Waterstof transporteren via het aardgasnet in de toekomst?

Waterstof is volgens verschillende organisaties op de energiemarkt een belangrijke vervanger van aardgas. In plaats van aardgas als fossiele brandstof te gebruiken kan men beter een duurzaam verkregen waterstof inzetten. Er zijn verschillende voordelen te benoemen voor waterstof. Deze gasvormige stof kan namelijk worden geproduceerd. Daardoor kan waterstof in feite niet opraken. Daarnaast kan waterstof worden opgeslagen en getransporteerd.

Aardgasvrij wonen
Voor het transporteren van aardgas kan men mogelijk ook het netwerk van aardgasleidingen gebruiken dat reeds in Nederland aanwezig is. in Nederland wordt decennia lang gebruik gemaakt van aardgas. Dat zorgt er voor dat er een goed netwerk aan aardgasleidingen aanwezig is inclusief de bijbehorende installaties. De huidige installaties en aardgasleidingen zijn over een periode van zestig jaar opgebouwd en onderhouden. Dat betekent dat in de praktijk bijna alle gebouwen aangesloten zijn op aardgasleidingen behalve de nieuwbouwwoningen die aardgasvrij zijn gebouwd en aangesloten.

Fijnmazig netwerk
Volgens de beheerders van deze aardgasleidingen is het netwerk fijnmazig en bovendien in uitstekende en veilige conditie. Dat zorgt er voor dat er een waardevol systeem in de grond zit. Men heeft zichzelf terecht de vraag gesteld of dit leidingnetwerk in de toekomst misschien voor andere doeleinden kan worden gebruikt. Het transporteren van waterstof is dan heel interessant. Omdat waterstof volgens veel bedrijven in de installatietechniek de toekomst is zou het aardgasleidingnetwerk in de toekomst kunnen worden gebruikt voor het transport van waterstof.

Waterstofketel
Er zijn volgens experts een aantal kleine aanpassingen nodig om het huidige leidingnetwerk aan te passen voor waterstof. Aardgas is namelijk een andere soort gas dan waterstof. De energiewaarde van aardgas is anders en ook de dichtheid van het gas. Naast het aanpassen van het leidingnetwerk is het belangrijk dat ook de woninginstallaties worden aangepakt. Veel woninginstallaties hebben nog een standaard aardgasgestookte cv-installatie. Dat zal in de toekomst een waterstofketel moeten worden. Een waterstofketel heeft een ander verbrandingssysteem dan een aardgasgestookte cv installatie. Het aanpassen van de huidige cv-ketels naar een waterstofketel is vaak niet of nauwelijks mogelijk.

Wat is waterstof voor energiedrager?

Waterstof is het lichtste gas en is kleurloos, reukloos en bovendien zeer ontvlambaar. Het is een tweeatomig gas diwaterstof dat wordt aangeduid met H2 waarbij de letter H staat voor het Latijnse Hydrogenium. Deze term is weer afgeleid van het Oudgriekse ‘hudōr dat staat voor ‘water’ en het woord ‘genes’ dat vertaald kan worden met ‘vormen’ en ‘maken’. Men zou Hydrogenium letterlijk kunnen vertalen met watermaken of watermaker. Dit woord maakt duidelijk dat waterstof gebruikt lam worden om bijvoorbeeld water te maken. Water ontstaat tijdens de reactie tussen zuurstof en waterstof. Met waterstof kan men echter veel meer.

Waterstof in de energietransitie
Waterstof wordt in het kader van de energietransitie genoemd als een mogelijke vervanger voor aardgas. In tegenstelling tot zonlicht, windkracht en waterdruk is waterstof een energiedrager. Voordat men waterstof kan gebruiken zal men dit gas eerst moeten produceren. In een later stadium kan me de waterstof verstoken waardoor hitte vrijkomt die kan worden overgedragen op bijvoorbeeld het leidingwater in een centrale verwarmingsinstallatie. In dit systeem zou waterstof een vervanger kunnen worden van aardgas.

Het produceren van waterstof
Waterstof moet geproduceerd worden. Dat is een voordeel maar ook een nadeel. Het voordeel is dat men door het produceren van waterstof voldoende waterstof kan aanmaken om in een bepaalde energiebehoefte te voorzien. Een nadeel van de waterstofproductie is echter dat het veel energie kost. Men kan waterstof halen uit aardgas maar daarbij komt CO2 vrij. Dat is juist niet gewenst in het kader van een duurzame energietransitie. Daarom moet men waterstof winnen uit water. Daarvoor kan men waterstof doormiddel van elektrolyse verkrijgen.

Tijdens deze elektrolyse wordt water gesplitst in waterstof en zuurstof. Dit proces zorgt niet voor schadelijke uitstoot maar kost wel veel elektriciteit. Dat is het grote nadeel van waterstof, de productie kost veel energie. Daarom zullen veel zonnepanelen en windmolens geplaatst moeten worden om de benodigde elektrische energie op te wekken. Als men deze duurzame energiebronnen niet gebruikt moet men elektrische energie uit kolencentrales en gascentrales halen waardoor het duurzame effect van waterstof teniet wordt gedaan.

Is waterstof rendabel?
Waterstof is dus een energiedrager maar niet een hele effectieve als men kijkt naar het rendement. Als men waterstof weer in een andere energievorm wil brengen gaat er altijd energie verloren. Daarom is het over het algemeen effectiever om energie niet eerst om te zetten in waterstof. Als men bijvoorbeeld de elektrische energie van windmolens direct op het lichtnet zet wordt de elektrische energie veel effectiever benut dan wanneer men deze elektrische energie gebruikt om waterstof als energiedrager te benutten. Dat maakt waterstof niet rendabel.

