Met zoveel aandacht gericht op het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen in zoveel sectoren, is waterstof plotseling een hot topic in energie geworden. (Business Wire)

Ga terug naar scheikunde. Onthoud waterstof? Haar het eenvoudigste element op aarde, bestaande uit één proton en één elektron.

Welnu, bescheiden waterstof is plotseling het populairste onderwerp geworden in energiecirkels over de hele wereld.

Dat komt omdat de eenvoud en veelzijdigheid van waterstof kan worden toegepast om de uitstoot van broeikasgassen in een steeds groeiend aantal productie- en energiesegmenten te verminderen en tegelijkertijd de acceptatie en distributie van hernieuwbare energie te bevorderen.

De relatief hoge kosten van het toevoegen van waterstof aan de waardeketen doen sceptici zich afvragen hoe uitgebreid de rol ervan zal zijn, maar voorstanders zeggen dat schaalvoordelen - gecombineerd met veel overheidsuitgaven - zullen leiden tot een energiesysteem dat op zijn minst gedeeltelijk doordrenkt is met waterstof.

"Het begint net de aandacht te trekken van mensen zoals investeerders en andere industriële spelers," zei Dave Edwards, een voorstander van waterstofenergie die werkt voor de Amerikaanse tak van de Franse multinational Luchtvloeistof​ "De gemiddelde burger denkt nog niet aan waterstof in zijn energietoekomst, hoewel het absoluut een rol gaat spelen."

Wat waterstof kan doen

In tegenstelling tot bijvoorbeeld aardgas- of zonne-energieopwekking, waterstof is geen energiebron​ Het is eerder een energiedrager die bruikbare energie kan opslaan en leveren.

Bij menging met zuurstof in een brandstofcel brandt waterstof schoon. En, cruciaal, het element kan in verschillende sectoren worden toegepast.

Productie-industrieën zoals staal en cement hebben bijvoorbeeld enorme hoeveelheden warmte nodig om hun producten te maken. Waterstof kan branden heet genoeg om een ​​hoogoven te laten draaien​ Het element kan worden geïnjecteerd in het aardgas dat in die fabrieken als grondstof wordt gebruikt, wat resulteert in een kleinere ecologische voetafdruk.

Waterstof kan ook worden gebruikt om de transportsector koolstofarm te maken, wat goed is voor meer dan de helft van de koolstofvervuiling in Californië.

Een voertuig op waterstof-brandstofcellen combineert waterstof en zuurstof om elektriciteit te produceren, die een motor aandrijft​ Om de auto van brandstof te voorzien, trekt een chauffeur naar een pomp die vergelijkbaar is met een conventioneel benzinestation en pompt waterstof in de tank. Het duurt ongeveer drie tot vijf minuten om bij te vullen en de enige uitstoot zijn enkele druppels water die uit de uitlaat komen.

Ongeveer 9,000 personenauto's op waterstof-brandstofcellen - zoals de Toyota Mirai en de Honda Clarity - rijden in Californië op de weg, en de staatsbeleidsmakers willen van ongeveer 40 waterstof-tankstations die momenteel in gebruik zijn in de staat naar 200 in de komende vier jaar.

Maar nu het segment van elektrische voertuigen vooruitgang boekt, kan een meer directe kans voor waterstof worden gevonden in grotere voertuigen. Bussen en middelzware en zware vrachtwagens die worden aangedreven door brandstofcellen hebben niet de zwaardere batterijsystemen nodig die vereist zijn in elektrische voertuigen en ze presteren goed bij koud weer. Waterstof-brandstofcellen kunnen ook worden gebruikt voor het aandrijven van vorkheftrucks en verhuizers op locaties zoals magazijnen, verzendlocaties en havens, ter vervanging van benzine en diesel.

Waterstof wordt ook gezien als een aansporing om energieopslagplaatsen te ontwikkelen.

Zonne-energieproductie in Californië is overvloedig gedurende de dag wanneer de zon schijnt, maar verdwijnt nadat de zon ondergaat. Als er overdag een overaanbod aan zonne-energie is, moeten netbeheerders soms de opwekking van zonne-energie inperken of het overschot naar buurlanden sturen.

