Forumavond ‘Waterstof’

Forumavond 3 maart 2022

WATERSTOF

Waterstof als duurzame energiedrager is nog steeds een buitenbeentje in het huidige energiedebat, in de schaduw gesteld door zon en wind. Waterstof zou het niet halen qua rendement, kostprijs, veiligheid en gebruiksgemak. Deze forumavond zet op overtuigende wijze enkele misverstanden recht door nieuwe productiemethoden van groene waterstof voor te stellen. Het potentieel als medium voor energieopslag in de industrie en de transportsector en als koolstofvrije bron voor de warmtevraag van huishoudens wordt aangetoond.

HENDRIK VAN BRUSSEL

De hybride forumavond vond plaats op de KU Leuven Campus Carolus, een van de drie sites van KU Leuven in Antwerpen. Flora Carrijn, academisch beheerder van Campus Antwerpen, gaf een interessante inkijk in de rijke geschiedenis van de instellingen die aan de basis liggen van de huidige Campus Antwerpen. De campussen van KU Leuven in Antwerpen liggen in het historische en bruisende hart van de stad. Op Campus Carolus verzorgt de Faculteit Economie en Bedrijfsweten schappen haar onderwijs en onderzoek. De Faculteit Letteren is in Antwerpen gevestigd op Campus Sint-Andries en Campus Sint-Jacob. In totaal studeren 2 000 studenten op Campus Antwerpen.

WATERSTOF HEEFT ALLES OM TE SCOREN

Isabel François, actief in WaterstofNet, zette de toon met haar presentatie over mogelijkheden en uitdagingen van waterstof. WaterstofNet verenigt de waterstofindustrie in Vlaanderen en het zuiden van Nederland. Het is partner van de Vlaamse en Nederlandse overheden in de realisatie van hun waterstof doel stellingen. WaterstofNet coördineert de Waterstof Industrie Cluster in België en Nederland. Waterstof (met brandstofcel) heeft een veel hogere energiedichtheid per massa-eenheid dan elektrische batterijen, maar een heel lage energiedichtheid per volume-eenheid. Dit laatste noodzaakt opslag onder hoge drukken (80 -700 bar), of in vloeibare vorm bij lage temperatuur (-253 °C).

WATERSTOF MET EEN KLEURTJE

Naargelang de productiemethode spreekt men van grijze, blauwe en groene waterstof. Grijze waterstof wordt gewonnen uit aardgas of kolen, waardoor bij de productie CO2 vrijkomt in de atmosfeer. Ook voor blauwe waterstof zijn aardgas of kolen de grondstof. De vrijgekomen CO2 wordt afgevangen en opgeslagen, waardoor blauwe waterstof CO2-neutraal is. Groene waterstof wordt gemaakt met energie uit duurzame bronnen, zoals zon- en windenergie. Door elektrolyse wordt water gesplitst in waterstof en zuurstof. Naast de hierboven vermelde productiemethodes verdient de directe omzetting van zonlicht in waterstof via ‘foto-elektrolyse’ vermeld te worden. Waterstof wordt geproduceerd in een zonne paneel vanuit water dat uit de lucht opgenomen wordt.

Momenteel wordt waterstof in de industrie gebruikt voor een totaal jaarlijks energiebedrag van 336 TWh, verdeeld over raffinage (153), ammoniaproductie (129), methanolproductie (27), in de proces industrie, zoals thermische behandeling en lassen van metalen (13) en in vloeibare vorm (raketbrandstof, voertuigbrandstof en in de halfgeleiderindustrie) (14). In de toekomst ziet men waterstof in toenemende mate toegepast voor ontzwaveling van fossiele brandstoffen en de bereiding van meststoffen, maar ook als vervanger van aardgas voor verwarming, in de staalproductie als vervanger van cokes, en als grondstof voor de bereiding van chemicaliën en synthetische brandstoffen. Verschillende projecten, met meerdere grote spelers in de energiesector, zijn actief rond Antwerpen voor de productie van duurzame methanol en voor de geleidelijke vervanging van aardgas door waterstof in een warmtekrachtkoppeling (WKK)-omgeving.

WAT DENKT DE INDUSTRIE?

