Distributie van waterstof

Distributie van waterstof

Vergelijken we de energie-inhoud van aardgas met waterstof dan zien we dat 1m³ waterstof 3,54 kWh bezit, en aardgas 9,77 kWh per m³. Vanwege de geringere energie-inhoud in gasvorm, of om het duidelijk te zeggen, doordat er veel waterstof nodig is, om als bruikbaar gas te gebruiken, is distributie een belangrijk item. Het bevoorraden van een tankstation langs de snelweg met vloeibare waterstof zou –op basis van de huidige voorraadcapaciteit van een gemiddeld tankstation- er toe leiden dat er zo wat ieder uur een tankwagen met waterstof langs zou moeten komen om te bevoorraden. Logischer is dan ook een pijpverbinding. Maar ook hier worden andere eisen gesteld aan de diameter en stromingssnelheid dan bij aardgas. Een ander thema is de zuiverheid van waterstof. Schone gladde leidingen zijn belangrijk. Indien de vervuiling hoger is dan 2% (zuiverheid 98%) zijn er al dure filters nodig om bruikbaar waterstof te maken. Dit leidt tot hoge kosten bij de afnemers, die dit als een barrière zien om over te schakelen op waterstof. Toch zet de Nederlandse overheid vooralsnog in op een zuiverheidsgraad van ca. 98%.
Link: Nederland start riskant waterstofavontuur (fd.nl)

Om een goed inzicht te krijgen in de vorm van distributie gaan we uit van transport van drie soorten:

1. Waterstofgas (H₂, groot volume, lage energie-inhoud, explosief)
2. Vloeibare waterstof (LH₂, pas vloeibaar bij -252,8 °C/ 1 bar, hogere energie-inhoud)
3. Waterstof in poedervorm (NaBH₄, lichtgewicht, onbeperkt houdbaar, geen energie nodig voor koeling of compressie, veilig)

Ad 1. Transport via bestaande pijpleiding van gasvormige waterstof

Momenteel (stand 2020) bestaat er al een pijpleiding waardoor waterstof getransporteerd wordt. Dit is echter nog maar erg beperkt (zie fig. 1.) en betreft voornamelijk industriële toepassingen, bijvoorbeeld een leiding van Dow Chemical Benelux naar de Yara kunstmestfabriek in Zeeuws-Vlaanderen. Het betreft hier een voormalige gasleiding die in 2018 is omgebouwd tot waterstofleiding. Deze leiding wordt geëxploiteerd door de Gasunie (gele leiding op kaartje). Air Liquide heeft momenteel de langste leidingen (rode leidingen op kaartje). Een leiding van ca. 1000 km met een diameter van 154 mm loopt van Noord-Frankrijk via Antwerpen naar Rotterdam. Er zijn verschillende vertakkingen naar industrielocaties. Tenslotte is er de leiding van Air Products van de Botlek naar industriegebied Moerdijk (blauwe leiding op kaartje). Er bestaan ook zeer korte leidingen, vaak op industrieterreinen, waar waterstofrijke restgassen dat als afval of bijproduct vrijkomt via deze leidingen wordt getransporteerd naar andere gebruikers in de buurt.
De energie-inhoud van waterstof is drie keer lager dan van aardgas. Dit heeft gevolgen voor de ombouw van bestaande aardgasleidingen naar waterstofleidingen. De maximale gassnelheid in een aardgasleiding is nu 20 m/s. Voor waterstof zou dit 60 m/s moeten worden om dezelfde hoeveelheid energie te transporteren. Technisch is dit mogelijk, wel zullen er andere compressoren geplaatst dienen te worden. Vanwege de geringe molecuulgrootte van waterstof ten opzichte van aardgas, dienen mogelijk ook sommige pakkingen, flenzen en afsluiters vervangen te worden, omdat deze niet dicht genoeg zijn en dus gaan lekken. De ombouw van bestaande aardgastransportleidingen is financieel aantrekkelijker dan een geheel nieuwe leiding. Bovendien verwacht men dat vanwege de energietransitie er capaciteit vrij komt op het bestaande aardgasnetwerk. Het huidige aardgasnetwerk bestaat uit een hogedruk hoofd transportleiding die parallel is uitgevoerd: Eén leiding voor L-gas (Gronings aardgas) en één leiding voor H-gas (hoogcalorisch gas voor geïmporteerd gas). Deze leidingen zijn ontworpen voor een druk van 66,2 en 79,9 bar). Naast het hoofdtransportnet is er nog een regionaal transportnet met een ontwerpdruk van 40 bar. Tevens lopen er op beperkte schaal nog stikstofleidingen die gebruikt worden om van H-gas L-gas te maken door stikstofbijmenging. De zuiverheid van waterstof is erg belangrijk, zoals hiervoor beschreven.
Vervoer in gastanks (cilinders met een druk van 350 bar voor schepen en vrachtwagens, en 700 bar voor personenauto’s) vind dan ook voornamelijk plaats voor bevoorrading van waterstof tankstations voor auto’s met tank vrachtauto’s.

