Waterstof is als energiedrager één van de grote beloftes van een succesvolle energietransitie én van de Nederlandse economie en wordt beschouwd als de energiedrager van de toekomst. Met zijn klimaatvriendelijke productie draagt het bij tot een aanzienlijke vermindering van de CO2-uitstoot, met name op gebieden zoals industrie en vervoer die niet volledig koolstofvrij kunnen worden gemaakt via energie-efficiëntie en het directe gebruik van hernieuwbare elektriciteit. Groene waterstof en zijn derivaten bieden een groot potentieel voor de weg naar een klimaat neutrale energievoorziening en spelen een doorslaggevende rol bij de verwezenlijking van de klimaatdoelstellingen van het klimaatbeschermingsprogramma 2030 en de Europese Green Deal voor 2045.
Maar om over te stappen op waterstof als belangrijkste energiedrager, is een grote verbouwing in de industrie, vergelijkbaar met die van de overstap van kolen naar aardgas in de jaren zestig van de vorige eeuw, noodzakelijk. Technologisch gezien is alles mogelijk, maar de kosten van alle aanpassingen zijn hoog en de sector moet wel concurrerend blijven. Dat kan zij niet alleen.
Wat is (vloeibare) waterstof?
Waterstof is het lichtste gas in ons universum. Onder normale omstandigheden is het een chemisch element met het symbool H en atoomnummer 1, een kleurloos, reukloos en licht ontvlambaar gas. Het gas komt op aarde niet in geïsoleerde vorm voor, maar is een bestanddeel van water. Daarom is een tekort aan waterstof in feite geen probleem. Waterstof wordt zowel in vloeibare als in gasvormige vorm gebruikt. Het gas heeft een dichtheid (kg.m-3) van 0,08988 en een kookpunt van -252,9 °C. Bij het kookpunt condenseert waterstof van gasvormig tot vloeibaar. Vergeleken met de meeste andere gassen is het kookpunt van waterstof extreem laag. Alleen helium, met een kooktemperatuur van -268,9 °C, heeft een nog lager kookpunt. De zeer lage temperatuur in combinatie met de hoge ontvlambaarheid van waterstof maakt het een relatief gevaarlijke stof. Strikte veiligheidsmaatregelen en moderne infrastructuren zijn dan ook onontbeerlijk.
De productie van waterstof
Aangezien waterstof op aarde niet in zuivere vorm voorkomt, moet het worden geproduceerd. Er zijn drie enigszins verschillende productieprocessen die op hetzelfde principe zijn gebaseerd. Om waterstof te produceren is een uitgangsmateriaal nodig dat in contact wordt gebracht met een energiebron. Zowel het uitgangsmateriaal als de energiebron kunnen verschillend zijn. In de praktijk zijn er drie verschillende productieprocessen:
Grijze waterstof
Grijze waterstof wordt geproduceerd met fossiele brandstoffen (zoals steenkool of aardgas) en stoom. Daarom wordt deze vorm van waterstofproductie ook wel methaan-stoomreforming genoemd. Het voordeel van deze productiemethode is dat de kosten betrekkelijk laag zijn en dat productie op grote schaal mogelijk is. Een groot nadeel is echter dat bij de productie ook CO2 vrijkomt. Helaas is grijze waterstof daardoor zeer schadelijk voor het milieu.
Momenteel wordt ongeveer 95% van de waterstof geproduceerd door middel van methaan-stoomreforming. Dit gebeurt in grote reformers die koolwaterstoffen splitsen in waterstof en koolstof.
Blauwe waterstof
De productie van blauwe waterstof is in principe dezelfde als die van grijze waterstof, met één verschil. De grote hoeveelheid CO2 die bij het productieproces vrijkomt, wordt niet in de lucht opgenomen, maar opgevangen of hergebruikt. Dit maakt blauwe waterstof veel duurzamer dan grijze waterstof. Het opvangen van de C02 kost echter energie, waardoor de totale energieopbrengst daalt.