Energieopslagsystemen slaan de overtollige opwekking op en voeren de elektriciteit vervolgens af wanneer de vraag naar het net hoog is, zoals tussen 4 uur en 9 uur wanneer stroom duurder is.

Is het veilig?

Voor sommigen roept de vermelding van het woord "waterstof" op de ramp met de Hindenburg in 1937 kwamen daarbij 36 mensen om het leven. Waterstof is inderdaad zeer vluchtig en brandbaar, maar de aanhangers van het element zeggen dat het een uitstekende staat van dienst is op het gebied van veiligheid.

De Zegt het Amerikaanse ministerie van energie Om ontstekingen te voorkomen, "zijn adequate ventilatie en lekdetectie belangrijke elementen bij het ontwerp van veilige waterstofsystemen." Omdat waterstof verbrandt met een bijna onzichtbare vlam, zijn speciale vlamdetectoren vereist.

In brandstofcelvoertuigen wordt de waterstof opgeslagen in tanks met dikke wanden die een voering hebben verpakt in een koolstofvezel schaal en sensoren zijn rond de tank geplaatst om lekken te detecteren. De tanks onder druk zijn gepasseerd herhaalde crashtests. Toyota zei dat de brandstoftanks erin zitten Mirai hield zelfs stand beschoten worden met snelle wapens. BMW vorig najaar zei een ongecontroleerde reactie van waterstof en zuurstof tijdens het besturen van een brandstofcelauto is 'vrijwel onmogelijk'. Edmunds.com heeft waterstof genoemd brandstof zo veilig als benzine.

Het element wordt al decennia lang geproduceerd, opgeslagen en vervoerd. Olieraffinaderijen gebruiken bijvoorbeeld stoom-methaanreformers om waterstof te maken verwijder onzuiverheden zoals zwavel uit petroleum en dieselbrandstoffen.

Wat betreft de Hindenburg, de oorzaak van de brand boven Lakehurst, NJ is nog steeds een onderwerp van intens debat. Een recente uitleg wijst met de vinger naar een waterstofgas lek ontstoken door een elektrostatische ontlading.
Anderen beweren dat waterstof de brand niet heeft veroorzaakt. Theorieën omvatten alles van een coating op de buitenkant van het luchtschip dat bleek ontvlambaar te zijn om een ​​interne lekke band te saboteren.

Batterijopslag helpt, maar het is ontworpen om op korte termijn, van uur tot uur, te worden gebruikt. Waterstof kan energie echter maandenlang opslaan.

"Als je elektriciteit voor een lange periode wilt opslaan, wordt batterijopslag duurder en duurder", Paul Browning, CEO van Mitsubishi Hitachi Power Systems Americas, vertelde CNBC​ "Terwijl we het met waterstof tegen zeer lage kosten voor langere tijd ondergronds kunnen opslaan in grote zoutkoepels."

Dat is precies wat Mitsubishi doet met brandstofopslagbedrijf Magnum Development, bij een energiecentrale in Delta, Utah beheerd door het Department of Water and Power in Los Angeles​ De opgeslagen elektriciteit wordt afgevoerd naar gasturbines in de centrale.

Wanneer het project in 2025 van start gaat, zei Browning dat de turbines 30 procent waterstof en 70 aardgas zullen gebruiken in plaats van steenkool. In 2045 is het plan om 100 procent waterstof te gebruiken, gevoed door hernieuwbare bronnen.

Waterstof kan ook worden toegepast op residentiële en commerciële energie. Er wordt gewerkt aan het inmengen van het element in het aardgastransport- en distributiesysteem.

Warmtekrachtkoppeling, of WKK-systemen, kunnen op conventionele wijze leiden tot 35 tot 50 procent emissiereducties en het Amerikaanse ministerie van Energie heeft geschat reducties van meer dan 80 procent als waterstof uit koolstofarme of nul-koolstofbronnen komt worden gebruikt in een brandstofcel.

Hoe maak je het?

Omdat waterstof doorgaans niet op zichzelf bestaat, moet het worden geproduceerd uit verbindingen die het bevatten. Het element kan worden geproduceerd met behulp van een breed scala aan bronnen die verschillende productiemethoden gebruiken.