De transportsector is vragende partij voor de vervanging van klassieke brandstoffen door waterstof. Op het spoor als nul-uitstoot alternatief voor dieseltreinen. Op het water zijn pilootprojecten voor ferry’s en de binnenvaart in voorbereiding. Voor de zeevaart kan vloeibare waterstof of ammonia als waterstofdrager als hogedicht heid brandstof fungeren, waardoor het verlies aan laadcapaciteit beperkt kan worden.

Zelfs in de lucht biedt waterstof opportuniteiten, al is de uitdaging daar veel groter. Voor korte vluchten wordt geëxperimenteerd met waterstof in vloeibare vorm als brandstof voor gasturbines of brandstofcellen. Voor intercontinentale vluchten denkt men aan synthetische kerosine, eerder gemengd met fossiele kerosine, om de vereiste hoge dichtheid te realiseren.

In de energiesector gaat de aandacht naar het ‘ontkolen’ van het aardgasnet, door het bijmengen van waterstof in het bestaande gasnet of door het gebruik van synthetisch methaan bekomen uit groene waterstof.

De ‘BatHyBuild study’, uitgevoerd door KU Leuven en WaterstofNet, had als doel meer licht te werpen op de mogelijkheden van waterstof in gebouwen voor verwarming/afkoeling. Het gebruik van waterstof in gebouwen wordt interessant als volgende voorwaarden vervuld zijn: beschikbaarheid van 100% groene energie, van de invoer van betaalbare waterstof en van verdeelnetten voor waterstof.

Het transport van hernieuwbare elektriciteit vanuit gebieden met ideale productievoorwaarden, via pijpleidingen of schepen, met als energiedragers vloeibare waterstof, ammonia, methanol, wordt grondig onderzocht, o.a. door België, dat contracten afsluit met Oman, Chili en Namibië voor de import van groene waterstof.

De Belgische zeehavens ontwikkelen grote projecten. Het Hyoffwindproject brengt de haven van Zeebrugge samen met Eoly en Parkwind voor het bouwen van een vermogen-tot-waterstofproject op industriële schaal. DEME bouwt in Oostende een groenewater stof fabriek. De haven van Antwerpen bouwt aan een vermogen-tot-methanolfabriek.

WAT DOEN DE OVERHEDEN?

Met haar Renewable Energy Directive (RED III) herziet de EU haar doelstellingen voor 2030: van 32 naar 40% hernieuwbare energie in de energiemix. Specifieke subdoelen worden gesteld voor het gebruik van hernieuwbare energie uit waterstof en voor hernieuw bare brandstoffen van niet-biologische oorsprong in moeilijk-teontkolen sectoren: 50% in de industrie in 2030, 2,6% in 2030 in transport, 13% broeikasgasreductie in transport in 2030.

Vlaanderen wil met zijn waterstofvisie Europese koploper zijn via duurzame innovatie. Het trekt hiervoor 120 miljoen euro uit voor vijf projecten. De Belgische Federale Waterstofvisie (Figuur 1) steunt op de vaststelling dat de waterstofvraag in België in 2030 tussen de 2 en 6 TWh zal bedragen en tegen 2050 100-165 TWh. Wegens de beperkte lokale productie voorziet men tegen 2026 de uitbouw van een waterstofdistributienetwerk, met een verbinding met de buurlanden tegen 2030 en de latere integratie met de Europese waterstofruggengraat.

RECHTSTREEKS VAN ZON NAAR WATERSTOF

Johan Martens, Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse KU Leuven, voert ons mee langs nieuwe groene methodes voor waterstofproductie via chemische weg, op zoek naar een CO2neutrale wereld. De wereld heeft zowat 20 TW vermogen nodig. Koolzaad kan maximaal 7 TW leveren, waterkracht ook 7, getijden 6, geothermie 44, wind 72, de zon 85000 TW, een paar ordes van grootte meer dan de rest.

Er zijn twee methodes om groene waterstof te maken: de on recht streekse methode vanuit groene elektriciteit (E-H2) (wind en zon + elektrolyse) en de rechtstreekse methode direct van het zonlicht (S-H2) (Figuur 2). Deze rechtstreekse methode gebruikt foto-elektrochemische toestellen (PEC) bestaande uit zonne panelen met meer-lagen zonnecellen die het water splitsen met rendementen tot 19%. In het gelauwerde Solhyd-project van Johan Martens wordt waterdamp uit de lucht rechtstreeks gecapteerd. De efficiëntie van dat proces is afhankelijk van de zonintensiteit, de relatieve luchtvochtigheid en de omgevingstemperatuur (Figuur 2).

