Waterstof als brandstof

Inleiding
De laatste jaren wordt veel gesproken, gedebatteerd en gespeculeerd over veranderingen van het klimaat op aarde. Zeker de film ‘an inconvenient truth’ van Al Gore heeft veel mensen doen schrikken. Al veel langer kijken veel mensen met vrees uit naar het moment dat de voorraden fossiele brandstoffen die de aardbol herbergt uitgeput raken.

Steeds meer mensen, waar onder ook steeds meer wereldleiders lijken zich bewust van de ernst van het probleem dat op ons afkomt. De roep om een milieuvriendelijkere en duurzamere manier van energie opwekken is enorm groot.

In deze literatuurstudie onderzoek ik het toekomstperspectief van een op het eerste gezicht veelbelovende brandstof die geschikt is om elektriciteit mee op te wekken, maar bijvoorbeeld ook een auto kan laten rijden: waterstof. Waterstof voldoet namelijk aan een aantal belangrijke kenmerken die voor het bovenstaande probleem wel eens de oplossing kunnen zijn. Het gebruik van waterstof als brandstof is zeer milieuvriendelijk en de voorraad is met geen mogelijkheid uit te putten.

De centrale vraag in dit onderzoek luidt: heeft waterstof de toekomst als brandstof of zijn er nadelen aan het gebruik hiervan te ontdekken, die zo groot zijn dat ze een rol als ‘wereld reddende held’ voor waterstof onwaarschijnlijk maken? Ik zal een aantal deelvragen beantwoorden om hierop een duidelijk antwoord te kunnen geven. Zo is het belangrijk eerst te weten wat waterstof precies is, hoe het proces in zijn werk gaat waarbij elektrische energie opgewekt wordt uit waterstof doormiddel van een brandstofcel, welke redenen er te voor te vinden zijn dat waterstof nog lang niet ingeburgerd is en wat moet er gebeuren om de ‘waterstof economie’ te stimuleren.

Ik heb juist voor dit onderwerp gekozen omdat het erg actueel is en ook bij mij zelf de vraag erg leeft wat waterstof voor rol gaat hebben in de toekomst.


Beschrijving van het onderzoek
Om de centrale vraag in dit onderzoek te beantwoorden gebruik ik literatuur die over dit onderwerp bestaat, zoals boeken, maar ook artikelen die bijvoorbeeld op internet gepubliceerd zijn. In deze literatuur zoek ik steeds naar feiten en meningen die van toepassing zijn op de centrale vraag of op de deelvragen. De geraadpleegde literatuur staat vermeld in de literatuurlijst.

Korte samenvatting
Waterstof, een zeer licht en uiterst brandbaar gas lijkt grote vermogens te hebben. Door middel van de brandstofcel, een apparaat dat waterstof direct omzet in elektrische energie en water, kan zeer efficiënt milieuvriendelijke energie opgewekt worden. Ook kan een aangepaste verbrandingsmotor op waterstof draaien.

Grootschalig gebruik van waterstof als brandstof is tot nu toe uitgebleven omdat waterstof moeilijk op te slaan is en er mede daarom nog geen goede waterstof infrastructuur bestaat. Ook is de productie van waterstof nog te duur.

Een waterstofeconomie, waarin waterstof de rol van olie overneemt kan alleen ontstaan als er nog meer geïnvesteerd wordt in de ontwikkeling van waterstof als brandstof. Ook moet durf getoond worden. Olie speelt een belangrijke rol in de wereld economie.

Mede omdat de nood hoog is, en er een alternatief zal moeten komen voor gebruik van fossiele brandstoffen geloof ik dat er een rol is weg gelegd voor waterstof als toekomstige brandstof.

Uitkomsten van het onderzoek

Wat is waterstof?
Waterstof (H) is het eerste element in het periodieke systeem. Het is het eenvoudigste atoom dat voorkomt en bestaat uit slechts een proton met in de baan daar omheen een elektron.Waterstof heeft een covalente binding en bij een verbinding van twee waterstofatomen ontstaat waterstofgas H2 of di-waterstof. Waterstofgas is een reukloos, kleurloos en zeer brandbaar gas. Waterstof is bijzonder licht, 14 keer lichter dan zuurstof bijvoorbeeld. De stof bevat een grote hoeveelheid energie per kilogram, 180 MJ/kg. Door de lage dichtheid is de energiehoeveelheid per ‘normale kubieke meter’ (Nm3) relatief laag, 10,8 MJ/Nm3.

Waterstof kent twee isotopen. Een atoom van het isotoop Deuterium (2H of D) bevat behalve een proton ook een neutron, ook in de baan rond dit atoom komt een elektron voor. De atoommassa is dus twee keer zo groot en zo komt Deuterium in combinatie met een zuurstofatoom aan de bijnaam ‘zwaar water’. Ten slotte is er de isotoop Tritium (3H of T). In de kern bevinden zich drie neutronen en een proton. Tritium is radioactief en komt zeer weinig voor.

