Waterstof wordt voornamelijk gebruikt om chemicaliën te maken, zoals kunstmest, en in olieraffinaderijen. De meeste waterstof in de wereld van vandaag wordt gemaakt van aardgas of steenkool - methoden die gepaard gaan met grote kooldioxide-emissies. Ontwikkelde landen zijn daarom op zoek naar "groene waterstof" - geproduceerd met behulp van hernieuwbare elektriciteit zoals zonne- en windenergie. Energie-experts Rod Crompton en Bruce Young leggen de potentiële voordelen en uitdagingen van groene waterstof uit.

Waar wordt waterstof voor gebruikt?

De wereldwijde vraag naar waterstof bereikte in 2021 94 miljoen ton en bevatte energie die gelijk was aan ongeveer 2,5% van het wereldwijde eindverbruik van energie. Slechts ongeveer 0,1% van de huidige wereldwijde waterstofproductie is groen, maar er zijn grote uitbreidingen gepland.

Er worden ook nieuwe toepassingen voor groene waterstof voorzien.

De classificatie van Liebreich is een nuttige indicator van de potentiële markten voor groene waterstof.

Aangezien het doel van het gebruik van groene waterstof in feite is om kooldioxide te verminderen, moeten de toepassingen die als eerste worden toegepast, de toepassingen zijn die de grootste emissiereductie opleveren. De ladder van Liebreich laat zien welke dat zijn. De toepassingen in de (groene) bovenste rij zijn een efficiënte inzet van waardevolle groene waterstof.

Maar groene waterstof kost momenteel veel meer om te maken dan minder schone soorten waterstof. Als het zou worden gebruikt om de 180 miljoen ton ammoniak per jaar te produceren die wereldwijd nodig is voor de productie van kunstmest, zou dit een ernstig domino-effect hebben op de voedselprijzen.

Het is dus moeilijk om te zien hoe deze overgang zal plaatsvinden.

Hoe wordt groene waterstof gemaakt?

Groene waterstof wordt gemaakt van water. Met behulp van hernieuwbare ("groene") elektriciteit, scheidt apparatuur, elektrolyzers genaamd, de waterstof van zuurstof in water (H₂O). Het proces wordt elektrolyse genoemd.

De productie van groene waterstof stoot geen koolstofdioxide uit, maar de aanleg van hernieuwbare elektriciteitsinfrastructuur maakt momenteel gebruik van fossiele brandstoffen, die wel koolstofdioxide uitstoten.

Waterstof wordt van oudsher gemaakt uit niet-hernieuwbare energiebronnen zoals steenkool ("zwarte waterstof") en aardgas ("grijze waterstof"). Wanneer deze methoden worden gecombineerd met het afvangen en opslaan van koolstof, staat de geproduceerde waterstof bekend als "blauwe waterstof".

Welke uitdagingen biedt groene waterstof?

Hoewel de kosten van duurzame energieopwekking zijn gedaald, zijn de kosten van elektrolyse nog steeds niet commercieel concurrerend.

Volgens het International Renewable Energy Agency kost groene waterstof vandaag de dag naar schatting tussen de 250 en 400 dollar per vat olie aan de fabriekspoort. Toekomstige kostenbesparingen worden voorspeld, maar deze zijn onzeker. De huidige olieprijzen liggen rond de $ 100 per vat - veel minder dan het zou kosten om groene waterstof te gebruiken in plaats van conventionele aardolieproducten.

Er moet ook rekening worden gehouden met de kosten van het transport van waterstof.

Helaas is de fysica van waterstof tegen goedkope waterstoftransport. Het is veel uitdagender dan op olie gebaseerde vloeibare brandstoffen, vloeibaar petroleumgas of vloeibaar aardgas. Het oceaantransport van waterstof moet bij zeer lage temperaturen (-253℃) plaatsvinden. Benzine of diesel heeft geen dure koeling nodig:het wordt vervoerd op omgevingstemperatuur.