Waterstof biedt kansen voor technische bedrijven in Noord-Nederland vanaf 2019

In Noord-Nederland willen technische bedrijven graag aan de slag met waterstof en de mogelijkheden die deze duurzame energiebron biedt voor de energietransitie. Waterstof kan worden geproduceerd uit water en dat maakt deze brandstof veel duurzamer dan bijvoorbeeld aardgas. In Noord-Nederland weet men alles van de negatieve neveneffecten van het winnen en gebruiken van aardgas. Daarom wil men in Noord-Nederland graag koploper worden op het gebied van waterstof. Daarvoor hebben de Noordelijke provincies een zogenaamde ‘call’ ingediend bij Europa om aanspraak te maken op een bedrag 20 miljoen euro. Dit bedrag wordt door Europa verstrekt om lokale projecten te steunen op het gebied van waterstof. Nederland heeft brede nationale en international steun voor de call Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (FCH 2 JU). De cal wordt in ieder geval gesteund door 66 organisaties. Deze organisaties zijn zeer divers zo val ook het ministerie van Economische Zaken en Klimaat onder de organisaties die de cal steunen. Ook VNO-NCW en MKB Nederland ondersteunen de call.

Als Europa de call gunt komt er een bedrag van 20 miljoen euro vrij dat besteed kan worden aan middelen voor de productie, distributie, opslag en toepassing van waterstof. Bedrijven die bijvoorbeeld waterstofketels ontwikkelen en plaatsen in woningen kunnen ook gebruik maken van het bedrag. Daarnaast kan men ook op grote schaal waterstof produceren wat weer gunstig is voor de lokale industrie die waterstof als brandstof zou kunnen gebruiken. In Noord-Nederland zijn op dit moment al veel bedrijven actief die zich bezig houden met de verduurzaming van de chemie of de ontwikkeling van waterstofauto’s. Daarnaast zijn er ook bedrijven die waterstof willen ontwikkelen voor het opladen van batterijen en als brandstof voor het openbaar vervoer willen inzetten. Met de ondersteuning vanuit FCH 2 JU kunnen deze bedrijven de toepassing van waterstof verder optimaliseren en kunnen ook nieuwe start-ups zich bezig houden met de productie en toepassing van waterstof. De kans is groot dat er ook meer werkgelegenheid ontstaat in het noorden.

Wat is radiatorfolie?

Radiatorfolie is een folie die achter de radiator kan worden aangebracht en de stralingswarmte weer de ruimte in reflecteert. Radiatorfolie wordt aangebracht om zo weinig mogelijk warmte te verliezen aan de achterkant van de radiator. Radiatoren zijn namelijk over het algemeen onder ramen bevestigd aan een muur waarvan de andere kant contact heeft met de buitenlucht en buitentemperatuur. Door radiatorfolie te gebruiken wordt er zo weinig mogelijk warmte afgegeven aan de muur en juist meer afgegeven aan de ruimte die verwarmt wordt.

Door het toepassen van radiatorfolie kan de warmtestraling aan de achterkant van de radiator met 75 tot zelfs 95 procent verminderd worden. Dit percentage is afhankelijk van het soort radiatorfolie dat men gebruikt. Ook moet het radiatorfolie op de juiste manier worden aangebracht om een zo hoog mogelijk rendement te realiseren. Als men het idee achter radiatorfolie wil begrijpen is het belangrijk dat eerst wat algemene informatie wordt verstrekt over de warmteafgifte door radiatoren. Daarover gaat de volgende alinea.

Warmteafgifte door radiatoren
Radiatoren treft men aan in woningen met een centrale verwarming. Een radiator is een onderdeel van een centrale verwarming en bestaat meestal uit één of meerdere panelen die hol zijn en opgevuld worden met cv-leidingwater. Radiatoren stralen warmte uit doormiddel van confectie. Het centrale punt in de centrale verwarming is in feite de cv-ketel. Deze cv-ketel wordt meestal op aardgas gestookt maar er zijn ook woningen die al voorzien zijn van een waterstofketel. Of men nu een waterstofketel heeft of aardgasgestookte cv-ketel het principe van de radiator werkt het zelfde alleen is de brandstof die wordt gebruikt om het cv-water te verwarmen anders.

Vanuit een cv-ketel wordt warm water richting de radiatoren getransporteerd. Met de radiator wordt de warmte van het cv-leidingwater afgegeven aan de omgeving. Dat gebeurd aan twee kanten namelijk de kant van de ruimte en de andere kant die richting de muur is gericht. De zijde die naar de ruimte is gericht is volledig functioneel maar de kant die richting de muur is gericht verwarmt ook voor een deel de muur en de ramen die daar boven zijn geplaatst.

Het nut van radiatorfolie
Door de warmteafgifte op de muren en de ramen gaat veel warmte verloren. Daarom kan radiatorfolie worden aangebracht zodat de warmte van de radiator zo weinig mogelijk op de muur wordt overgedragen en zoveel mogelijk wordt gereflecteerd richting de radiator zelf zodat het in de lucht van de ruimte wordt gebracht. Door radiatorfolie te gebruiken wordt er minder warmte verspilt. Omdat de warmte beter benut wordt is de ruimte sneller warm en hoeft de cv-installatie minder aardgas of waterstof (indien gebruik wordt gemaakt van een waterstofketel) te verstoken. Naast energiezuinigheid wordt er dus ook geld bespaard en minder CO2 uitgestoten.

Standaard radiatorfolie en hr-radiatorfolie
Er zijn verschillende soorten radiatorfolie op de markt verkrijgbaar. Men zou onderscheid kunnen maken tussen standaard radiatorfolie en hr-radiatorfolie oftewel hoogrendement radiatorfolie. Standaard radiatorfolie vermindert de warmtestraling naar de buitenmuur tot 75 procent en speciaal hr-radiatorfolie vermindert de warmtestraling met ongeveer 95 procent. Er is ook onderscheid in de manier waarop men radiatorfolie aanbrengt. Een groot deel van de radiatorfolie wordt bijvoorbeeld direct met magneten aan de radiator vastgezet. Weer andere mensen plakken de radiatorfolie op de muur recht achter de radiator. Radiatorfolie die met magneetjes wordt vastgezet is het meest populair omdat dit het makkelijkste is en er voor zorgt het minste warmteverlies. Daarnaast is radiatorfolie met magneetjes ook vrijwel geheel uit het zicht waardoor het ook vanuit esthetisch oogpunt de beste keuze is.