Waterstof is erg reactief en komt op aarde nauwelijks los voor, het is bijna altijd in verbinding met een ander element. In gebonden vorm komt waterstof in duizelingwekkende mate voor.
Alle materie op aarde bijvoorbeeld bestaat voor niet minder dan 15 % uit waterstof atomen. Het universum bestaat zelfs voor 90 % uit waterstof atomen!

De belangrijkste eigenschappen en gegevens van waterstof samengevat:
Naam Waterstof (of Hydrogenium)
Symbool H
Atoomnummer 1
Atoommassa (in u) 1,0079
Dichtheid (kg per m¬3) 0,08988
Smeltpunt (K) 14,06
Kookpunt (K) 20,28
Toestand bij kamertemperatuur Gasvormig


Wat is een brandstofcel en hoe werkt de die?
Elektrische energie wordt vaak opgewekt doormiddel van een dynamo die aangedreven wordt door een motor die een fossiele brandstof gebruikt. Zo wordt in de meeste energiecentrales een stoommachine gebruikt om een enorme dynamo aan te drijven en verricht de verbrandingsmotor in een auto deze taak onder de motorkap om een veel kleinere dynamo aan te drijven. Hierbij komen verschillende nadelen om de hoek kijken, want bij het verbranden van bijvoorbeeld kolen om de stoommachine in werking te zetten komen schadelijk stoffen vrij, wordt de eindige voorraad fossiele brandstoffen aangesproken en gaat veel energie verloren.

Een gemiddelde brandstofcel haalt direct elektrische energie uit waterstof gecombineerd met zuurstof. Dit is een zeer efficiënte manier van energie opwekken. Daarbij is het enige afvalproduct dat deze ‘motor’ uitstoot H2O, water!

De brandstofcel bestaat uit een poreuze anode en kathode met een elektrolyt daar tussen in. Aan de anode wordt een constante stroom gasvormig waterstof (H¬2) toegevoegd. Daar worden de waterstof atomen gesplitst in twee positief geladen H+ protonen en twee negatief geladen e- elektronen. Aan de kathode kant wordt zuurstof, O2 toegevoegd. De positieve H+ protonen zullen door het elektrolyt naar de kathode schieten om daar reageren met de zuurstof. De elektronen zullen via een andere weg, namelijk een elektrisch circuit ook naar de kathode gaan. Daar ontstaat water, want O2 + 4H+ + 4e-  2H2O.

Schematische weergave van een brandstofcel Een brandstofcel, de zichtbare ‘ ribben’
zijn de ‘stacks’

Op dit elektrische circuit is dus een apparaat aan te sluiten. Nu is het spanningsverschil in een brandstofcel slechts 0,7 volt. Dus een aaneenschakeling van brandstofcellen, een ‘stack’ genoemd moet er voor zorgen dat grotere voltages behaald kunnen worden en zo dus veel grotere voltages kunnen worden behaald.

Er zijn verschillende soorten brandstofcellen die onder te verdelen zijn in de zogeheten ‘hoge temperatuur brandstofcellen’ en ‘lage temperatuur brandstofcellen’. De cellen uit de eerste groep functioneren bij een bedrijfstemperatuur tussen de 200 en 1000 graden Celsius en worden voornamelijk gebruikt bij energie opwekking op grote schaal. Brandstofcellen met een bedrijfstemperatuur tussen de 40 en de 150 graden Celsius worden eerder gebruikt voor kleinere hoeveelheden energie.

Waarom is waterstof nog steeds niet ‘de’ brandstof?
Na het lezen van de bovenstaande omschrijving van waterstof en van de brandstofcel die waterstof als brandstof gebruikt, lijkt het haast onbegrijpelijk dat waterstof nog niet massaal wordt gebruikt voor de opwekking van energie in de elektriciteitscentrales en dat nog niet alle auto’s op waterstof rijden. Of zijn er soms ook nadelen die het gebruik op grote schaal tegenhouden?

De directe omzetting van waterstof in elektrische energie zorgt voor een hoog rendement en het enige afvalproduct is water. Auto’s kunnen worden aangedreven door zowel een waterstof brandstofcel elektromotor, maar eventueel ook door een verbrandingsmotor die loopt op waterstof. Hierbij is eveneens water het enige dat uit de uitlaat komt. Door meer dan 30 landen, waaronder Nederland, wordt zelfs gewerkt aan een project dat tot doel heeft het eerste vliegtuig op waterstof te bouwen. Waterstof is namelijk op zich ook geschikt voor het aandrijven van moderne straalmotor.

Een reusachtige CO2 uitstootreductie, stillere motoren en een onuitputtelijke bron van brandstof dus. Maar er zijn wel degelijk nadelen die snelle verdere ontwikkeling in de weg staan.

