Installeert u binnenkort waterstofinstallaties?

Nieuwe technologie kan ‘gamechanger’ worden

 

U heeft ongetwijfeld het nieuws gevolgd rond het Leuvense zonnepaneel dat waterstof produceert. Sommige autoconstructeurs ontwikkelen wagens die op waterstof rijden. In de Antwerpse haven vaart een schip op waterstof. En in Neder­land werd onlangs een woning voorgesteld die compleet off-grid op waterstof draait. Zijn er ook gevolgen voor de elektricien?

 

Wat is waterstof?

De limieten van onze aardbol worden stilaan bereikt. Bevolkingsdruk zorgt voor milieu­problemen en doet het energieverbruik pieken. Om het elektriciteitsverbruik aan te kunnen, is de technologie in se aanwezig in de vorm van kernenergie, maar de rampen in Tsjernobyl en Fukushima leren dat de mensheid niet bij machte is om de potentiële risico’s van deze technologie in te dammen. Bovendien kampen de recente nieuwbouwprojecten met zware problemen: 10 jaar vertraging en kostprijs verviervoudigd in Finland, 8 jaar vertraging en kostprijs maal drie in Flamandville (Frankrijk) en laattijdige afgelasting van een reeds gepland project in Hinkley Point in Engeland wegens exuberante kosten.
Met andere woorden: in het Westen is kernenergie naar alle waarschijnlijkheid een af­lopend verhaal. De vraag rijst wat er dan wél een alternatief kan zijn. Fossiele energiebronnen zitten ook al in het verdomhoekje, gezien de CO₂-problematiek. Hernieuwbare-energiebronnen dan maar?

Fluctuerend karakter

Driewerf helaas, want hernieuwbare energie is nog een utopie als allesvoorzienende energiebron. Onder de hernieuwbare noemer zien we vijf hoofdvormen: biomassa, waterkracht, windkracht, zonne-energie en aardwarmte. Samen waren zij in 2017 goed voor 21,2% van het wereldwijde energieverbruik. Aangezien de problematiek eigenlijk al sinds de jaren 70 van vorige eeuw – de oliecrisis – op de agenda staat, is dat eigenlijk een zeer beperkt resultaat.

Waar liggen de problemen dan? Het zou ons te ver leiden om alle hinderpalen van biomassa (de aanvoer), waterkracht (niet overal mogelijk) en aardwarmte (nog volop in ontwikkeling) hier tot in detail te analyseren, maar die van wind- en zonne-energie halen we wel voor het voetlicht. Windenergie is er enkel als het waait en kent dus geen stabiele aanvoer. Het probleem met fotovoltaïsche zonne-energie is vergelijkbaar, maar gaat nog breder: de aanvoer valt niet alleen stil ’s nachts, maar ook in de winter is er nauwelijks aanvoer. Omdat ook de opslagmogelijkheden in batterijen nog beperkt in tijd en duur zijn, kunnen we hier op dit moment nog niet spreken van een valabel alternatief. Maar net hier kan waterstof weleens een revolutie betekenen.

Geen bron, wel een drager

Dat brengt ons meteen bij de functie van waterstof: het fungeert enkel als opslag­medium voor energie. Het is dus geen energiebron op zich zoals gas of elektriciteit dat wel zijn. Het kan opgewekte energie – uit welke bron dan ook – opslaan en maakt het mogelijk om deze energie in een latere fase weer tot de oorspronkelijke vorm te brengen. Waterstof is dus op zich geen duurzame energievorm, want het kan evengoed energie uit fossiele bronnen opslaan.
De vraag stelt zich waar we die waterstof kunnen halen, want het is geen delfstof zoals uranium of steenkool. Waterstof­moleculen vinden we in de natuur enkel terug in combinatie met andere elementen. H₂O – water dus – is het bekendste voorbeeld, maar wie goed opgelet heeft in de les chemie, herinnert zich misschien nog de koolwaterstoffen met onder andere propaan (C₃H₈), butaan (C₄H₁₀) en methaangas (CH₄). Waterstof komt dus quasi niet ongebonden voor, wat het ook moeilijk winbaar maakt. Er is met andere woorden energie nodig voor het splitsingsproces om waterstofgas te produceren. 

Samengevat: om van hernieuwbare systemen met waterstof te kunnen spreken, zijn twee vaak vergeten voorwaarden van toepassing: de milieuvriendelijkheid van de winning van waterstofgas zelf, en de hernieuwbaarheid van de energie die door de waterstof gedragen moet worden. Een voorbeeld: een auto op waterstof is niet per definitie een milieuvriendelijke wagen. Enkel als het waterstofwinningsproces én het energetisch medium dat het draagt hernieuwbaar is, is dat het geval.

 

Enkele maanden terug meerde in de Antwerpse haven de Energy Observer aan, een schip dat enkel op waterstof vaart. Aan de beide voorwaarden wordt hier voldaan: het waterstofgas wordt aan boord geproduceerd door het uit zeewater te halen. De energie die hiervoor gebruikt wordt, komt van de zonnepaneleninstallatie en windmolens op het dak van het schip, en wordt ingezet voor de aandrijving.

