Trots op Kernenergie

Waterstof – te mooi om waar te zijn

Dr. Friso Sikkema

Waterstof- te mooi om waar te zijn

Waarom het gebruik van waterstof in de energievoorziening een mooie belofte lijkt, maar achteruitgang en meer CO2uitstoot oplevert.

Fossiele brandstoffen

Om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen minder groot te maken zijn we met z’n allen druk op zoek naar alternatieve energiebronnen. Dat willen wij doen om onze CO2 uitstoot te verminderen.

Een van de methodes die op veel aandacht kan rekenen is het gebruik van waterstofgas. Dit schone gas levert bij verbranding alleen maar schoon water op, en is dus een schone brandstof. Als we grote hoeveelheden waterstof hadden zouden we de CO2 uitstoot aanzienlijk kunnen verminderen, is de gedachte.

Helaas komt waterstof niet uit de grond, en moet deze worden gemaakt. Dit kan op twee manieren, die beide hieronder worden toegelicht.

Huidige industriële waterstofproductie

De huidige standaardmethode om waterstof te maken heet Stoom Methaan (aardgas) Reforming, of kolengas reforming. Dit is een chemische omzetting.

De chemische reactie voor dit proces is als volgt:

Aardgas of kolen  + zeer hete stoom -> waterstof + CO2

Op deze manier wordt jaarlijks wereldwijd 70 miljoen ton waterstof geproduceerd. Aangezien waterstof erg licht is, is dit in feite een enorme hoeveelheid. In Nederland wordt er ongeveer 800.000 ton gemaakt.

De resulterende waterstof is grotendeels zuiver genoeg om de meeste industriële toepassingen uit te voeren; verreweg de meeste waterstof wereldwijd (ongeveer 55%) wordt gebruikt voor de productie van ammoniak:

stikstof + waterstof + energie -> ammoniak

De wereldwijde ammoniakproductie bedraagt ​​ongeveer 180 miljoen ton per jaar. De rest van de waterstof wordt gebruikt in raffinaderijen, voor algemene chemische processen en voor de produktie van methanol. Slechts een heel klein beetje wordt gebruikt als energiedrager.

De produktie van waterstof uit gas en kolen consumeert 6% van het mondiale aardgas, plus 2% van de kolen. De totale CO2-uitstoot van dit wereldwijd toegepaste proces is gelijk aan die van Indonesië en het VK samen. Als je kijkt naar energie, komt er een efficiëntie van ongeveer 70% uit: ongeveer 70% van de oorspronkelijke energie uit het aardgas komt terecht in de waterstof.

Voor speciale toepassingen (brandstofcellen, chip fabricage) moet het waterstof zeer zuiver worden gemaakt.

Om de waterstof zeer zuiver te maken wordt een speciaal zuiveringsproces, “pressure swing absorptie (PSA)”gebruikt. Dit proces verbruikt tot 20% extra schone waterstof, en extra elektrische energie (compressoren).

Door dit additionele proces is de productie van ultrapuur waterstof voor halfgeleidertoepassingen (chips) en brandstofcellen zeer energie-intensief.

Ongeveer 60% van de oorspronkelijke energie-inhoud van het aardgas blijft in het zeer zuivere waterstofgas. Zie hieronder voor een grafische weergave van het stoom-methaanproces.

Figuur 1. De chemische omzetting van aardgas in waterstof en de zuivering daarvan gaan gepaard met verliezen. Daarom blijft van de oorspronkelijke energie-inhoud in het aardgas ongeveer 60% over in sterk gezuiverde waterstof. Opgemerkt moet worden dat voor de grootste toepassingen van waterstof een dergelijke hoge zuiverheid niet vereist is.

Waterstof produktie door middel van elektrolyse

Je kan ook met elektriciteit waterstof (H2) produceren. Dit gaat in een zogenaamde elektrolyse opstelling. Daarbij komt ook zuurstof (O2) vrij. Zie hieronder.

Figuur 2. Elektrische energie kan worden gebruikt om waterstof te produceren. Het water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof.

De formule voor elektrolyse is

Water + elektrische energie -> Waterstof + Zuurstof

Dit proces wordt niet op commerciële schaal toegepast, omdat de kosten en energie-investeringen te hoog zijn.

