Waterstofwinning

Waterstof komt in vrije vorm nauwelijks voor in de omgevingslucht: 0,5 ppm vol. H2 naast 350 ppm vol. CO2. Het komt echter altijd voor in gebonden toestand met zuurstof en/of koolstof. Toch wordt op wereldniveau jaarlijks circa 500 miljard Nm³ aan waterstof verbruikt. Dit betekent dat overal ter wereld bij bedrijven waterstof wordt geproduceerd.

Sinds men ontdekte dat brandstofcellen waterstof konden omzetten naar elektriciteit, rees de vraag hoe men deze waterstof op een zo efficiënt mogelijk wijze kon produceren.

De dag van vandaag zijn er diverse methoden om waterstof bij de eindgebruiker te krijgen, en om zelf te produceren.

  • Gecentraliseerde productie en levering. In de chemische industrie wordt waterstof geproduceerd ten behoeve van de productie van allerlei grondstoffen voor onze dagelijkse behoefte. Hierbij wordt het zowel getransporteerd per vrachtwagen, als per pijplijn. Total heeft in België één waterstoftankstation langs de E19 te Ruisbroek.
  • On-site productie. Waterstof kan ter plaatse gemaakt worden naar gelang de behoefte (hoeveelheid en tijdstip) van de eindgebruiker. Het kan gewonnen worden uit een fossiele grondstof of zelfs uit water. Via het principe van een “reformer” kan waterstof gewonnen worden uit eender welke organische verbinding (koolwaterstof). Voornamelijk wordt hiervoor aardgas of methanol gebruikt, maar zelfs benzine kan hiervoor aangewend worden.
  • Zonne- en windenergie. De ultieme oplossing waarbij geen vervuiling ontstaat is het gebruik maken van de zon en/of de wind om waterstof te produceren. Door middel van zonnepanelen en/of windmolens wordt in waterstofstations elektriciteit opgewekt waarmee water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. De zuurstof komt terecht in de lucht, en het waterstof wordt opgeslagen in gasflessen. In Duitsland en Zuid-California zijn momenteel waterstofstations reeds in gebruik als testfase voor het leveren van waterstof voor auto’s.

Momenteel wordt waterstof via verschillende processen geproduceerd:

  • Via Elektrolyse

Bij elektrolyse wordt zuiver water dmv van elektrische spanning gesplitst in waterstof en zuurstof. Dit proces is zeer eenvoudig  duurzaam (als de energie opgewekt voor de splitsing tenminste een duurzame energiebron is; bvb zonne-energie). Hierbij ontstaat waterstof en zuurstof met een zeer hoge zuiverheid. De wereldwijde productie van waterstof geproduceerd dmv elektrolyse bedraagt slechts enkele procenten. Vooral bij toepassingen waar zeer zuivere waterstof nodig is, in relatief kleine volumes, is lokale waterstofproductie via elektrolyse aangewezen.

  • Uit fossiele brandstoffen

Ook uit fossiele brandstoffen kan men waterstof produceren. Een andere naam voor fossiele brandstoffen zijn koolwaterstoffen. Dat komt omdat de meeste chemische verbindingen van fossiele brandstoffennbestaat uit koolstofdeeltjes en waterstofdeeltjes. Bij verbranding reageren deze verbindingen met zuurstof uit de buitenlucht waardoor koolstofoxiden (zowel mono als di) ontstaan.

We kunnen fossiele brandstoffen ook chemisch ontleden in koolstof en waterstof. Dit heet reforming.  In de industrie gebeurt dit al op grote schaal. Uit aardgas is waterstof vrij simpel te maken. Er zijn zelfs brandstofcelauto's waar je aardgas moet tanken. In de auto zet een zogenaamde 'reformer' (= omvormer) dit om in waterstof. Dit dient dan weer als brandstof voor de brandstofcel. Het nadeel is dat deze auto naast water, ook andere componenten als uitlaatgas heeft.