Waterstofketels een oplossing voor aardgas in 2019?

De waterstofketel wordt gezien als een mogelijke oplossing voor het aardgas in Nederland. Doormiddel van een waterstofketel zou men geen aardgas meer hoeven te verbranden maar zou men waterstof kunnen gebruiken als brandstof. Waterstof is klimaatvriendelijker is de redenering van de voorstanders omdat men waterstof doormiddel van elektrolyse zou kunnen produceren. Het proces dat men elektrolyse noemt kost echter wel veel elektrische energie maar deze elektrische energie zou men kunnen opwekken uit duurzame energiebronnen. Dan heeft men het ook wel over groene waterstof.

Het probleem is echter dat er anno 2019 te weinig duurzame energiebronnen beschikbaar zijn om voldoende waterstof te creëren om een groot deel van de huishoudens van het aardgas af te halen en met waterstof te voorzien. Daarnaast kost het veel tijd en geld om alle aardgasgestookte cv-installaties te vervangen door een waterstofketel. Een waterstofketel zit technisch iets anders in elkaar dan een gewone aardgasgestookte cv-ketel. Dat komt omdat waterstof een andere energiewaarde heeft en dus ook een andere verbranding. De branders van de cv-ketel moeten dus worden vervangen.

Daarnaast zijn er meer technische aanpassingen nodig in de cv-ketel waardoor deze feitelijk zou moeten worden vervangen door een ketel die geschikt is voor waterstof: de waterstofketel. In 2019 hoeven we nog niet te verwachten dat waterstofketels op grote schaal worden toegepast in de installatietechniek. Wel zullen er meer kleine projecten plaatsvinden waarin men probeert te testen of het waterstofconcept een effectief middel is om het aardgas te vervangen. Ook dit jaar zullen de meeste mensen gewoon hun aardgasgestookte cv-ketel behouden. Men stapt dus nog niet massaal over op de waterstofketel.

Waterstofauto of elektrische auto

Waterstofauto’s en elektrische auto’s zijn de afgelopen tijd regelmatig in het nieuws. Beide voertuigen worden genoemd als goede en duurzame vervanger voor de huidige brandstofauto’s die lopen op fossiele brandstoffen zoals lpg, diesel en benzine. De beeldvorming van elektrische auto’s is duidelijk maar over waterstof is nog veel onduidelijkheid. Waterstof is bij het grote publiek nog niet echt bekend als duurzame brandstof. Daarom wordt in dit artikel informatie over waterstof en worden waterstofauto’s vergeleken met elektrische auto’s op het gebied van duurzaamheid.\

Waterstof en energietransitie
Waterstof wordt in het kader van de energietransitie genoemd als brandstof ter vervanging van aardgas. Op die manier zouden woningen in de toekomst kunnen worden verwarmd met waterstof dat wordt verbrand in een waterstofketel. Ook voor voertuigen zou waterstof een duurzaam alternatief zijn. Toch zijn er vraagtekens bij waterstof. Deze vraagtekens hebben te maken met de effectiviteit van waterstof als duurzame brandstof in de voertuigentechniek. Als men waterstof daadwerkelijk wil gaan gebruiken als brandstof voor auto’s dan moet deze brandstof wel aantoonbaar duurzamer en milieuvriendelijker zijn dan de huidige brandstoffen die worden gebruikt in de voertuigen met verbrandingsmotoren.

Productie van waterstof
Waterstof is een in tegenstelling tot aardgas een product dat niet in de aardbodem aanwezig is. Het is een brandstof die men kan produceren. De productie van waterstof gebeurd doormiddel van elektrolyse of men moet waterstof gaan produceren uit aardgas of steenkool. Als men waterstof uit deze fossiele brandstoffen gaat produceren heeft men echter geen duurzaam alternatief voor de huidige fossiele brandstoffen die in auto’s met verbrandingsmotoren worden verstookt. Bij de productie van waterstof uit fossiele brandstoffen komt namelijk ook CO2 vrij waardoor men waterstof dat op deze manier is geproduceerd ook wel ‘grijze waterstof’ noemt. Als men tijdens dit proces CO2 gaat afvangen spreekt men over zogenaamde ‘blauwe waterstof’. Tijdens de productie van ‘blauwe waterstof’ wordt CO2 afgevangen en opgeslagen. Dit is echter niet geheel duurzaam. Men kan echter ook waterstof produceren vanuit groene energie als men het productieproces elektrolyse hanteert. Daarover gaat de volgende alinea.

Productie van groene waterstof
Het produceren van ‘groene waterstof’ is in feite de beste en meest duurzame oplossing. Tenminste als men voldoende duurzame energiebronnen heeft om voldoende elektriciteit op te wekken om de elektrolyse tot stand te brengen. voor de productie van een kilo waterstof heeft men ongeveer 75 kWh aan elektrische stroom nodig. Dit is een enorme hoeveelheid elektrische energie. Als men waterstof ook gaat gebruiken als oplossing voor het verwarmen van woningen dan zou men een grote hoeveelheid windmolens moeten bijbouwen om voldoende waterstof te maken voor zowel de waterstofauto’s als wel de verwarming van woningen die uitgerust zijn met een waterstofketel.

Is waterstof wel effectief?
Universiteitshoogleraar Maarten Steinbuch heeft in het financieel dagblad aangegeven dat een kilo waterstof voldoende is om een auto ongeveer honderd kilometer te laten rijden. Eerder werd al aangegeven dat er ongeveer 75 kWh nodig is om een kilo waterstof te produceren. Als men deze elektrische energie rechtstreeks in een elektrische auto zou stoppen zou men daar maar liefst 300 kilometer mee kunnen rijden. Dat maakt duidelijk dat er tijdens de productie van waterstof veel elektrische energie verloren gaat.