Ad. 2. Transport van vloeibare waterstof

Conversie tussen soorten waterstof kost energie, en levert dus verlies op en dient zoveel mogelijk te worden vermeden. Met name het omzetten van waterstofgas in vloeibare waterstof vergt veel energie. Waterstof wordt dan gekoeld tot ca. -253 °C en moet tijdens het transport koel gehouden worden, wat ook weer energie kost (liquefactie). Het is ook mogelijk om gasvormige waterstof door middel van het Haber-Bosch-proces om te zetten in vloeibare ammoniak. Behalve extra energie vraagt dit extra voorzorgsmaatregelen vanwege de giftigheid van ammoniak. Vervoer van vloeibaar waterstof vindt dan ook bijna niet plaats. Soms voor zeer zwaar transport. Denk aan grote vliegtuigen en schepen.

Ad. 3. Waterstofpoeder (Natriumboorhydride)

Waterstofpoeder wordt gemaakt door bij een temperatuur van 250 .. 270 °C natriumhydride te laten reageren met trimethylboraat. Het voordeel van waterstofpoeder is dat het weinig weegt, een grotere energie-inhoud bezit en derhalve makkelijk te vervoeren is. Ook kan het langjarig bewaard worden, zonder energieverlies. Dit in tegenstelling met een elektrische accu, die langzaam toch energie laat weglekken, waardoor deze bijgeladen dient te worden. Of vergelijk het met een waterbuffer met warm water. Door afkoeling gaat er energie verloren. Waterstofpoeder heeft dit probleem niet, en lijkt daardoor ideaal. Toch zijn hier ook zaken waar men rekening mee dient te houden. Om het waterstofpoeder te kunnen gebruiken als energie wordt er gedestilleerd water bijgevoegd, waardoor waterstofgas vrij komt. Als restproduct ontstaat natriumbooroxide. Dit dient men op te vangen in een tank. Het poeder zelf neemt weinig ruimte in beslag, maar inclusief het poeder heeft men drie opslagtanks nodig. Omdat boten altijd water om zich heen hebben lijkt dit de ideale toepassing voor waterstofpoeder. Het havenbedrijf Amsterdam laat een schip, de Neo Orbis, bouwen die op waterstofpoeder moet gaan varen. Een en ander moet zich nog in de praktijk gaan bewijzen. Een ander nadeel is dat er veel elektriciteit nodig is om natriumboorhydride te produceren. Een voordeel is dat men hiermee waterstof kan regenereren. Helaas kost dat regenereren meer energie dan er uit het waterstofpoeder gehaald kan worden, en is eigenlijk (nu nog) niet interessant. Waterstofpoeder maakt het wel mogelijk om bijvoorbeeld duurzaam opgewekte elektriciteit in een zonnig land, op te slaan en te transporteren naar een minder zonnig land, of om aan seizoensopslag te doen. Ook is er inmiddels een generator op waterstofpoeder, die ideaal is als elektriciteitsvoorziening op evenementen omdat deze nauwelijks geluid produceert (Joshua generator). Helaas is deze nu nog vele malen duurder dan een geluidloze generator op accu’s. Waterstofpoeder is een belofte voor de toekomst. Momenteel zijn er weinig rendabele praktische toepassingen voorhanden.