Groene waterstof
Bij de productie van groene waterstof wordt gebruik gemaakt van groene energie en water. Via elektrolyse wordt het water omgezet in waterstof en zuurstof. Bij deze productiemethode komt geen CO2 vrij, zodat groene waterstof de enige echt duurzame waterstof is.
De toepassingen van (vloeibare) waterstof
Waar wordt waterstof precies voor gebruikt? Momenteel wordt (vloeibare) waterstof voornamelijk gebruikt en onderzocht in de volgende industrieën: In de ruimtevaartindustrie, onder meer als brandstof voor ruimteraketten en in de scheepsbouw als duurzame energiedrager (via brandstofcellen). Verder in de luchtvaartindustrie waar hardnekkig gewerkt wordt aan modellen voor waterstof-aangedreven vliegtuigmotoren. De sector wegvervoer, die zowel goederen- als personenvervoer omvat. Onlangs zijn er auto’s en vrachtwagens ontwikkeld die waterstof als energiebron gebruiken. De industriële sector, waar waterstof als basisgrondstof dient voor de productie van ammoniak en kunststoffen. Waterstof wordt ook gebruikt voor de productie van aardolieproducten en methanol. En tenslotte in de energiesector waar waterstof zowel kan worden gebruikt om generatoren in elektriciteitscentrales te koelen als om het elektriciteitsnet te stabiliseren. Waterstof wordt opgeslagen en gebruikt in brandstofcellen die zorgen voor een stabiele energievoorziening, waardoor een optimale bedrijfstijd wordt gegarandeerd.
Isolatie voor vloeibare waterstof
Vloeibare waterstof vereist een betere isolatie dan sommige andere vloeibare gassen. De belangrijkste reden hiervoor is de extreem lage temperatuur van het gas. Indien bijvoorbeeld waterstof wordt vervoerd door een overdracht leiding met schuimisolatie, kan een klein scheurtje in het schuim ertoe leiden dat zuurstof condenseert als gevolg van de extreme koude die vloeibare waterstof afgeeft. Als deze gecondenseerde zuurstof in contact komt met waterstof of andere brandbare materialen, zal er brand of een explosie ontstaan.
Gelukkig is er een vorm van isolatie die een optimale isolatie biedt. Vacuümtechnologie is de oplossing voor het veilig transporteren, opslaan en gebruiken van vloeibare waterstof. Vacuümisolatie is tot 15 keer beter dan andere isolatiematerialen (bv. PIR/PUR of Foamglas, Armaflex, Perlite en Misselon) en kan worden gebruikt voor leidingen, maar ook voor fittingen, tanks en cryogene apparatuur.
Vacuümtechniek maakt gebruik van vacuüm of hoog vacuüm om transferleidingen of -systemen optimaal te isoleren. Een vacuümomgeving wordt gecreëerd door deze leidingen of systemen met een dubbele wand in te kapselen en de ruimte tussen de twee wanden te vacumeren. Het vacuüm zorgt ervoor dat er geen warmteoverdracht kan plaatsvinden tussen de warme buitenkant en de koude binnenkant (aangezien de meeste moleculen zijn verwijderd).
Vacuümisolatie voor waterstofsystemen is niet alleen veilig, maar voldoet ook aan de strenge eisen voor waterstofinfrastructuren. Zo wordt bijvoorbeeld verwacht dat overbrengingsleidingen voor vloeibare waterstof op schepen zijn uitgerust met een dubbele insluiting (mocht de procesleiding een lek vertonen, dan is de extra container op zijn plaats). Indien de pijpleidingen van vacuümisolatie zijn voorzien, fungeert de vacuümbuis ook rechtstreeks als dubbele insluiting. Dus vacuüm isolatie slaat twee vliegen in een klap. Daarnaast zijn er inmiddels hittebestendige thermische isolatie producten op de markt die geschikt zijn hoge temperaturen (0 – 1300 °C) en ingezet kunnen worden voor veel industriële en commerciële toepassingen.