Tussenstap elimineren

Een van de te overwinnen moeilijkheden is het productieproces van waterstof. Er zijn daarvoor diverse methodes, maar tot nog toe is dat een weinig milieuvriendelijk proces gebleken.
Het meest toegepaste productieproces is reforming. Bij dat proces wordt een gas zoals methaan blootgesteld aan een hoge druk en een hoge temperatuur. De reactie die daarop volgt, resulteert in de vorming van waterstofgas en … CO₂ als bijproduct. Gezien de klimaat­problematiek kunnen we dat proces dus weinig duurzaam noemen.
Andere manieren zijn thermolyse en elektrolyse. Die laatste methode laat toe om elektriciteit uit hernieuwbare bronnen in te zetten. Bij het proces wordt een stroom door water gestuurd, waarbij het H₂O gesplitst wordt in waterstofgas en zuurstofgas. Er is hier dus geen ongewenst residu. Maar toch: het blijft een tussenstap die energie vraagt.

Onderzoekers zijn al langer op zoek naar methodes om rechtstreeks waterstofgas te winnen, om zo het totale rendement aanzienlijk te verbeteren. Bij traditionele fotovoltaïsche zonnepanelen schommelt het rendement rond de 20%. Als die beperkte opbrengst ook nog ingezet moet worden om de productie van waterstof te realiseren, is dat in zijn geheel een weinig efficiënt proces.

Zonnepaneel op waterstof

Enkele maanden terug presenteerde de KU Leuven een zonne­paneel dat waterstof rechtstreeks uit de lucht haalt. Een spectaculaire doorbraak, want zoals we eerder schreven, komt waterstof nauwelijks in zuivere vorm voor. Het zonnepaneel ziet eruit zoals een fotovoltaïsch paneel, maar de werking is niet hetzelfde. Bij PV wordt het zonlicht omgezet in DC-elektriciteit, dit paneel haalt waterdamp uit de lucht. Elektroden in het paneel op basis van nikkel en ijzer splitsen vervolgens het water in H₂ en O₂, waarna een membraan ervoor zorgt dat beide gassen gescheiden blijven. Met het prototype van het paneel is een dagelijkse productie van zo'n 250 l waterstof mogelijk. De onderzoekers maken zich sterk dat een installatie met 20 panelen volstaat om een gezinswoning een jaar lang van elektriciteit én warmte te voorzien.

Opslag is ander paar mouwen

Waterstof produceren is één zaak, maar het moet natuurlijk ook beschikbaar zijn op het moment dat de verbruiker het nodig heeft. Een distributienetwerk op grote schaal zoals we dat kennen van gas en elektriciteit, ontbreekt. Daarom wordt waterstof vandaag voornamelijk in speciale tanks onder druk opgeslagen. Een andere mogelijkheid is de vloeibare (cryogene) opslag van waterstof, bij -250 °C. De wakkere lezer zal opmerken dat beide methodes zelf ook energie zullen verbruiken, respectievelijk om het geheel onder druk te houden en om de koeling te voorzien. De opslagmethodes van waterstof staan momenteel dus haaks op de duurzame energievoorziening. Onderzoek rond deze materie richt zich momenteel op de opslag van waterstof in vaste vorm, maar de methodes daar staan nog in de kinderschoenen wat hun toepasbaarheid op grote schaal betreft.

De opslagmethodes van waterstof staan momenteel haaks op de duurzame energievoorziening

De toekomst?

Schakelen we in de toekomst volledig over op waterstof? Het zou zomaar eens kunnen en het is bovenal een boeiend vraagstuk. Landen als Japan hebben al een roadmap die de evolutie naar een complete waterstofeconomie over 40 jaar moet begeleiden. We zien dat autoconstructeurs de evoluties rond waterstof met argusogen volgen, en er is momenteel enorm veel onderzoek gaande naar efficiëntere vormen van productie, omzetting en opslag. De toekomst van waterstof oogt dus rooskleurig, maar de vorm waarin die evolutie uiteindelijk zal uitmonden, is nog onbekend.

 

 

En voor de installateur?

Wie zal deze systemen installeren? Een moeilijk te beantwoorden vraag, want zowel in productie, opslag als omzetting zijn de technologische evoluties nog volop aan de gang. Dat elektriciens de waterstofpanelen zoals deze die de KU Leuven ontwikkelde, zouden installeren, lijkt ergens logisch, gezien onze ervaring met fotovoltaïsche panelen. Dat is evenwel veel minder het geval voor de plaatsing van opslagtanks voor waterstof. De vandaag beschikbare brandstofcellen die nog werken op aardgas, hebben dan weer enkel een water- en gasaansluiting nodig, waardoor hier eerder de loodgieter in beeld komt. Maar voor elektriciens is waterstof sowieso een energietechniek die de moeite loont om op te volgen.

Decentrale productie op huis- of wijkniveau lijkt de toekomst te zijn; vandaag zien we al de evolutie richting off-gridsystemen zoals batterijopslag. De consument is dus rijp voor dit soort technologie. Voor elektriciens zal het zaak zijn om zich te profileren als de centrale spil in de energiehuishouding.