In een vorige blog heb ik een van de moleculen behandeld die in één adem wordt genoemd met de energietransitie of klimaatdoelstellingen, namelijk CO2. Dit keer komt een ander molecuul aan bod dat veelvuldig in het nieuws komt: waterstof.

Waterstof (H2) (engels: hydrogen en niet waterdust wat ik iemand eens heb horen zeggen…), is het lichtste molecuul dat we kennen en bestaat uit twee waterstofatomen, met elk één proton en één elektron. Het is bij kamertemperatuur en atmosferische druk een reuk- en geurloos gas. Omdat het zo licht is heeft waterstofgas bij atmosferische condities een lage energiedichtheid per volume-eenheid (liter of m3). Maar per gewichtseenheid heeft waterstof wel een hoge energiedichtheid: 1 kg waterstof bevat ongeveer 120 megajoule (MJ) energie ten opzichte van 45 MJ voor 1 kg aardgas.


Een waterstofmolecuul bestaat uit twee protonen en twee electronen

Gekleurde waterstof

In de blog Waterstof: verkrijgbaar in alle kleuren van de regenboog kan je lezen hoe waterstof gemaakt kan worden.

Verreweg het grootste deel wordt nu en voorlopig nog gemaakt via Steam Methane Reforming (SMR) in een reaktor onder hoge temperatuur. Als voeding wordt vaak aardgas gebruikt.

CH4 + H2O <-> CO + 3 H2 

Het thermodynamische evenwicht verschuift naar rechts (meer waterstof) bij hogere temperaturen.

Om de hoeveelheid waterstof te verhogen vinden nog twee extra stappen plaats: de hoge en lage temperatuur shift reacties.

CO + H2O <-> CO2 + H2

Dit wordt gesplitst omdat het thermodynamisch evenwicht naar de kant van waterstof optimaal is bij lagere temperatuur, maar de reaktiesnelheid (kinetiek) heeft juist baat bij een hogere temperatuur.
De gevormde CO2 wordt geabsorbeerd met een amine oplossing onder lage temperatuur en hoge druk en in een stripperkolom onder lage druk en hogere temperatuur weer van de amine afgestript. De schone amine (lean amine) wordt dan weer in de absorber gebruikt om weer CO2 te kunnen absorberen. De vrijgekomen, geconcentreerde, CO2 kan idealiter worden opgewerkt en hergebruikt, ondergronds worden opgeslagen (CCS) of naar de atmosfeer worden afgelaten. Dat laatste is natuurlijk zeer ongewenst omdat CO2 een sterk broeikasgas is. Het Porthos project waar in Rotterdam aan gebouwd wordt, zal de route van CO2 opslag naar een ondergrondse opslag een stuk realistischer maken.

De opslag van waterstof

Aangezien waterstof per volume-eenheid zo’n lage energiedichtheid heeft, zal voor een efficiënte opslag de dichtheid sterk verhoogd moeten worden. Dit kan door het onder hoge druk op te slaan (~ 700 bar) of het vloeibaar te maken en onder koude (cryogene) temperaturen te bewaren (~ -270 ˚C). Beide manieren kosten natuurlijk ook weer energie.

Vloeibaar maken van waterstof

In de media wordt heel eenvoudig gesproken over het vloeibaar maken van waterstof, om het bijvoorbeeld in het weg- of scheepvaartvervoer te kunnen gebruiken. Maar in dit proces zitten wel wat addertjes onder het gras.

De kern van het waterstofatoom (de proton) staat niet stil, maar roteert. Als in een waterstofmolekuul de protonen in dezelfde richting draaien, heet dat ortho-waterstof. Draaien ze in tegengestelde richting dan heet dit para-waterstof. Bij kamertemperatuur is de verhouding ortho/para waterstof ongeveer 25/75. Bij de temperaturen waarbij waterstof vloeibaar wordt en wordt opgeslagen, zeg -273 ˚C ligt de verhouding (het thermodynamische evenwicht) op >99% para. En nu de adders…als je waterstof vloeibaar maakt krijg je een mengsel dat ongeveer de samenstelling heeft van waterstof bij kamertemperatuur. Maar bij de lage temperatuur zullen de moleculen in de loop der tijd, spontaan, naar hun evenwichtssituatie gaan bij die temperatuur. Dus van ortho naar (bijna alleen maar) para. Dit is een exotherme reactie waarbij dus warmte vrijkomt. En die warmte zorgt ervoor dat een groot deel van de waterstof weer gaat verdampen en daarmee verloren gaat.

Ortho (bovenste plaatje) en para (onderste plaatje) waterstof

Werk aan de winkel dus…

In een vloeibaar waterstof plant wordt de waterstof in verschillende stappen afgekoeld en omgezet van ortho naar para over een katalysator. Een opmerkelijk verschijnsel want een katalysator in een chemische reaktie heeft effect op de elektronen in de buitenste elektronenschillen. Maar deze katalysator werkt dus fysisch en richt zich op de kern van het atoom. Tijdens zo’n stap wordt de reaktiewarmte dan afgevoerd en zo wordt de natuur een handje geholpen om tot vloeibaar waterstof te komen dat op evenwichtsconcentratie zit en daarmee de verdamping tot een minimale hoeveelheid is verlaagd.

Hoeveel waterstof is er nodig?

Momenteel is de totale Nederlandse waterstofbehoefte per dag is ~6000 ton. Maar dit kan snel meer worden als we overgaan op een waterstofeconomie.

De grootste groene waterstofplant ter wereld wordt op de Maasvlakte gebouwd en heeft een capaciteit van ~60 ton/dag. Dit is dus nog maar 1% van de dagelijkse behoefte. Verder is er op dit moment nog maar één vloeibaar waterstofplant in Nederland operationeel die een capaciteit heeft van ~6 ton/dag. Dus willen we die eerste groene waterstof vloeibaar maken, dan zijn er al 10 van dit soort plants nodig. Elk begin is moeilijk, maar ik hiermee wel relativeren hoe makkelijk er over dit soort zaken wordt gesproken. Tijd voor actie!

Heb jij een mening hierover? Tip dan de redactie, dan kunnen we er een blog over schrijven of kunnen we erop reageren en kunnen we er allemaal wat van leren.