Wat is reforming?

Het overgrote gedeelte (> 95%) van de waterstof wordt momenteel geproduceerd uit fossiele brandstoffen via verschillende reformingtechnieken.  Reforming is een chemisch proces waarbij een fossiele brandstof in aanwezigheid van stoom en/of zuurstof en een katalysator wordt omgezet in een waterstofrijk gasmengsel of reformaat.

De meest toegepaste reformingtechniek is stoomreforming van aardgas. Hierbij wordt aardgas samengevoegd met stoom bij een temperatuur van 850 °C en een druk van 25 bar. Het waterstofrijke gasmengsel dat ontstaat bevat naast CO2 ook CO. Bij toepassing in lagetemperatuurbrandstofcellen is dit CO nadelig voor de levensduur van de anodekatalysator. Door enkele bijkomende chemische processtappen (water-gas-shift-reactie) wordt de CO verwijderd zodat het waterstofgehalte verhoogt.
Daar de winning van waterstof (voor de productie van elektriciteit) via reforming op chemisch niveau gebeurd, ipv via verbranding, is de vervuiling die hierbij optreedt veel lager dan elektriciteit opwekken dmv de milieuvriendelijkste verbrandingsprocessen. De uitstoot van broeikasgassen bij reforming kan vermeden worden dankzij nieuwe technieken (die in volle ontwikkeling zijn) voor het opvangen en opslaan van het ontstane CO2.
Belangrijk voor België is dat in oktober 2003 op de site van BASF-Antwerpen door Air Liquide een waterstofproductiefaciliteit met een capaciteit van 100.000 Nm³/h in bedrijf is genomen; deze waterstofproductieplant behoort tot de grootste ter wereld.

  • In kerncentrales

Speciale kernreactoren kunnen water chemisch splitsen in waterstof en zuurstof. Zo hoeven we niet eerst elektriciteit te gebruiken, waarbij veel energie verloren gaat in de vorm van warmte. Deze splitsing bewerkstelligt men in zogenaamde Hoge Temperatuur Reactoren (HTR). Dit is een nieuwe generatie kernreactor met als kenmerken een verhoogde veiligheid en minder radioactief afval. De meest veelbelovende is de Hoge Temperatuur Gasgekoelde Reactor. Momenteel is men in de Verenigde Staten de bouw van zo een reactor aan het voorbereiden. Deze is speciaal gericht op de productie van waterstof.

  • Uit biomassa

In natuurlijke processen zetten verschillende micro-organismen biomassa om in onder meer waterstof. Dit gebeurt bijvoorbeeld in moerassen, maar ook in de maag van een koe. In ons huiselijk afvoer- en verwerkingssysteem van biomassa (riool en rioolwaterzuivering) gebeurt dit ook. De door de micro-organismen geproduceerde waterstof wordt echter onmiddellijk gebruikt als voedingsstof door weer andere micro-organismen. Hierbij wordt methaan gevormd.
Inmiddels zijn er technieken beschikbaar die de waterstofproductie loskoppelt van de methaanproductie. In een project, met als grondstof voor dit proces miscanthus (een energiegewas) en aardappelstoomschillen, werd een kostprijs van deze waterstof berekend die kan concurreren met de nu gebruikte waterstofproductie uit fossiele brandstoffen.

  • Via fotosynthese

In Japan is een groep wetenschappers erin slaagde om direct waterstof te produceren met behulp van zonlicht. Door middel van een katalysator (hier titaniumdioxide) en zonlicht wordt een reactie aan de gang gezet, en gehouden. Hierbij wordt water (H2O) en koolstofdioxide (CO2) omgezet in waterstof en koolwaterstoffen, zoals methaan en alcoholen (oa methanol).
Het grote nadeel van dit proces is het te lage rendement; namelijk amper 4 procent. In de nabije toekomst hopen de onderzoekers dit rendement te verhogen, zodat het een goede bijdrage kan leveren in de waterstofproductie.