De Solhyd-panelen bieden een aantal voordelen. Er komen geen vloeistoffen in voor. Ze zijn modulair uitvoerbaar: gewoon panelen toevoegen volstaat. De exploitatiekost is voorspelbaar, onafhankelijk van stroom- en waterkost. Voor de zonnecellen zijn geen edelmetalen of dure componenten nodig. Het TRL (Technology Readiness Level) ligt momenteel op 5-6. De S-H2 technologie (zonhydrogene panelen) doorstaat met glans de vergelijking met E-H2 (windenergie + elektrolyse), met opbrengsten van respectievelijk 1183 ton H2/jaar en 364 ton H2/jaar, voor 1km2 zonnepanelen of 4 windmolens (die ongeveer 1 km2 nodig hebben). Opslag en transport van waterstof gebeuren normaal in gekoelde vaten. IJs kan dat even goed en zelfs veel beter. Clathraten zijn daar goede kandidaten voor. Een clathraat is een chemische stof in roostervorm die in staat is om andere moleculen in te sluiten. Clathraathydraten zijn clathraten waarin het gastheerrooster water/ijs is en de gastmolecule een gas, in ons geval waterstof. Een clathraat kan vijftig keer meer energie opslaan dan een batterij van hetzelfde gewicht.

Figuur 2. Rechtstreeks van zon naar waterstof (a), Solhyd, een unieke methode om S-H2 te realiseren (b)

Figuur 3. Zo werkt een brandstofcel

WATERSTOFBUSSEN ZIJN IN

Geert Van Hecke, Hoofd Verkoop Publiek Transport bij Van Hool, bespreekt Van Hools elektrificatie-inspanningen op zijn bussen in al hun vormen. Van Hool, met productiesites in België en NoordMacedonië, is een van de belangrijkste Europese bouwers van lijnbussen, reisbussen en industriële voertuigen. De productie van e-bussen (hybride, batterij, trolley, brandstofcel) ging in exponentieel stijgende lijn, van 2 319 eenheden in 2012 tot 7 478 in 2020), tot in 2020 covid stokken in de wielen stak. Van Hool heeft resoluut gekozen voor technologieneutrale nuluit stootoplossingen. Drie technologieën, verenigd in het Van Hool gamma ‘EXQUI.CITY’, werden geadopteerd: batterij-elektrisch met oplading via trolley tijdens de rit (TROLLEY-IMC), batterijelektrisch met oplading in de stelplaats en elektrisch via brand stofcel (Figuur 3). Verder worden nog hybride oplossingen aangeboden: elektrisch platform + Hydrotreated Vegetal Oil (HVO) Diesel (58 voertuigen in Trondheim), Biogas hybride met start-stop (13 voertuigen in Nîmes). Brandstofcelbussen (kort: waterstofbussen) nemen een snel toenemend part in van de e-bussentaart van Van Hool (Figuur 4). Al 175 waterstofbussen werden verkocht, met meer dan 10 miljoen gereden kilometer. De vervolgbestellingen spreken voor het stijgend succes: Groningen 2 (in 2017) + 30 (in 2020), Keulen 2 (in 2014) + 35 (in 2019), Pau 8 (in 2019) + 4 (in 2021).

Waarom waterstofbussen? Stel- en laadplaats liggen dicht bijeen op een vaste plek en er is minder ruimte nodig omdat bus per bus geen gelijktijdige verbinding met het net moet gemaakt worden. Een waterstofbus kan op acht à tien minuten geladen worden, terwijl een batterijbus hiervoor één uur nodig heeft bij snelladen @800 kW of 5u @80 kW. Een waterstofbus levert 50% meer energie dan een vergelijk bare batterijbus. Bovendien levert de brandstofcel van de waterstofbus aanvullend 300 kWh thermische energie die gebruikt kan worden voor de verwarming van de bus.

EPILOOG

De forumavond heeft aangetoond dat groene waterstof op weg is om volwaardig zijn plaats in te nemen naast, en geholpen door, zon en wind in de evolutie naar technologische artefacten met nuluitstoot, op elke schaal en in elk domein van de menselijke bedrijvigheid.