Elektrische auto of waterstofauto?
Als men een goede afweging wil maken tussen een elektrische auto en een waterstofauto dan komt men er al snel achter dat een elektrische auto veel meer voordelen heeft. Een elektrische auto heeft wel een grote hoeveelheid accu’s nodig maar een waterstofauto heeft weer een hele grote opslagtank nodig voor waterstof. Deze grote opslagtank is nodig omdat waterstofgas veel minder compact is als lpg. Daarnaast is waterstof gevaarlijk waardoor er kans bestaat op een explosie bij een aanrijding of andere gevaarlijke situatie waarbij de waterstoftank beschadigd raakt en het waterstof in contact kan komen met open vuur. Als men daarbij ook rekening houdt met het feit dat bij de productie van waterstof veel elektrische energie verloren gaat dan is een elektrische auto waarbij dit verlies niet optreed veel effectiever als duurzaam vervoersmiddel.

Blauwe waterstof gebruiken in de aanloop naar groene waterstof?

Door de benaming, groene, grijze en blauwe waterstof kan de indruk ontstaan dat waterstof in verschillende soorten verkrijgbaar is die op basis van kleur herkend kunnen worden. Dit is echter niet in letterlijke zin het geval. De kleuren die worden gebruikt om waterstof in te delen verwijzen naar de herkomst van de waterstof en de belasting van de milieu van de desbetreffende waterstof.

Grijze waterstof is waterstof die uit fossiele brandstoffen wordt verkregen waarbij tijdens het proces CO2 in de atmosfeer vrij komt. Blauwe waterstof wordt ook uit fossiele brandstoffen verkregen alleen wordt de CO2 die daarbij vrijkomt opgevangen en opgeslagen zodat deze niet in de atmosfeer vrij komt. Groene waterstof wordt verkregen doormiddel van elektrolyse waarbij gebruik wordt gemaakt van duurzame, hernieuwbare energiebronnen zoals windenergie of zonne-energie.

Groene waterstof
Groene waterstof zou mogelijk een effectieve oplossing kunnen vormen voor het aardgasvrij maken van de Nederlandse energievoorziening. In dat geval zal men afscheid moeten nemen van de aardgasgestookte cv-ketel en een waterstofketel moeten installeren. In plaats van aardgas zou door het aardgasleidingnetwerk dan waterstof moeten worden getransporteerd. Daarvoor zijn aanpassingen nodig maar het is technisch gezien wel mogelijk.

Te weinig duurzame energie
Het grote probleem van groene waterstof is dat er te weinig duurzame energie in Nederland wordt opgewekt om huishoudens en bedrijven te voorzien van duurzame elektrische stroom. Als men deze duurzame energie vervolgens ook nog wil inzetten om op grote schaal groene waterstof te produceren dan heeft men helemaal een groot te kort. Men zou dan specifieke windmolenparken moeten bouwen voor het opwekken van groene elektriciteit voor de productie van waterstof.

Blauwe waterstof is geen ideaal redmiddel
Blauwe waterstof zou mogelijk een oplossing kunnen zijn tot de tijd dat er voldoende groene waterstof wordt geproduceerd om de woningen en bedrijven te voorzien. Blauwe waterstof is waterstof die momenteel grotendeels wordt geproduceerd van aardgas. Dat betekent dat men nog niet aardgasvrij is.

Wel is het mogelijk om de CO2 emissie op te vangen en deze CO2 op te slaan. Dat is minder milieubelastend dan alle aardgasgestookte cv-installaties in woningen hun CO2 in de atmosfeer laten uitstoten. Blauwe waterstof is niet het ideale redmiddel voor de Nederlandse energietransitie. Het houdt de Nederlandse energievoorziening namelijk nog langer afhankelijk van aardgas en dat is nu juist wat men niet wil.

Alternatieven voor waterstof
Als waterstof niet groen of duurzaam wordt geproduceerd is het niet een ideaal middel voor de Nederlandse energievoorziening tenminste als men de energievoorziening aardgasvrij en CO2 neutraal wil maken. Ook blauwe waterstof die wegens het afvangen van CO2 als CO2 neutraal wordt beschouwd is geen ideale oplossing. Alleen groene waterstof zou effectief zijn. Dan moeten alle woningen die op aardgas zijn aangesloten in de toekomst echter wel worden voorzien van een waterstofketel. Omdat groene waterstof nauwelijks beschikbaar is kan men beter eerst goed nadenken over alternatieven zoals geothermie, warmtepompen en stadverwarming.

Wat is een brandstofcel?

Een brandstofcel is een elektrochemisch toestel waarmee chemische energie doormiddel van een bewust tot stand gebrachte reactie wordt omgezet in elektrische stroom oftewel elektrische energie. Een brandstofcel wekt op een effectieve manier energie op omdat de chemische energie niet eerst wordt omgezet in thermische energie of mechanische energie. Om die reden is het rendement van een brandstofcel vaak groter dan het rendement van brandstofmotoren en stoommachines. Tijdens het chemische proces in de brandstofcel treed er nauwelijks verlies van energie op. Tegenwoordig worden brandstofcellen in verschillende voertuigen toegepast. Denk hierbij aan de brandstofcelbus of aan een waterstofauto.

Brandstofcel of batterij?
Een brandstofcel lijkt in werking een beetje op een accu of batterij. Toch is een brandstofcel niet hetzelfde en wordt een brandstofcel in de praktijk ook geen accu of batterij genoemd. Het proces dat in een brandstofcel plaatsvind noemt men een redoxreactie. Een redoxreactie is een reactie die plaatsvind tussen atomen, moleculen en/of ionen. Hierbij worden elektronen uitgewisseld. Het begrip redox is een samenstelling van de begrippen reductie en oxidatie.

In tegenstelling tot een batterij of accu kan men in een brandstofcel voortdurend nieuwe reagentia van buitenaf aanvoeren. Reagentia is een benaming voor een chemisch mengsel. In een brandstofcel gebruikt men over het algemeen het reagentia waterstof in combinatie met zuurstof. Een batterij of accu is een gesloten systeem waarin geen reagentia van buitenaf wordt toegevoegd. Wel kunnen accu’s en batterijen vaak weer elektrisch worden opgeladen waardoor ze weer elektrische energie kunnen produceren.