In de omschrijving van waterstof staat al dat de stof nauwelijks in de natuur voorkomt, maar bijna altijd in geboden vorm. Waterstof moet dus ‘gemaakt’ worden. Elektrolyse is een manier om dit te doen. Hiervoor is echter wel elektriciteit nodig. Zo veel zelfs dat een weinig kosten- en milieuefficiënte manier is. Uit steenkool, aardgas of andere koolwaterstoffen kan waterstof worden gehaald, dit wordt ‘reforming’ genoemd. Hierbij komt echter CO2 vrij, en tevens zijn we in dat geval terug bij af, want op die manier wordt nog steeds de voorraad fossiele brandstoffen aangesproken. De enige milieuvriendelijke manier van waterstofproductie is die doormiddel van algen in een bioreactor. Als algen onder bepaalde condities worden gekweekt produceren ze in plaats van zuurstof, waterstof. Op grote schaal waterstof produceren in een bioreactor is op dit moment nog niet haalbaar omdat de bioreactor nog niet voldoende is ontwikkeld. Bovendien is de productie van waterstof, op welke manier dan ook behoorlijk duur.

Waterstof kent een erg lage dichtheid, zoals eerder vermeld bij de omschrijving van waterstof: de energiehoeveelheid per kilogram is groot, maar per volume klein. De lage dichtheid maakt de opslag van grote hoeveelheden waterstof moeilijk. Dat kan alleen gebeuren onder enorme druk. Vloeibaar waterstof opslaan kan alleen bij extreem lage temperaturen. Ook de opslag van waterstof bij een tankstation of opslagplaats is daarmee betrekkelijk duur en het opslaan van waterstof in een tank in bijvoorbeeld de auto is daarmee eveneens duur en ingewikkeld.

Tot slot een van de grootste belemmeringen op weg naar succes voor waterstof: de infrastructuur, of beter gezegd, het gebrek daaraan. Dit probleem is samenhangend met het probleem van de lokale opslag zoals hier boven beschreven. Er zal een stevig netwerk van waterstof leverantie punten moeten zijn om waterstof als brandstof voor transportmiddelen interessant te maken. Verder ligt de productie van waterstof ver beneden niveau om bijvoorbeeld op grote schaal elektriciteit mee op te kunnen wekken.


Zijn we op weg naar een waterstofeconomie?
In de waterstofeconomie speelt olie niet meer de alles overheersende rol van nu. Waterstof heeft in de waterstofeconomie de rol van brandstof voor auto’s, vrachtwagens, boten en vliegtuigen overgenomen en elektriciteit wordt door het gebruik van de brandstofcel opgewekt. Eveneens behoort de afhankelijkheid van olieproducerende landen, dat niet zelden tot grote problemen op aarde heeft geleidt, tot het verleden. Landen kunnen zelf door schone elektriciteit uit zonlicht of windenergie waterstof produceren en voorzien in hun eigen energiebehoefte. Een situatie die door de eerder genoemde nadelen best ver weg lijkt.

Vanzelf zal die waterstofeconomie dan ook niet ontstaan. Er is wereldwijd actief beleid nodig. Er moet op grote schaal door overheden en bedrijfsleven worden geïnvesteerd in de ontwikkeling van waterstoftoepassingen, mogelijkheden om efficiënter waterstof te produceren en de in noodzakelijke infrastructuur die van de grond moet komen. Ook moet de durf er zijn om langzaam maar zeker afscheid te nemen van olie, terwijl zoveel in de huidige wereldeconomie afhangt van olie.

Er is en wordt overigens al veel geïnvesteerd in waterstof. De Europese Unie werkt geeft al decennia lang veel geld uit aan onderzoek naar waterstof. Ook de Verenigde Staten investeren fors. President Bush van de VS staat niet bekend als koploper wanneer het gaat om snelle maatregelen teneinde de CO2 uitstoot terug te dringen, maar investeert astronomische bedragen in onderzoek naar waterstof, om zo de VS in de toekomst onafhankelijker te maken en de Amerikanen te verzekeren van betaalbare brandstof.

In het Midden-Oosten, waar het overgrote deel van de olie op aarde wordt gewonnen draaien de meeste economieën op die zelfde oliewinning. Men zal in deze landen moeten investeren in nieuwe economische peilers zodat het gebrek aan inkomsten dat ontstaat bij een dalende vraag naar olie wordt opgevangen. Dubai, een staat in de Verenigde Arabische Emiraten vormt een goed voorbeeld. Dubai is met recht een hot spot op de wereldkaart te noemen waar men veel geld verdiend aan bijvoorbeeld toerisme. Aan financiële middelen om een dergelijke revolutie te bewerkstelligen ontbreek het de oliestaten doorgaans niet na vele jaren van zeer lucratieve oliewinning.


Mijn conclusie
Of we op weg zijn naar een wereldwijde waterstofeconomie, waarin waterstof de belangrijkste brandstof, laat zich maar moeilijk voorspellen. De stappen in die richting zijn klein, de kosten hoog. Maar de wereldwijde wil en de potentie lijken er te zijn. Er liggen op dit moment voldoende problemen op de plank om overwonnen te worden, maar de absolute noodzaak voor het vinden van een brandstof die komt uit een oneindige voorraad, die bij gebruik geen schade aan het milieu toebrengt is zo groot dat ik in waterstof een heel goede kanshebber zie. Waterstof heeft immers alles in zich om aan die vraag te kunnen voldoen.

Al met al kan ik zeggen dat in mijn ogen waterstof voor de toekomst de beste papieren heeft!