Waterstof gaat ons redden

Dat is de boodschap die de visionairen ons al jaren op de mouw proberen te spelden. Politiek en media (niet gehinderd door enige kennis van zaken) springen er iedere keer bovenop en het ene idiote plan is nog niet uitgewerkt of het volgende staat al weer op stapel. Men weet niet waar men het over heeft. En dat alles, om NU maar geen beslissingen te hoeven nemen. Om NU maar geen analyse te hoeven maken. Om NU maar geen stemmen te hoeven verliezen bij de verkiezingen. Daarom spelen we NU dommetje.

Waterstof is inderdaad een schone brandstof. Het afvalgas is stoom. In theorie kan je de uitlaatgassen van een waterstof auto drinken (als ze afgekoeld zijn) maar ik zou het niet doen, want er komen gegarandeerd olie en metaalresten mee ten gevolge van slijtage en smering.

Waterstof is ook een hoog energetische stof. Verbranding ervan produceert warmte en druk (door de hete gassen). De verbranding gaat als volgt:

      2 H2 + O2  -->  2 H2O                  (+ 250 kJ per mol)
   
Ik denk dat dit de best bekende reactie vergelijking ter wereld is. Zeker tegenwoordig. Maar of we ons er zo gerust op mogen stellen weet ik nog niet en dat ga ik hieronder verder toelichten.

Knalgas

Ik ben scheikundige. En ik heb bijna 3 jaar gewerkt bij Ushio, alwaar alle branders en de grote oven werden gestookt op knalgas, de andere naam voor een 2:1 mengsel van waterstof en zuurstof. En dat gas heet niet voor niks 'knalgas'. In duitse en nederlandse technische literatuur wordt een correct mengsel van waterstof en zuurstof vrijwel altijd als 'knalgas' aangeduidt. Hier wat bewijsstukken:

Het stukje over de waterstof auto is kort en illustratief. Dit stuk is uitgebreider.

De reden dat een Waterstof/zuurstof mengsel 'knalgas' genoemd wordt is makkelijk: waterstof is extreem explosief. Het brandt met zowat alle oxidatoren. Met zuurstof al helemaal goed. Een mengsel van waterstof en zuurstof knalt vrijwel altijd, ongeacht de mengverhouding. Alleen 100% pure waterstof explodeert niet als er een vlam of vonk bijkomt. Maar vanaf 4% zuurstof is het raak: een indrukwekkende ZENG knal, gevolgd door glasscherven is het resultaat.
Op school doet de leraar wel eens een proefje met een reageerbuis met knalgas en er dan een vonk bijdoen. Een LUIDE knal gaat door de klas. De branieschoppers achterin de klas zitten er al op te broeden om datzelfde een keer te doenmet een MELKFLES. Hun geluk is, dat ze geen knalgas kunnen maken want anders zouden ze erbij omkomen. Een melkfles knalgas geeft zo'n explosie dat het naderhand lijkt alsof er een handgranaat afgegaan is.

Hoe wordt waterstof NU gemaakt?

Da's makkelijk: waterstof wordt gemaakt uit aardgas. Uit 50 liter aardgas komt 100 liter waterstof. Dat lijkt een goede deal, maar is het niet. En waar ging het ook weer om? Het ging erom dat we geen gebruik meer wilden maken van olie en gas, en wat doen we dan? Dan gaan we waterstof maken uit olie en gas... Dit kan alleen een visionair of een politicus bedenken. Dit is het paard ondersteboven achter de wagen spannen.

      CH4  +  2 H2O  + 1100 °C  -->  CO2  +  4 H2
   
Dit is een domme reactie. Uit politieke redenen mag het koolstof niet gebruikt worden in verband met het broeikas effect. Maar ondertussen gooien we de verbrandingswarmte van het koolstof wel mooi zo door het putje. Ook kost het afsplitsen van waterstof uit aardgas veel energie. Het proces loopt pas lekker bij ca 1100 °C.
      CH4  +  2 O2  -->  CO2  +  2  H2O  + energy
   
Dit is wat er in je CV ketel gebeurt. Waterdamp en koolzuur worden uitgeblazen en de warmte wordt in je huis gepompt. Als je op basis van aardgas iets schoons wilt doen, moet je het als zodanig gebruiken en niet via de heilloze omweg van waterstof.