Wat is een waterstofauto?

Een waterstofauto is een elektrische auto die in plaats van een batterij gebruik maakt van waterstof als energiebron. In een brandstofcel wordt waterstof met zuurstof (O2) uit de lucht omgezet in water (H2O). Tijdens dit proces wordt elektriciteit geproduceerd. Deze elektriciteit wordt gebruikt voor de aandrijving van de elektromotor van de waterstofauto. De verwerking van waterstof tot water is een behoorlijk milieuvriendelijk en klimaatneutraal proces want er ontstaan geen uitlaatgassen met CO2 of fijnstof. In plaats daarvan ontstaat tijdens het proces dat plaatsvind in de brandstofcel van de waterstofauto alleen warmte en waterdamp als restproduct. Vanwege het feit dat een waterstofauto geen CO2 uitstoot wordt een waterstofauto ook wel een zero-emission voertuig genoemd. Er zijn andere waterstofauto’s die wel zijn uitgerust met een verbrandingsmotor waarin waterstof als brandstof wordt verstookt. Deze waterstofauto’s zijn minder milieuvriendelijk dan de waterstofauto die een elektromotor bevat.

Voordelen van een waterstofauto
Ten opzichte van benzineauto’s en dieselvoertuigen hebben waterstofauto’s grote voordelen met betrekking tot het milieu. Een waterstofauto stoot namelijk geen CO2 uit en is daardoor milieuvriendelijker en klimaatneutraal. Het is dan echter wel van belang dat de waterstof op een milieuvriendelijke manier is geproduceerd dus niet uit steenkool en aardgas maar uit water doormiddel van een proces dat men ook wel elektrolyse noemt. De enorme hoeveelheid elektriciteit die voor dit proces nodig is moet men uit duurzame, hernieuwbare energiebronnen halen wil men een waterstofauto echt volledig klimaatneutraal willen voortbewegen.

Omdat waterstof een brandstof is die men kan produceren is deze brandstof feitelijk onuitputtelijk. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen kan waterstof niet op raken. Daardoor zou waterstof de perfecte oplossing zijn voor een brandstoftekort. In de Tweede Wereldoorlog maakten de Duitsers vanwege de fossiele brandstoftekorten ook gebruik van waterstof.

Nadelen van waterstof
Het gebruik van waterstof als autobrandstof heeft niet alleen voordelen, er zijn ook nadelen. Waterstof heeft bijvoorbeeld een hele lage energiedichtheid. Dat betekent dat men voor het opslaan van waterstof grote opslagtanks nodig heeft. Dit is ook afhankelijk van de stand van de techniek. In 2011 kon men kleine auto’s niet effectief voorzien van een waterstoftank maar alleen grote voertuigen zoals een SUV. Deze technologie wijzigt echter voortdurend waardoor het niet ondenkbaar is dat men in de toekomst wel een mogelijkheid heeft om waterstof ook als effectieve brandstof te gebruiken voor kleinere voertuigen. Tankstations hebben overigens hetzelfde probleem en zullen ook enorme opslagtanks moeten ontwikkelen en bouwen voor de opslag van waterstof. Het vervoeren van waterstof is daarbij ook een aanverwant probleem waarvoor een effectieve oplossing gezocht moet worden.

Verder moet men rekening houden met de gevaren van waterstof. Als men waterstof mengt met zuurstof ontstaat een zeer explosief mengsel. Het feit dat waterstof een heel licht gas is zorgt er voor dat bijna nooit de explosiegrens bereikt wordt. Deze explosiegrens is het volumepercentage waarbij het mengsel ontbranden kan en wordt ook wel met Lower Explosion Limit of LEL-waarde aangeduid.
De lage energiewaarde zorgt er ook voor dat er veel waterstof nodig is en dat maakt een waterstofauto niet heel efficiënt. Waterstoftechnologie heeft een efficiency van ongeveer 30 procent in tegenstelling tot een volledig elektrische auto die een efficiency heeft van 70 procent.

Toekomst waterstofauto
Het is nog onduidelijk of de waterstofauto in de toekomst veel gebruikt gaat worden en een toonaangevende positie zal veroveren in de voertuigenbranche. Er zullen nog verschillende oplossingen moeten worden bedacht waarmee een waterstofauto een effectieve bijdrage kan leveren aan de automotive. Ten opzichte van een elektrische auto heeft een waterstofauto nog weinig bekendheid. Dat zorgt er voor dat niet veel consumenten bij duurzaam vervoer denken aan een waterstofauto maar veel meer aan een elektrische auto. Het elektrische rijden is nu eenmaal bekender dan het waterstofrijden. Daarin zal een verandering moeten worden aangebracht. Waterstof wordt overigens in andere sectoren ook als oplossing beschouwd. Denk hierbij aan de waterstofketel. Er zijn verschillende spelers op de installatiemarkt die de waterstofketel beschouwen als de ideale vervanger voor de aardgasgestookte cv-ketel.

Waterstofketel op groene, grijze en blauwe waterstof

De waterstofketel zou volgens sommige spelers in de installatiebranche wel eens de oplossing kunnen vormen voor het aardgasvrij wonen en bouwen. In dat geval moeten de cv-ketels die in woningen en utiliteit aanwezig zijn worden vervangen door waterstofketels. Het ombouwen van aardgasgestookte cv-ketels naar waterstofketels is technisch gezien wel mogelijk maar is tijdrovend en kostbaar. Daarom is vervanging van conventionele cv-ketels voor waterstofketels noodzakelijk. Dat is echter 1 aspect van deze energietransitie. Als men kiest voor waterstof als oplossing voor aardgasvrij wonen dan zal men ook moeten kijken naar de herkomst van waterstof. Daarvoor wordt waterstof in verschillende kleuren ingedeeld: groene waterstof, grijze waterstof en blauwe waterstof.

