Waterstoftoepassingen

Groene waterstof

wordt geproduceerd via de elektrolyse van water. De hiervoor benodigde stroom is afkomstig van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie, windenergie of waterkracht. Daardoor is deze productie CO2-neutraal en dus klimaatvriendelijk.

Grijze waterstof

wordt geproduceerd uit fossiele energiebronnen zoals aardgas, kolen of olie die onder stoom worden omgevormd. Maar de productie van een ton waterstof levert ook een afvalproduct op, met name tien ton CO2. Bijgevolg is deze soort waterstof niet klimaatneutraal.

Blauwe waterstof

ontstaat net als grijze waterstof via stoomomzetting. Maar het CO2 dat in dit geval vrijkomt, wordt ondergronds opgeslagen (CCS-technologie: Carbon Capture and Storage - koolstofafvang en -opslag). Aangezien dit CO2 niet in de atmosfeer terechtkomt, is blauwe waterstof vanuit balans-oogpunt CO2-neutraal.

Turquoise waterstof

ontstaat bij methaanpyrolyse. Daarbij wordt aardgas (methaan) via een thermochemisch proces in waterstof en vaste koolstof opgesplitst. Het vaste koolstof kan als granulaat worden opgeslagen en op een later tijdstip opnieuw worden gebruikt.

Rode/roze waterstof

wordt net als groene waterstof via elektrolyse geproduceerd. Maar de benodigde stroom is ditmaal afkomstig van kernenergie. Deze soort waterstof is weliswaar CO2-neutraal, maar genereert ook radioactief afval dat op een veilige manier moet worden opgeslagen.

Voor de productie van waterstof zijn er tal van technologieën beschikbaar. Tegenwoordig wordt het hoofdzakelijk via stoomomzetting van fossiele energiebronnen geproduceerd, waarbij dus ook CO2 ontstaat. Maar een procedé dat door zijn klimaatneutraliteit steeds meer aan belang wint, is de elektrolyse. Daarbij wordt water met behulp van stroom uit hernieuwbare energiebronnen in zijn twee bestanddelen opgesplitst: waterstof en zuurstof.

De soorten elektrolyse die voor de industrie het meest relevant zijn, zijn alkalische elektrolyse (AEC), protonuitwisselingsmembraan-elektrolyse (PEM) en vaste oxide-elektrolyse (SOEC). Bij al deze procedés wordt water opgesplitst in zijn bestanddelen, waterstof en zuurstof. De technologieën onderscheiden zich door de keuze van het membraan en de elektrolyt.

Alkalische elektrolyse (AEC)

Alkalische elektrolyse is de technologie die in de praktijk het vaakst wordt toegepast. Als elektrolyt wordt een kaliumhydroxideoplossing (KOH) gebruikt. Deze technologie is al op grote schaal beschikbaar. Naast de lage investeringskosten en een lange levensduur worden hierbij ook nagenoeg geen kritieke grondstoffen gebruikt. Als nadeel geldt vooral de geringe dynamiek bij lastwisseling.

Protonuitwisselingsmembraan-elektrolyse (PEMEC)

De protonuitwisselingsmembraan-elektrolyse is heel wat jonger dan de alkalische elektrolyse, maar deze technologie is ook op industriële schaal beschikbaar. Het centrale bestanddeel is het protonuitwisselingsmembraan. Dit membraan zorgt ervoor dat de beide producten zuurstof en waterstof niet vermengd raken, waardoor het waterstof een hogere zuiverheid heeft. PEM-elektrolyse maakt een snelle lastwissel en een compact design mogelijk. Daartegenover staan de dure materialen voor de katalysator.

Vaste oxide- of hoge temperatuur-elektrolyse (SOEC)

Hierbij wordt het water als waterdamp aan het systeem toegevoegd. Daardoor kan een zeer hoge efficiëntie tot wel 85 % worden bereikt. De cellen werken bij temperaturen tot max. 900 °C. Als elektrolyt wordt een vast keramisch materiaal gebruikt. Een ander voordeel van SOEC is dat deze vorm van elektrolyse ook geschikt is voor de CO-elektrolyse die wordt gebruikt bij de productie van synthetisch gas. Nadelen zijn dat de hoge temperaturen leiden tot een gering vermogen tot lastwisseling en dat aan het materiaal hoge eisen worden gesteld.

Er bestaan verschillende technologieën om waterstof op te slaan. Fysieke opslagmethoden hebben een hogere gravimetrische en volumetrische energiedichtheid. Op materiaal gebaseerde opslagmethoden maken het mogelijk om het waterstof op te slaan onder hanteerbare druk- en temperatuurwaarden. De twee meest relevante technologieën zijn opslag van gasvormig waterstof onder druk tot 700 bar en van vloeibaar waterstof bij een temperatuur van -253 °C in vacuümgeïsoleerde tanks. Andere technologieën zijn metaalhydride-opslag, LOHC of chemische opslag zoals ammoniak of methanol.

Waterstof kan in de meest verschillende sectoren worden gebruikt. De hoogste vraag zal naar verwachting van de industrie komen, waar waterstof omwille van zijn chemische eigenschappen nodig is. Mogelijke toepassingen zijn de productie van ammoniak en methanol, of de staal- en cementproductie. Maar ook op het gebied van de mobiliteit wordt een hoge vraag voorspeld. Hier zal waterstof vooral worden gebruikt in situaties waar batterijen geen alternatief bieden, m.a.w. wanneer er sprake is van hoge lasten en grote afstanden. Daartoe behoren de lucht- en ruimtevaart, maritieme toepassingen maar ook het transportwezen.

Waterstof bestaat slechts uit één proton en één elektron. Het is dan ook het kleinste en lichtste element, waardoor het zeer snel door een groot aantal materialen diffundeert. Afhankelijk van het basismateriaal, de druk, de temperatuur en de blootstellingsduur kan dit leiden tot waterstofbrosheid en daardoor ook tot een voortijdige moeheid bij het component. Om te verzekeren dat de leidingen lekdicht en veilig blijven, is het belangrijk dat het juiste materiaal wordt gekozen, alsook dat componenten correct in functie van de toepassing worden aangebracht.

Voor waterstoftoepassingen zijn vooral hooggelegeerde, austenitische chroom-nikkelstaalsoorten met een gering koolstofaandeel en een hoog nikkelgehalte geschikt. Het geringe koolstofaandeel en het hogere nikkelgehalte zorgen ervoor dat deze staalsoorten bijzonder goed bestand zijn tegen interkristallijne corrosie en de zogenaamde waterstofbrosheid in ruime mate verhinderen.

Waterstofbrosheid betekent dat atomaire waterstof in de rasterstructuur van een materiaal binnendringt en zich daar ophoopt. Daardoor vermindert de taaiheid, wat kan leiden tot voortijdige moeheid door de vorming van barsten of sterk versnelde scheuring en abrupte mankementen in het materiaal. De brosheid van waterstof is sterk afhankelijk van het materiaal, de druk, de temperatuur en nog vele andere invloeden.