die tijd waren de vroege testmodellen echter nog steeds niet concurrerend, noch in technisch noch in economisch opzicht. Bovendien werden tot ongeveer 10 jaar geleden nog prototypes met benzinemotoren getest met waterstof als alternatieve energie- en emissiearme brandstof. Dit waren voertuigen met aangepaste bivalente motoren, die zowel op benzine als op waterstof konden rijden. Dankzij de brandstof halen met waterstof aangedreven verbrandingsmotoren niet alleen een iets hoger rendement dan bij gebruik op benzine, maar stoten zij ook veel minder verontreinigende stoffen uit.

Hoewel waterstof een schone brandstof is met uitstekende fysisch-chemische eigenschappen, is het er niet in geslaagd aanvaard te worden als brandstof voor gemotoriseerd wegvervoer. Voor personenauto’s ligt de nadruk nu bijna geheel op waterstof-aangedreven brandstofcellen als bron van aandrijfenergie.

Er is nu een schat aan praktische ervaring beschikbaar met brandstofcel-prototypes van personenauto’s. Een aantal grote autofabrikanten begint in een vroeg stadium voertuigen in serieproductie aan te bieden die qua functionaliteit nu net zo goed zijn als conventionele auto’s met een verbrandingsmotor. Het aantal brandstofcelauto’s dat in de komende jaren zal worden geproduceerd, zal naar verwachting variëren van enkele honderden tot duizenden stuks. Vrijwel alle personenauto’s met brandstofcel zijn tegenwoordig uitgerust met PEM-brandstofcellen, zowel in serie- als in parallelopstelling. De prijzen voor middelgrote voertuigen die met brandstofcellen zijn uitgerust, liggen nog steeds ver boven die voor personenauto’s met een verbrandingsmotor – rond 60.000 euro/USD. Met de start van de serieproductie van FCEV’s zullen de voertuigkosten en -prijzen naar verwachting aanzienlijk dalen.

De brandstofcelstacks in de nieuwste brandstofcelmodellen hebben een vermogen van 100 kW of meer. In vergelijking met elektrische auto’s met batterijen hebben ze een grotere actieradius – vandaag ongeveer 400 tot 500 kilometer – met een lager voertuiggewicht en veel kortere tanktijden van drie tot vijf minuten. Ze hebben meestal 4 tot 7 kg waterstof aan boord, opgeslagen in druktanks van 700 bar.

Lees meer over tankstations

Stationaire energietoepassingen

Stationaire brandstofcellen kunnen worden gebruikt voor gedecentraliseerde stroomvoorziening in off-grid gebieden. De markt voor noodstroomtoepassingen (BUP) wordt steeds belangrijker. Onder backup-toepassingen vallen in de eerste plaats noodstroomvoorziening en in de tweede plaats ononderbreekbare stroomvoorziening (UPS).

Noodstroomgeneratorsets worden gebruikt om bij langdurige stroomuitval in bedrijf te blijven. In dergelijke gevallen wordt de omschakeling op het elektriciteitsnet gewoonlijk (kortstondig) onderbroken.
Ononderbreekbare voedingen daarentegen worden gebruikt om zeer gevoelige technische systemen te beschermen tegen schommelingen in het elektriciteitsnet en kortstondige stroomonderbrekingen, zodat een ononderbroken werking is gewaarborgd. Toepassingsgebieden zijn met name telecommunicatie- en IT-systemen, zoals radiotorens of gegevensverwerkingscentra.

In vergelijking met conventionele thermische centrales hebben brandstofcellen een veel hoger elektrisch rendement, tot wel 60%, zelfs voor kleine centrales. Dit is gunstig vanuit exergetisch oogpunt, omdat veel hoogwaardige elektriciteit en weinig warmte wordt geproduceerd.

In continubedrijf worden back-ups van brandstofcellen gekenmerkt door de volgende voordelen: lange autonome werking en levensduur, lage onderhoudskosten door het ontbreken van bewegende delen, en stille, (lokaal) emissievrije elektriciteitsopwekking.

De back-upcapaciteit van stationaire brandstofcellen varieert van enkele kW tot meer dan 1 GWe. Brandstofcellen met een laag elektrisch vermogen zijn vaak draagbare brandstofcellen, die gewichtsvoordelen bieden ten opzichte van oplaadbare batterijen en generatoren. In de stationaire sector worden verschillende typen brandstofcellen gebruikt, in sommige gevallen ook voor koeling. Naast waterstof worden ook methanol, aardgas en vloeibaar petroleumgas als brandstof gebruikt.

Binnenlandse energie

Als naast de opgewekte elektriciteit ook de geproduceerde warmte wordt gebruikt, spreekt men van warmtekrachtkoppeling (WKK). Als dergelijke centrales worden gebruikt in de huishoudelijke verwarmingssector, worden zij ook wel micro-WKK- of mini-WKK-centrales genoemd vanwege hun kleinere output.

WKK-centrales kunnen met twee strategieën worden geëxploiteerd: De centrale dekt ofwel het grootste deel van de elektriciteits- of van de warmtevraag. Als de elektriciteitsprijzen hoog zijn, is een op elektriciteit gebaseerde exploitatiewijze geschikt. Op deze manier kan de aankoop van elektriciteit van het net tot een minimum worden beperkt, of kan de opgewekte WKK-elektriciteit aan het elektriciteitsnet worden geleverd en worden terugbetaald.

De warmte die als bijproduct van WKK wordt geproduceerd, wordt gebruikt om een deel van de warmtevraag van gebouwen te dekken. De grotendeels op elektriciteit gebaseerde wijze van functioneren resulteert in een laag thermisch vermogen van brandstofcelverwarmingssystemen. De resterende warmtebehoefte van het gebouw wordt gedekt door een extra verwarmingssysteem, bv. een condensatieketel. Om die reden zijn brandstofcellen bijzonder geschikt voor gebouwen met een geringe behoefte aan ruimteverwarming, zoals energiezuinige of bijna-energieneutrale gebouwen. In gebouwen met een grotere behoefte aan ruimteverwarming worden hybride brandstofcelverwarmingssystemen gebruikt, die bestaan uit een brandstofcel en een condensatieketel om de piekverwarmingsbehoeften te dekken.

Stationaire brandstofcellen in het vermogensbereik tot 10 kWe zijn gewoonlijk PEM- of SO-brandstofcellen. Het typische WKK-vermogensbereik voor huizen en appartementsgebouwen is 0,7 tot 5 kWe. Als brandstofcelsystemen worden gebruikt met aardgas als brandstof, kan een bestaande aardgasinfrastructuur worden gebruikt. De brandstof moet echter eerst worden gereformeerd. In het geval van PEM-brandstofcellen vindt de reforming extern plaats. Vanwege de hogere temperaturen is interne reforming mogelijk bij SO-brandstofcellen.

Waarschijnlijk het grootste voordeel van brandstofcellen ten opzichte van thermische energieprocédés is de directe elektrochemische omzetting bij de opwekking van elektriciteit en warmte en het daarmee gepaard gaande hogere elektrische rendement. In gecombineerde modus, d.w.z. elektrisch en thermisch, kunnen brandstofcellen rendementen tot 95 % bereiken. Het elektrische rendement bedraagt tot 45 %. Bovendien worden brandstofcelsystemen gekenmerkt door hoge rendementen over alle belastingspunten, zijn ze stil, hebben ze lage onderhoudskosten en werken ze (plaatselijk) emissievrij.