Gezien de nadruk die beleidsmakers hebben gelegd op schone energie, is de meeste aandacht uitgegaan naar het maken van 'blauwe waterstof' en 'groene waterstof'.

In blauwe waterstof wordt aardgas - dat waterstof bevat als onderdeel van de methaanverbinding van aardgas - gewoonlijk in een stoom-methaanreformer gedaan. De reformer isoleert de waterstof maar laat kooldioxide of CO2 achter. Omdat CO2 een broeikasgas is, wordt het opgevangen en opgeslagen in plaats van dat het in de atmosfeer terechtkomt. Er wordt geschat dat het proces zou kunnen halveer de hoeveelheid geproduceerde koolstof.

Bij groene waterstof wordt het element geproduceerd met behulp van hernieuwbare energiebronnen, zoals wind, zon, waterkracht of zelfs biomassa. Een proces dat veel aandacht krijgt, is elektrolyse, waarbij elektriciteit uit koolstofvrije bronnen in een elektrolyseur wordt gestuurd en water - bestaande uit waterstof en zuurstof, H2O - erin wordt gepompt. Er komt waterstof uit en er komt geen koolstofemissie vrij, vandaar de term 'groene waterstof'.

Hindernissen, initiatiefnemers en sceptici

Maar het proces dat wordt gebruikt om waterstof te produceren is duur en hoe schoner de versie, hoe duurder het wordt. Waterstof is nu goed voor minder dan 5 procent van de wereldwijde energievoorziening, dus het bouwen en uitbreiden van het bereik zal duur zijn.

De Europese Unie, die haar klimaatdoelstelling om de uitstoot van broeikasgassen tegen 55 met 2030 procent te verminderen, wil halen, heeft het voortouw genomen bij het promoten van waterstof. Afgelopen zomer heeft de EU een stappenplan opgesteld waar om werd gevraagd tegen 569 tot $ 470 miljard (2050 miljard euro) aan investeringen in groene waterstof.

President Joe Biden's $ 2 biljoen plan om klimaatverandering aan te pakken omvat waterstof, maar er was geen specifiek dollarcijfer aan verbonden zijn voorstel voor schone energie dat werd uitgebracht op het campagnespoor.

De voorstanders van waterstof rekenen erop dat de kosten omlaag gaan naarmate de waterstof alomtegenwoordiger wordt - vergelijkbaar met de schaalvoordelen die hebben geleid tot een sterke daling van de kosten van zonne-energie, wind en batterijen. Er zijn zeker geen garanties dat waterstof dat kan dupliceren, maar analisten van IHS Markit hebben voorspeld dat de productie van groene waterstof zou kunnen worden kosten concurrerend in negen jaar.

Aan de infrastructuurzijde zijn er problemen met de compatibiliteit van waterstof met bestaande leidingen in het aardgassysteem. Bij blootstelling aan waterstof in de loop van de tijd kunnen sommige soorten stalen buizen kunnen broos worden en barsten.

San Diego Gas & Electric en Southern California Gas zijn een partnerschap aangegaan met de Nationaal onderzoekscentrum voor brandstofcellen bij UC Irvine over een mengprogramma waarin waterstof in plastic leidingen wordt geïnjecteerd om te zien hoe het presteert. Het aanvankelijke mengniveau is 1 procent en kan oplopen tot 20 procent.

“Stalen buizen doen het niet goed; plastic doet het veel beter, ”zei Kevin Sagara, groepsvoorzitter bij Sempra Energy, het moederbedrijf van SDG & E en SoCalGas. "Dus we beginnen met plastic, kijken hoe dat gaat en schalen het dan langzaam op naar andere soorten buizen."

Het programma is een van de zeven waterstofprojecten waaraan Sempra-bedrijven deelnemen. Eerder deze maand kondigde SoCalGas aan dat het $ 1.3 miljoen om te financieren de ontwikkeling van waterstoftankstations in havens en brandstofcellen voor zeeschepen en locomotieven.

Californië heeft onlangs een mandaat vastgesteld om af te leiden 100 procent van zijn elektriciteit uit koolstofvrije bronnen in 2045 maar hoewel Sempra de grootste aardgasfranchise op het westelijk halfrond bezit, zei Sagara dat het Fortune 500-bedrijf “all-in” is op waterstof.