De goede manier van waterstof maken

De makkelijkste manier om waterstof te maken staat hierboven: door aardgas (beter: methaan) te verhitten met stoom. Zoals al gezegd: een domme manier om brandstof te maken voor een voertuig dat ook direct op methaan zou kunnen rijden. In Tilburg rijden een paar bussen rond met een methaanmotor. Dus dan kan je jezelf de omweg via waterstof besparen.

Er is eigenlijk maar 1 goede manier om waterstof te maken, als dat gebruikt moet worden als brandstof voor het wegverkeer. Er zijn dan immense hoeveelheden nodig, dus je zou er niet eens komen met de methaanmethode. Die manier is het electrisch splitsen van water. Hierboven staat een plaatje voor een thuis experiment.

Zoals bekend bestaat water uit twee atomen waterstof en 1 atoom zuurstof. Als je water in een bakje doet met twee potloden erin (zie plaatje) en je sluit een 9 Volt blokje op de potloden aan, dan krijg je dampbellen rond de onderste punten. Aan het ene potlood is dat waterstof en aan het andere is dat zuurstof. Dit proces heet 'electrolyse'. Op gegeven moment komen de gasbellen los van de potloden en er vormt zich een laag knalgas boven de vloeistof. Op dit pricipe berust de grootschalige productie van waterstof. En om te voorkomen dat ook daar knalgas wordt gemaakt (gevaarlijk en moeilijk te scheiden) wordt er met een U-vormige buis gewerkt met aan iedere kant een electrode (een soort potlood maar dan groter). Het waterstof komt dan altijd aan de ene kant en het zuurstof aan de andere kant.

In een sterk vereenvoudigde en feitelijk incorrecte reactie vergelijking gebeurt er dit:

        H2O     -->   2 H+  +  O2-
      
4 H+  +  4 e-   -->   2 H2 gas
        2 O2-   -->     O2 gas  +  4 e-
   

Electrolyse

Met de electrolyse van water kunnen we dus relatief makkelijk aan waterstof komen. Het proces lijkt schoon en simpel. Dat is natuurlijk niet zo, maar vergeleken met een olieraffinaderij is een fabriek al gauw schoon.
Industriele electrolyse gaat natuurlijk in immense proces installaties. Toch zal dit proces niet zonder risico's zijn. Waterstof blijft een gevaarlijk gas. Een electrolyse plant zal dus nooit nabij een stad geplaatst kunnen worden. Alleen verlaten plaatsen met voldoende hoeveelheden water komen in aanmerking.

Maar er is weer een energie probleem: om voor 1000 energie eenheden aan waterstof te maken, moet je 1500 energie eenheden in het water stoppen om het te splitsen. Dus als je de waterstof die je via electrolyse gemaakt hebt direct weer omzet in electriciteit, heb je toch nog ca 30% verloren. Je zal dus ca 50% meer electriciteit moeten maken dan je aan waterstof nodig hebt.
Om te voorkomen dat we het zoveelste kip-en-ei probleem starten, vallen de volgende energiebronnen af om de electriciteits centrale te laten draaien:

Wat dus overblijft is kernenergie. Toevallig heeft een professor aan een nederlandse universiteit dit een paar weken terug mooi onder woorden gebracht: "overschakelen op een waterstof economie houdt automatisch in het omarmen van een hele berg kerncentrales". Ik had het zelf niet beter kunnen zeggen. Ik ben de naam van de professor vergeten maar zodra ik erachter kom wie het was, wordt ie hier vermeld.