Groene waterstof
Waterstof komt niet voor in de natuur en moet geproduceerd worden. Dat kan op verschillende manieren waardoor je waterstof in meer en minder duurzame processen kunt verkrijgen. Om die reden zijn de benamingen groene, grijze en blauwe waterstof ontstaan. De meest duurzame productiemethode van waterstof is het proces dat men ook wel elektrolyse noemt. Elektrolyse kan men heel duurzaam laten plaatsvinden door gebruik te maken van duurzame elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen zoals windkracht en zonlicht. Als men deze ’groene’ energiebronnen gebruikt kan men ook ‘groene’ waterstof produceren.

Grijze waterstof
Als men waterstof gaat produceren uit koolwaterstoffen, waardgas en steenkool dan heeft men grijze waterstof. Bij de productie van grijze waterstof komen broeikasgassen vrij in de atmosfeer en daarmee is waterstof die op deze manier is verkregen niet ‘groen’ en niet duurzaam. In 2004 werd nog 90 procent van alle waterstof geproduceerd uit aardgas en koolwaterstoffen. Als men meer duurzame waterstof zou willen produceren moet men de productielocaties waarin men waterstof doormiddel van elektrolyse uit duurzame energiebronnen toepast vergroten.

Blauwe waterstof
Blauwe waterstof zit tussen grijze en groene waterstof in. in feite wordt blauwe waterstof geproduceerd op een manier waarop er CO2 vrij komt. Dat komt door verbranding van aardgas bijvoorbeeld. Alleen wordt de CO2 die vrij komt afgevangen en opgeslagen in bijvoorbeeld lege gasvelden. Blauwe waterstof kan door deze werkwijze klimaatneutraal worden omdat tijdens de productie van deze waterstof geen broeikasgassen vrijkomen in de atmosfeer. Echter worden deze broeikasgassen wel geproduceerd waardoor blauwe waterstof niet echt milieuvriendelijk is.

Groene waterstof heeft de voorkeur alleen wordt er veel te weinig groene waterstof geproduceerd om de gehele Nederlandse aardgasgestookte cv-installaties van groene waterstofketels te voorzien. Daarom moet de productie van groene waterstof aanzienlijk omhoog de komende tijd als Nederland van het aardgas af wil en duurzame waterstof wil gaan gebruiken.

Kan een aardgasgestookte cv-ketel omgebouwd worden tot waterstofketel?

Nederland zal de komende jaren afscheid gaan nemen van aardgas als verwarmingsbron. In plaats daarvan worden andere energiebronnen aangewend die duurzamer zijn. Dit wordt ook wel de energietransitie genoemd. Waterstof wordt binnen deze energietransitie steeds vaker genoemd als vervangende brandstof voor aardgas. Dat betekent dat men in de toekomst geen aardgasgestookte cv-ketels gaat gebruiken maar zogenaamde waterstofketels. Een aantal vragen kunnen dan ontstaan.

Allereerst de vraag of waterstof wel gebruikt kan worden in een cv-installatie. Het antwoord op deze vraag is ‘ja’. Waterstof kan worden gebruikt voor een cv-installatie alleen moet men dan wel een andere ketel gebruiken. De waterstofketel is speciaal ontworpen voor het verstoken van waterstof in een cv installatie. Dan is er natuurlijk nog de vraag of een aardgasgestookte cv-installatie kan worden omgebouwd tot waterstofketel. Deze vraag wordt in de volgende alinea behandeld.

Aardgasgestookte cv-ketels ombouwen tot waterstofketels

Aardgas is een fossiele brandstof en waterstof is een brandbaar gas dat men kan produceren. Beide brandstoffen kunnen worden gebruikt om cv-leidingwater te verwarmen. Toch is er wel een duidelijk verschil. Zo heeft waterstof een hogere verbrandingssnelheid dan aardgas. Dat is een aspect dat er voor zorgt dat men een aardgasgestookte cv-ketel niet kan gebruiken voor het verstoken van waterstof. Er zullen een aantal componenten moeten worden veranderd.

Componenten vervangen
Allereerst moeten de branders van de cv-ketel worden vervangen door branders die zijn ontworpen voor het verstoken van waterstof. De dichtheid van waterstof is ook anders evenals de vlamtemperatuur die hoger is. Om die reden moet de gebruikelijke aardgasgestookte cv-ketel verschillende aanpassingen ondergaan. Dat zorgt er voor dat het in de toekomst bijna ondoenlijk is om alle aardgasgestookte cv-ketels om te bouwen tot waterstofketels. Om die reden worden steeds vaker ketels in woningen gebouwd die voor aardgas en waterstof geschikt zijn. Deze ketels zijn alvast geplaatst voor het geval we in Nederland geen aardgas meer gaan gebruiken maar waterstof.

Is een waterstofketel de oplossing?
Toch is het nog maar de vraag of waterstof daadwerkelijk gebruikt gaat worden als vervangende brandstof voor aardgas om woningen te verwarmen. Om die reden wordt nog gewacht met de grote klus om alle woningen in Nederland te voorzien van een cv-ketel die ook als waterstofketel kan worden gebruikt. Het grote voordeel is wel dat er niet heel veel aanpassingen hoeven te worden gedaan aan het aardgasleidingnetwerk. In principe zou men ook door deze leidingen waterstof naar waterstofketels kunnen transporteren. Toch is waterstof niet de perfecte oplossing. Aardwarmte en warmtepompen zijn veel betere oplossingen omdat deze duurzamer zijn en woningen zelf in hun eigen energie kunnen laten voorzien zoals bij nulwoningen, balanswoningen en passiefhuizen het geval is.

Proef met waterstofketels

Verschillende installatiebedrijven doen in Nederland echter al mee aan projecten waarin woningen worden gebouwd die doormiddel van waterstof verwarmd worden. Deze projecten kunnen een voorproefje zijn van de toekomst. Door projecten te bouwen met waterstofketels raken mensen meer met het idee vertrouwt en kunnen ze in de toekomst hun ervaringen met waterstofketels delen in de social media. Dat kan er voor zorgen dat de acceptatie en populariteit van waterstofketels toeneemt.