En waterstof vervoert slechts 25% van de energie die een liter benzine levert, waardoor het veel duurder is om dezelfde hoeveelheid energie te transporteren en op te slaan.

Er is onderzoek gedaan naar alternatieve manieren om waterstof te transporteren. Omdat ammoniak (NH₃) veel gemakkelijker en goedkoper te transporteren is dan waterstof, heeft de International Renewable Energy Agency aanbevolen waterstof te 'opslaan' in ammoniak voor de scheepvaart. Maar dat vereist extra apparatuur om de waterstof in ammoniak te doen en op de plaats van bestemming te strippen. Deze processen voegen volgens het agentschap kosten toe van ongeveer US $ 2,50 tot US $ 4,20 / kg (gelijk aan US $ 123 - US $ 207 per vat olie).

Waterstof is moeilijker te hanteren dan conventionele fossiele brandstoffen. Het is een kleurloos, geurloos en smaakloos gas, in tegenstelling tot conventionele koolwaterstoffen. Dit maakt lekdetectie moeilijker en verhoogt het risico op brand of explosie. Waterstofbranden zijn onzichtbaar voor het menselijk oog.

Van oudsher werd waterstof binnen de fabrieksperimeters gecontroleerd en beheerd door getrainde mensen. De wijdverbreide introductie van waterstof in de samenleving vereist nieuwe maatregelen en vaardigheden, waaronder verzekeringen, goederenbehandeling, brandbestrijding en rampenbeheersing.

Waar worden waarschijnlijk de eerste megaprojecten voor waterstof gebouwd?

De bouw van het eerste groene waterstofproject op gigawattschaal in Saoedi-Arabië is al begonnen. Veel van de baanbrekende projecten zullen worden gebouwd op het zuidelijk halfrond, voornamelijk in ontwikkelingslanden. Dit komt omdat ze minder dichtbevolkt zijn en over betere hernieuwbare energiebronnen (zon en wind) beschikken om de nodige elektriciteit op te wekken.

Hoewel dit voor ontwikkelingslanden positief klinkt, kleven er grote risico's aan het ontwikkelen van megaprojecten voor waterstof. Om te beginnen stelt de "ijzeren wet" van megaprojecten:"Over budget, in de loop van de tijd, onder de baten, keer op keer." Projecteigenaren dragen het projectuitvoeringsrisico.

Risico's omvatten ook wisselkoersrisico, afgelegen locaties, baanbrekende technologie en een gebrek aan vaardigheden. Toekomstige gastlanden zullen deze risico's moeten afwegen tegen de verleidingen van betere investeringen, werkgelegenheid en betalingsbalans. Ze zouden er verstandig aan doen om garanties af te dwingen van hun klantenlanden om te voorkomen dat het onrecht van het mondiale zuiden het mondiale noorden subsidieert terwijl het overgaat op schonere energie.

Zuid-Afrika heeft nu een "Hydrogen Roadmap" na vele jaren van overheidsfinanciering. Er is sprake van het energiebedrijf Sasol en voertuigfabrikant Toyota van een 'waterstofvallei', een geografische corridor van geconcentreerde waterstofproductie- en toepassingsindustrieën. En de Zuid-Afrikaanse regering en Sasol hebben het over de aanleg van een nieuwe haven aan de westkust bij Boegoebaai voor de productie en export van groene waterstof. In Nelson Mandela Bay plant Hive Hydrogen een groene ammoniakfabriek van 4,6 miljard dollar.

Namibië heeft ook grote plannen voor een project voor groene waterstof van 10 miljard dollar.

De sleutel tot het verlagen van de kosten van groene waterstof in de toekomst ligt vooral in technologische verbeteringen en kostenreducties gerelateerd aan massaproductie en een opschaling in elektrolyse. En in mindere mate, stapsgewijze kostenbesparingen in transport en handling. + Verder verkennen

Groene waterstof opwekken uit biomassa, een overvloedige hernieuwbare energiebron

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.