Als je met waterstof verder wilt, zal je direct moeten starten
met de bouw van twee snelle kweek reactoren a la Kalkar!
En wel PER LAND.

Waterstof en benzine op een rijtje

Waterstof lijkt ideaal, maar vooralsnog is het alleen ideaal voor de visionairs die er enorme subsidies voor los weten te peuteren bij de overheden. Overheden die liever NU niet kiezen. Overheden die liever NU herkozen gaan worden door de werkelijke problemen uit te stellen tot het te laat is. Yes Minister!

Hieronder staat een tabel met enkele breekpunten om waterstof al of niet in te gaan voeren in het maatschappelijk leven.

Waterstof heeft de grootste energiedichtheid per kilo. Maar je kan geen kilo's meenemen. Een fles of tank bevat liters. Afhankelijk van de soortelijke massa hangt daar een gewicht aan vast. En per liter is de energiedichtheid van waterstof een lachertje. Zelfs bij vloeibare waterstof.

Onderwerp Waterstof Olie of gas
Energie dichtheid Waterstof is de stof met de hoogste energiedichtheid per kg: 125.000 kJ per kg. Het probleem is, dat waterstof een gas is en blijft. Het is heel moeilijk en gevaarlijk om vloeibaar te maken. Per liter waterstofgas is de energiedichtheid slechts 11 kJ (bij 1 bar druk) of 2.200 kJ (bij 200 bar). Benzine heeft een energie dichtheid van 43.000 kJ per kg of 30.000 kJ per liter. Dit komt vooral doordat benzine (octaan om precies te zijn) vloeibaar is bij normale temperatuur en doordat er ook koolstof deelneemt aan de verbranding.
Opslag Ondanks allerhande veelbelovende studies kun je waterstof alleen rendabel opslaan in gecomprimeerde vorm. Dus in ijzeren drukflessen. Als de druk te hoog is, wordt ijzer doorlatend voor waterstof, waardoor de maximale druk rond de 200 bar ligt. Er zijn ook bijna geen compressoren die boven deze druk kunnen komen. Met speciale staalsoorten kan je 800 bar halen, maar dan heb je een bom in je handen. Ook op 800 bar is de energie dichtheid nog maar 1/3 van die van benzine. Benzine is een brandbare vloeistof, die vergeleken met waterstof extreem onbrandbaar is. Koppel dit aan het vrij hoge kookpunt en het is duidelijk: opslag kan heel eenvoudig in een metalen of kunststof tank. Alles bij atmosferische druk.
Transport Waterstof is moeilijk te transporteren doordat het altijd onder zeer hoge drukken of in vloeibare vorm (bij -250 °C) mee op weg moet. En dan nog heb je een energie dichtheid van minder dan 9000 kJ per liter. Een 20 kubieke meter tankwagen met waterstof (vloeibaar of onder 800 bar) zou 180.000.000 kJ vervoeren. Dergelijke vrachtwagens bestaan niet want de drukschil (en eventueel de koelinstallatie) zouden meer wegen dan de te vervoeren waterstof. Benzine kan in de meeste landen bij atmosferische druk in een gesloten tankwagen getransporteerd worden zonder koelvoorziening of drukmantel. In een tankwagen van 20 kubieke meter gaat zo 600.000.000 kJ mee. Je kan benzine desnoods in een melkfles meenemen.
Economie Een 40 tons vrachtwagen kan per keer 400 kg waterstof afleveren. Om te voorkomen dat de tankwagen meer waterstof verbruikt dan ie meeneemt, moet de waterstof fabriek zo dicht mogelijk bij de pompstations staan. Een 40 tons vrachtwagen kan per keer 26.000 kg benzine afleveren. Per rit verbruikt de vrachtwagen een fractie van dit volume, ook op lange afstanden.