Wat is een waterstofketel?

Een waterstofketel is een centraleverwarmingsketel waarin waterstof wordt verbrand in plaats van aardgas. Waterstofketels kunnen een belangrijke rol spelen in het aardgasvrij bouwen en wonen in Nederland omdat deze ketels zijn aangesloten op het aardgasnetwerk maar geen gebruik maken van aardgas als brandstof. Waterstofketels hebben namelijk andere branders dan de standaard centraleverwarmingsketels waarin laagcalorisch aardgas wordt verstookt. Bovendien is het ook technisch mogelijk om op waterstof te koken.

Waterstof transporteren naar woningen
Dat betekent dat men in de toekomst geen aardgas meer nodig heeft en waterstof zou kunnen distribueren via het leidingnetwerk dat werd gebruikt voor aardgas. De infrastructuur van deze leidingen is in Nederland al aanwezig en dat bespaart kosten en enorm veel werk. Volgens experts in de installatiebranche zijn er geen grote kostbare aanpassingen nodig voor het aardgasleidingnetwerk om deze geschikt te maken voor waterstof.
Er zullen wel aanpassingen gemaakt moeten worden aan de cv-ketels. Een waterstofketel is noodzakelijk om waterstof te kunnen verbranden. Ook zijn er ketels ontwikkeld die waterstof en aardgas kunnen verbranden. Deze ketels worden steeds vaker in woningen geplaatst zodat men klaar is voor de toekomst als waterstof daadwerkelijk zal worden getransporteerd door de huidige gasleidingen.

Wat is waterstof?
Waterstof is een brandbaar en explosief gas en heeft voordelen ten opzichte van aardgas. Waterstof is namelijk geen fossiele brandstof zoals aardgas. Dat maakt deze brandstof voor cv-installaties duurzamer. Waterstof kan bovendien geproduceerd worden en kan daardoor praktisch niet op raken. In tegenstelling tot de zon, waterkracht en de wind is waterstof geen energiebron maar een energiedrager. De energie moet dus uit het waterstof worden gehaald. Voordat dit gebeurd moet waterstof worden geproduceerd. Waterstof kan uit aardgas worden gehaald maar daarbij komt CO2 dat is dus niet wenselijk als men de CO2 emissie wil reduceren.

Er zijn ook andere middelen om waterstof te verkrijgen bijvoorbeeld doormiddel van elektrolyse. Deze techniek wordt gebruikt om waterstof te winnen uit water. Doormiddel van elektrolyse wordt het water in waterstof en zuurstof gesplitst. Daarbij komt geen schadelijke uitstoot vrij maar er is wel een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit nodig om dit proces uit te voeren. Deze elektrische stroom moet duurzaam worden opgewekt uit energiebronnen zoals windkracht, waterkracht en zonlicht. Als men dat weet te realiseren kan met de productie van waterstof duurzaam maken.

Waterstofketel is geen aardgasketel
De gebruikelijke cv-ketels zijn in feite aardgasketels omdat er aardgas in wordt verstookt. Waterstofketels hebben een andere brander in de ketel. Dat zorgt er voor dat de huidige ketels grotendeels vervangen zullen moeten worden door waterstofketels of door ketels die waterstof en aardgas kunnen verstoken. Als men echter een waterstofketel gebruikt hoeft men de leidingen en radiatoren van de cv-installatie niet aan te passen. Deze onderdelen transporteren warm water en geven doormiddel van confectie de warmte af aan de omgeving. Het maakt dan feitelijk niet uit of dit warme water wordt gerealiseerd door een aardgasgestookte cv-ketel of een waterstofketel die wordt gebruikt als cv-ketel. In de toekomst zullen daardoor in steeds meer woningen verwarmingsinstallaties worden geplaatst die zijn voorzien van een waterstofketel of een gecombineerde ketel die aardgas en waterstof kan verstoken. Op die manier is Nederland klaar voor de energietransitie in de cv-installatie.

Wat is syngas of synthesegas?

Syngas of synthesegas is een gasmengsel dat bestaat uit waterstofgas en koolstofmonoxide, het wordt verkregen doormiddel van een speciaal vergassingsproductieproces. Door steenkool of biomassa te vergassen komt dit syngas vrij. Dit gas is duurzaam omdat het geproduceerd kan worden in tegenstelling tot aardgas dat een fossiele brandstof is. In Amerika past men het Transport Integrated Gassification (TRIG) toe als proces om syngas te verkrijgen. Tijdens dit proces kan men bij een lagere temperatuur vergassen.

Fischer-Tropsch-proces
Doormiddel van het Fischer-Tropsch-proces kunnen uit syngas synthetische koolwaterstoffen worden geproduceerd. Het Fischer-Tropsch-proces werd in het verleden door Duitsland in de Tweede Wereldoorlog gebruikt om motorbrandstoffen te maken. In de Tweede Wereldoorlog had Duitsland te maken met een tekort aan olie. Daarom moest men naar andere brandstoffen zoeken. Zo is het Fischer-Tropsch-proces in de jaren twintig in de crisisjaren voor de Tweede Wereldoorlog ontstaan.

Tijdens het proces wordt koolstofhoudende brandstof, zoals steenkolen, zuurstofarm verbrand waarbij ijzer als katalysator wordt gebruikt. Door deze partiële oxidatie ontstaat koolmonoxide. Door het toevoegen van stoom aan dit proces en het transporteren van het gas langs de ijzer-katalysator ontstaat er, als men het eindproduct zuivert, een gasmengsel van koolmonoxide en waterstof synthesegas. Dit gas wordt ook wel syngas genoemd. Het proces noemt men ook wel reforming of de methaan-stoom-gasreactie.