Ongeveer 50-60% van de elektrische energie die wordt geinvesteerd komt terecht in de waterstof.

De zuiverheid van deze waterstof is erg hoog. Er is geen aanvullende zuivering nodig.

Waterstof produktie uit duurzame elektriciteit

Er is een wereldwijde trend naar het gebruik van waterstof als energiedrager. Alleen al in de EU zijn er grootse plannen om electrolyse toe te passen met enorme vermogens aan elektriciteit.

Duurzame bronnen die geen CO2 uitstoten (waterkracht, kernenergie, zon, wind, geothermie) produceren vaak alleen elektriciteit. Omdat waterstof op grote schaal in de industrie wordt gebruikt en de verbranding van waterstof alleen water als product oplevert, is er daarom een trend om waterstof te bereiden uit CO2-vrije elektriciteit, niet alleen voor de industrie, maar ook voor energie. Op deze manier, is het idee, wordt schone stroom gebruikt om met elektrolyse schone waterstof te maken, zodat de waterstof zelf wordt geproduceerd zonder enige CO2-uitstoot.

Helaas gaat deze vlieger niet op.

Er is namelijk nog maar mondjesmaat elektriciteit uit duurzame bronnen. Omdat dit te weinig is, doet zich verdringing voor, waardoor bij de produktie van waterstof uit elektriciteit meer CO2 wordt uitgestoten dan bij de produktie van waterstof uit aardgas of kolen.

Stel dat er op een moment tien eenheden (bijvoorbeeld GW) elektrisch vermogen elektriciteit leveren aan het Nederlandse netwerk. Acht eenheden daarvan komen van fossiele brandstof en twee van hernieuwbare energie (waterkracht, nucleair, zon, wind, geothermie). Dit is niet realistisch, zo ver is de installatie van duurzame bronnen nog lang niet.

Nu wordt een waterstofelektrolyse-inrichting geactiveerd die één eenheid van deze elektriciteit verbruikt, om waterstof te produceren. Omdat de elektriciteit nu wordt verbruikt, stijgt het totale elektriciteitsverbruik nu van 10 naar 11 GW.

Maar de rest van het net heeft nog steeds tien eenheden elektriciteit nodig!

Er ontstaat dus een tekort aan één eenheid elektriciteit, welke moet worden aangevuld.

Omdat er nog steeds verre van hernieuwbare electriciteitsbronnen zijn, wordt deze eenheid elektriciteit onvermijdelijk aangevuld met een fossiele grondstof (aardgas / steenkool).

Wat er opdat moment dus gebeurt is dat:

  1. Aardgas / kolen eerst worden omgezet in elektriciteit
  2. Deze elektriciteit daarna wordt omgezet in waterstof

Het energetische ketenrendement van dit proces is aanzienlijk lager dan bij gebruik van stoom-methaanreforming.

Daardoor wordt er in deze hele keten voor de waterstof produktie méér CO2 uitgestoten dan bij de produktie van waterstof direct uit aardgas.

De waterstofproductiemethode die dan wordt ondernomen, is ook veel duurder dan reformeren van methaan met stoom, de enorme elektrolyzers kosten erg veel geld. Zie hieronder een grafische weergave. Het reformeringsproces van stoom-methaan is bijna twee keer zo efficiënt vanaf aardgas.

Figuur 3. De omzetting van aardgas naar elektriciteit is maximaal 60% efficient. Deze elektriciteit daarna omzetten in waterstof is ook maximaal 60% efficient. Tezamen zorgt dit voor een rendement van 33 %, veel minder dan de produktie van waterstof uit aardgas.

Conclusies

Onvermijdelijk volgen hieruit de volgende conclusies:

  • We kunnen absoluut niet zomaar op waterstof overschakelen.
  • De produktie van waterstof uit aardgas of kolen is de standaard methode om waterstof te maken.
  • Deze waterstof kan het beste worden aangewend voor chemie, als energiedrager is het verre van efficië
  • De produktie van waterstof uit elektriciteit levert méér CO2 uitstoot op dan direct gebruik van aardgas en de (duurzame) stroom.
  • De waterstof hype is dus een loze belofte.

 

In de pers
Thema's

Veiligheid