Het zuurstofprobleem

Bij de electrolyse van water maken we per kg water ongeveer 110 gram waterstof en 890 gram zuurstof. In liters is dat 1200 liter waterstofgas en 600 liter zuurstof. Dat is een probleem. Waar nog niemand aan gedacht heeft.
Stel dat we (ruwe schatting) per jaar 10.000.000.000 liter benzine nodig hebben voor het nederlandse personen wagenpark (10.000.000 auto's, 15.000 km per auto per jaar, verbruik 1:15) en dat een waterstofmotor een gelijk rendement heeft als een benzinemotor. Dan hebben we hiervoor nodig ca 3.000.000.000 kg (ofwel 3 miljoen ton) waterstof nodig. (Daarvoor is dan 27 miljoen m3 water nodig, ofwel meer dan een kwart kubieke kilometer). Da's best veel. Middels electrolyse hebben we hiervoor 500.000.000.000.000 (500 x 1012 kJ) aan energie nodig. Dat kan worden geleverd door een kerncentrale van 16 GigaWatt die het hele jaar lang in bedrijf is. Dat zijn 15 tot 20 GROTE kerncentrales.

Het zuurstofprobleem ontstaat na de electrolyse. Als je de vrijkomende zuurstof gewoon laat ontsnappen, komt er rond die electrolyse fabriek per seconde een half miljoen liter zuurstof in de atmosfeer. Zuurstof is enigszins zwaarder dan lucht en het blijft dus aan de oppervlakte hangen. Dat is onwenselijk want mensen kunnen niet overleven in lucht waarin meer dan 50% zuurstof zit. Je longen verbranden en ook andere organen worden aangetast.

De electrolyse fabrieken zullen dus enorme hoge schoorstenen moeten hebben om de zuurstof te verspreiden over een zo groot mogelijke oppervlakte. Of ze moeten de zuurstof comprimeren en transporteren maar dat is met deze hoeveelheden ondoenlijk. Al met al is het best ongezond om benedenwinds van een electrolysefabriek te wonen.

Een mogelijke oplossing

Technisch gezien moeten we voor een enigszins rendabele oplossing terug naar het Duitsland van 1920. Daar werd toen door de chemici Fischer en Tropsch een manier ontwikkeld om op basis van koolzuur (of koolmonoxide) en waterstof een synthetische benzine te maken. Je bent dan verlost van het probleem van de waterstof transporten. Een liter benzine bevat meer waterstof dan een liter vloeibare waterstof... Mocht je dit willen, dan zal je dus met enorme kerncentrales enorme hoeveelheden water moeten electrolyseren, die combineren met koolzuur of mogelijk pure koolstof (uit kolen of houtskool) en afval zuurstof en die daarna opwerken naar benzine.

De beste oplossing is waarschijnlijk gewoon gaan minderen. We kunnen niet verder gaan met de huidige consumptie bij de huidige overbevolking.

Bronvermelding

Normaal doe ik niet zoveel aan bronvermelding omdat veel berust op eigen waarnemingen en ervaringen. In dit geval maak ik een uitzondering om de critici die zich liever laten bedotten door Shell en Ford een en ander te laten verifieren. Alle links openen in een nieuw venster. Bij alle berekeningen is uitgegaan van de volgende (te rooskleurige) veronderstellingen:

Dit is totaal onrealistisch, maar als deze factoren mee moeten gaan spelen worden de berekeningen nodeloos complex en de getallen nog ongunstiger voor waterstof. Mijn getallen zijn dus best-case getallen. De praktijk zal dus negatiever uitpakken.
  1. http://www.energiefeiten.nl/
  2. http://planetforlife.com/h2/h2swiss.html
  3. http://de.wikipedia.org/wiki/Knallgas
  4. http://nl.wikipedia.org/wiki/Knalgas
  5. http://nl.wikipedia.org/wiki/Waterstofauto
  6. http://en.wikipedia.org/wiki/Fischer-Tropsch_process
  7. http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_development
  8. http://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_toxicity

Pagina gemaakt op 21 december 2006,