Steenkooldiesel
Syngas is dus een synthesegas, een kunstmatig geproduceerd brandbaar gas. Hieruit kunnen synthetische koolwaterstoffen geproduceerd worden. Deze stoffen vormen de basis van steenkooldiesel en andere producten. Er zijn nog verschillende andere mogelijkheden die doormiddel van het Fischer-Tropsch-proces onderzocht kunnen worden. Er wordt bijvoorbeeld nog onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om uit water (H2O) en CO2 met behulp van zonne-energie brandstof te maken doormiddel van de Fischer-Tropsch methode. Op die manier kan men op een duurzame manier brandstoffen verkrijgen.

Door CO2 opnieuw te gebruiken kan men de CO2 emissie beperken al zal bij het verbranden van de brandstof altijd opnieuw CO2 vrij komen. Dat zou men kunnen oplossen door CO2 af te vangen. Ook het afvangen van CO2 is een proces dat nader onderzocht wordt. De vraag is dan natuurlijk wat men met het opgevangen CO2 moet doen. Als deze CO2 weer in combinatie met water doormiddel van de Fischer-Tropsch tot nieuwe brandstoffen zou kunnen worden verwerkt is men effectief bezig met het recyclen van CO2 en maakt men forse stappen in een circulaire economie.

Wat betekent cryogeen en wat zijn cryogene experimenten?

Cryogeen kan letterlijk worden vertaald met koud makend. Met het woord cryogeen maakt men duidelijk dat er werkzaamheden of experimenten worden verricht bij zeer lage temperaturen. Als men cryogene experimenten uitvoert  zal men daarvoor speciale stoffen moeten gebruiken. Deze stoffen hebben meestal de eigenschap dat ze een laag kookpunt hebben. Een aantal vloeistoffen  die hierbij aan de orde kunnen komen zijn:

  • Distikstof wordt ook wel stikstofgas genoemd of moleculaire stikstof: kookpunt 77 K (-196 Graden Celsius/ °C).
  • Diwaterstof, ook wel bekend onder de naam waterstof en waterstofgas: kookpunt 20K (-252,87 Graden Celsius/ °C).
  • Helium: kookpunt 4.2K/ 4.3 K of (- 268,9 Graden Celsius/ °C).

Vloeibare stikstof is niet heel kostbaar en is daarom zeer geschikt om te gebruiken voor verschillende experimenten. Vloeibare helium wordt minder gebruikt omdat het duurder is en daarnaast is het minder geschikt om te transporteren vanwege de veel lagere verdampingswarmte die hoge eisen stelt aan de isolatie tijdens het transport. Vloeibare helium wordt daarom alleen ingezet bij specifieke experimenten waarbij een extreem lage temperatuur nodig is. In dat geval wordt vloeibare helium ter plekke uit heliumgas gemaakt.

Waarom worden cryogene experimenten uitgevoerd?
Bij lage temperaturen bewegen atomen veel minder snel. Daarom worden veel wetenschappelijke experimenten cryogeen uitgevoerd. Daarnaast worden de geleidende eigenschappen van materialen beter als de temperatuur wordt verlaagd. Supergeleiders hebben een zeer geringe weerstand tegen elektrische stroom maar moeten daarvoor wel in een zeer koude toestand worden gebracht. Bij lage temperaturen treed er minder ‘ruis’ op in elektronische circuits. Verder kunnen sommige stoffen in supervloeibare staat worden gebracht indien men experimenten cryogeen uitvoert.

Liquefied of liquid natural gas lng
Lng is een afkorting die staat voor liquid natural gas/ liquefied natural gas. Dit mengsel wordt in het Nederlands ook wel vloeibaar aardgas genoemd. Lng is een mengsel dat hoofdzakelijk bestaat uit methaan. Daarnaast kunnen ook mogelijk restgassen aanwezig zijn in het mengsel. Deze restgassen kunnen bijvoorbeeld ethaan, propaan of stikstof zijn. Aardgas wordt in vloeibare staat getransporteerd. Dit gebeurd onder cryogene temperaturen. Bij normale druk wordt methaan vloeibaar bij cryogene temperaturen van ca. -162°C. Het volume van lng is 600 maal geringer dan aardgas bij een normale atmosferische druk en temperatuur. Door deze volumereductie is lng geschikt om te transporteren bijvoorbeeld over zee met in lng-tankers.

Wat is een benzinemotor of mengselmotor?

Een benzinemotor is een verbrandingsmotor. Deze motor verricht mechanische arbeid door het verbranden van de brandstof benzine. De meeste benzinemotoren bevatten cilinders met zuigers. Motoren die zuigers bevatten worden ook wel zuigermotoren genoemd. Het aantal zuigers verschilt per type zuigermotor. Er zijn zuigermotoren die volgens het tweetaktprincipe werken en er zijn zuigermotoren die bijvoorbeeld werken op een viertaktprincipe. De laatste wordt ook wel de ottomotor genoemd naar de ontwerper Nikolaus Otto die deze motor in 1876 uitvond. Naast de hiervoorgenoemde motoren zijn er ook wankelmotoren. Deze motoren werken over het algemeen ook op benzine.

Mengselmotoren
Vrijwel alle benzinemotoren zijn mengselmotoren. Op een aantal oude motoren na zijn tegenwoordig alle mengselmotoren die worden geproduceerd bedoelt voor het verbranden van benzine. Om deze reden worden benzinemotoren ook wel mengselmotoren genoemd en andersom. De meeste benzinemotoren kunnen naast benzine ook op andere brandstoffen werken. Hierbij kan gedacht worden aan lpg, waterstof en ethanol. Hiervoor moeten echter wel een aantal aanpassingen worden aangebracht.

Het brandstofmengsel dat deze verbrandingsmotor bevat wordt in de cilinder gebracht. De bobine levert de bougie een hoogspanning waardoor deze gaat vonken. De vonk brengt het brandstofmengsel tot ontsteking waardoor een soort explosie ontstaat. Deze explosie zorgt voor druk. Deze druk brengt de zuiger in de cilinder naar beneden. De zuiger brengt de krukas in beweging.