"We willen voorop lopen op dit gebied", zei Sagara. "Ons elektriciteitsnet zal de ruggengraat zijn om niet alleen deze weg van elektrificatie voort te zetten, maar ook om hernieuwbare elektriciteit te leveren om schone moleculen zoals waterstof te maken om die andere sectoren koolstofarm te maken" van de energie-economie.

Ooit veelzijdig, kan waterstof ook vloeibaar worden gemaakt, wat kan bijdragen aan de miljoenen dollars die Sempra heeft geïnvesteerd in faciliteiten voor vloeibaar aardgas of LNG. "Je zou een grote waterstofhub in de Golf bij Texas kunnen zien, waar voldoende opslagruimte is, veel goedkope hernieuwbare energiebronnen - zowel zon als wind," zei Sagara. "Het is een van de beste plaatsen om waterstof te maken."

Praat zo Matt Vespa, stafadvocaat van de milieugroep EarthJustice, die zegt dat fossiele brandstofbedrijven waterstof als reddingslijn gebruiken.

"Ik denk dat er een breder spel is van de gasindustrie om te suggereren dat er een heilige graal is die ons in staat zal stellen om het gassysteem draaiende te houden zoals het nu doet, alleen met een andere brandstof," zei Vespa.

Ten eerste is hij erg sceptisch dat waterstof veilig in gaspijpleidingen kan worden geïnjecteerd in een mate waarin het een aanzienlijke verbetering van het milieu oplevert. "Er is echt niet veel dat je zou kunnen doen met de bestaande pijpleidingstructuur zonder de pijpleidingen en apparaten die momenteel op gas werken volledig te hoeven vervangen", zei Vespa.

Veel milieuactivisten willen dat middelen worden besteed aan groene waterstofprojecten die elektrolyse-apparaten gebruiken, niet aan blauwe waterstof die aardgas of andere fossiele brandstoffen als grondstof gebruikt.

"Laten we ons daarop concentreren en ons ook richten op de toepassingen waarbij (waterstof) het meeste broeikasgasvoordeel oplevert," zei Vespa.

Bij de California Legislature, Senator Nancy Skinner, D-Berkeley, heeft geïntroduceerd Senaat Bill 18 dat zou overheidsinstanties ertoe aanzetten om groene waterstof aan te wijzen als een belangrijke energiebron voor alle toepassingen van hernieuwbare energie en langetermijnopslag om investeringen en technologie te stimuleren.

Toen ze het wetsvoorstel introduceerde, Skinner noemde waterstof “De enige hernieuwbare energiebron die het potentieel heeft om alle aspecten van onze economie koolstofarm te maken. Simpel gezegd: zonder dit zouden we misschien niet in een koolstofvrije wereld kunnen komen. "

Wereldwijd zullen de investeringen in waterstof naar verwachting groeien meer dan $ 700 miljoen in de komende twee jaar en er gaat nauwelijks een week voorbij zonder nieuws over een andere waterstofinvestering, -initiatief of -onderzoekprogramma.

Air Liquide, dat al 50 jaar actief is in de waterstofsector, is het bouwen van een fabriek van $ 150 miljoen in de buurt van Las Vegas dat biogas uit organisch afval in waterstof zal veranderen en het vervolgens in Californië zal verkopen om waterstof-brandstofcelvoertuigen, vorkheftrucks en andere toepassingen aan te drijven.

Vorige maand kondigde het bedrijf plannen aan om bouw 's werelds grootste elektrolyse-inrichting, met behulp van hydro-elektriciteit in Quebec om waterstof te produceren.

“Vervangt waterstof ooit benzine, diesel en aardgas volledig? Het zal ongetwijfeld een rol spelen bij het vervangen daarvan, ”zei Edwards van Air Liquide. “Je zult het zien als brandstof voor transport, als brandstof voor thuis, als industriële brandstof. Je zult het na verloop van tijd op al deze plaatsen zien en over 50 jaar denk ik dat het in al die sectoren heel gebruikelijk zal zijn. "

Door Rob Nikolewski De San Diego Union Tribune

Bron: https://genesisnanotech.wordpress.com/2021/02/19/why-all-the-hoopla-about-hydrogen/