De zon in het waterstof

Bij de benutting van zonne-energie is het een probleem dat vraag en aanbod meestal geen gelijke tred houden. Opslag in waterstof zou een oplossing zijn

Tijdens de laatste Nationale Zonne-energie Konferentie in Noordwijkerhout werd door Wim Sinke, medewerker van het Energieonderzoek Centrum Nederland, terloops het idee gelanceerd om een deel van de Sahara vol te zetten met zonnecellen. De opgewekte elektriciteit zou vervolgens gebruikt kunnen worden om uit water waterstof te maken. Die waterstof kan op een ander tijdstip door een chemische reactie weer energie leveren. Met de huidige stand van de techniek is volgens Sinke een oppervlak van 750.000 vierkante kilometer - slechts 2,5 procent van het totale oppervlak aan woestijnen - voldoende om alle fossiele brandstoffen van de wereld te vervangen.

Hoe reeel is dit toekomstbeeld'? Volgens de Amerikaanse waterstofdeskundigen John O'M Bockris en T. Nejat Vezir en Debbie Smith zal zonne-energie de belangrijkste energiebron van de toekomst worden, en de kans is groot dat waterstof hierbij als energiedrager zal functioneren. Zij doen deze voorspelling in hun onlangs verschenen boek Solar ydrogen Energy. Zij zijn het met Sinke eens dat er voldoende zonlicht op de aarde schijnt om alle fossiele brandstoffen te kunnen vervangen. Bockris en Veziroglu zijn internationaal erkende autoriteiten op het gebied van waterstoftoepassingen, beiden waren in 1975 mede-oprichters van de Australische 'International Association for Hydrogen Energy'. Smith is onder meer consultant bij het Hydrogen Research Centre van de universiteit van Texas.

Een traditioneel probleem bij het opwekken van elektriciteit met behulp van zonnecellen is het verschil tussen het moment van aanbod en de vraag naar elektriciteit. Dat vraagt om een buffer, waarin de elektriciteit tijdelijk kan worden opgeslagen. Hiervoor zijn verschillende methoden denkbaar. Een daarvan is dat met behulp van elektriciteit waterstof wordt gemaakt. Is er een tekort aan energie, dan laat het waterstof zich vrij eenvoudig omzetten in elektriciteit, of het kan als brandstof worden gebruikt. 'Waterstof is een ideale brandstof, het is erg efficient en het verbrandt uitstekend, het belangrijkste bijprodukt is water en er is waterstof in overvloed', aldus de auteurs.

Elektrolyse

De tot nu toe meest gebruikelijke manier om waterstof te maken is elektrolyse. Er wordt dan gelijkstroom van een positieve pool naar een negatieve pool gestuurd. Beide polen hangen in een basische oplossing. Aan de pluspool ontstaat zuurstof aan de minkant waterstof. Een rendement van rond de tachtig procent is zonder veel problemen haalbaar. Een nieuwe techniek om waterstof te winnen is afkomstig uit de membraantechnologie. Met een membraan als een van de polen kan zuiver water gesplitst worden in zuurstof en waterstof. Deze techniek is aanmerkelijk goedkoper dan de klassieke elektrolyse. Waterstof is aantrekkelijk omdat het vrijwel schoon verbrandt, maar probleemloos is de techniek niet. In de eerste plaats is de energieinhoud van waterstof relatief gering. Vergeleken met benzine heeft waterstof een kwart van de energie per volume-eenheid. Dat vraagt om een grote opslagtank. Daar staat tegenover dat wat gewicht betreft waterstof veel gunstiger uitvalt: het bevat drie keer zoveel energie als een even zware hoeveelheid benzine. Zo is berekend dat in een Jumbojet waterstoftanks drie keer meer ruimte zouden innemen dan kerosinetanks, maar dat het startgewicht dan toch dertig procent lager is. Het is niet voor niets dat de vliegtuig- en ruimtevaartindustrie ruime belangstelling voor waterstof hebben getoond: in de Sovjet Unie ging in 1988 al een experimenteel, door waterstof gedreven, vliegtuig de lucht in. In de Verenigde Staten experimenteert de NASA met een door waterstof gedreven ruimtevliegtuig, de X-30. Een prototype van dit vliegtuig, dat onder het Amerikaanse National Aerospace Plane (NASP) projekt valt, zal in 1994 gelanceerd worden.

De opslag van waterstof is ook niet eenvoudig. Hiervoor bestaan drie methoden. Voor opslag in gasvorm is een tamelijk hoge druk nodig (rond de 200 atmosfeer). Het kan vloeibaar worden opgeslagen, waarbij het waterstof beneden de 253 graden onder nul moet worden gehouden. En het kan chemisch bewaard worden, waarbij metalen en metaallegeringen het waterstof als een spons absorberen. Hierbij ontstaan metaalhybriden.

Onder druk

Wereldwijd wordt geexperimenteerd met de verschillende opslagmethoden. In de Verenigde Staten ontwikkelde de Universiteit van Miami een auto, waarbij waterstof onder druk wordt meegenomen. In Riverside, Californie, werd al in 1977 een autobus gebouwd met waterstof opgeslagen in metaalhydriden. In Duitsland heeft Daimler-Renz enkele auto's uitgevoerd met metaalhydriden terwijl BMW demonstratie-auto's heeft rijden met vloeibare waterstof. Het hierboven genoemde Russische passagiersvliegtuig gebruikte eveneens waterstof in vloeibare toestand. In Nederland vindt in opdracht van NOVEM (Nederlandse Maatschappij voor Energie en Milieu) onderzoek plaats naar metaalhydriden. Een voordeel van de metaalhydriden is dat er geen ontploffingsgevaar bestaat. Bovendien wordt zeer zuivere waterstof afgeleverd. Dit is met name voor de toepassing in brandstofcellen belangrijk. Deze cellen zijn een soort accu's waarbij door de reactie van waterstof met zuurstof elektriciteit ontstaat. Brandstofcellen worden onder meer toegepast in de ruimtevaart en kunnen worden gebruikt voor elektrische auto's. De kombinatie brandstofcel-metaalhydriden zou volgens een voorlopige conclusie uit het NOVEM-onderzoek kansrijk kunnen blijken.

De belangstelling voor het gebruik van waterstof als energiedrager is in Nederland niet nieuw. Al in 1975 maakte TNO onder de titel 'Waterstof als energiedrager, toekomstige mogelijkheden in Nederland' de resultaten bekend van een onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van waterstof. Waterstof zou voor Nederland veel perspectief bieden, zo luidde de conclusie, maar na enkele vervolgstudies verminderde de aandacht. Een gewijzigd inzicht in de ernst van de energlecrisis, die de aanleiding tot het onderzoek had gevormd, was hier debet aan. Maar onlangs zijn bij TNO weer geluiden opgegaan om het onderzoek naar de mogelijkheden van waterstof opnieuw te openen. 'Het probleem van de schaarste is vervangen door dat van het milieu, met name dat van het broeikaseffect', zo verklaart het TNO blad Toegepaste Wetenschap de hernieuwde belangstelling.

Het eerste dat ze bij TNO wel zullen doen als nieuw onderzoek gaat plaatsvinden, is een kijkje nemen bij de oosterburen. In het dorpje Oberpalz, bij Neunberg vom Wald, bouwt men momenteel een waterstoffabriek. Zonnecellen met een totaal oppervlak van drieduizend vierkante meter zullen de fabriek van elektriciteit voorzien. Per jaar verwacht men honderdduizend kubieke meter waterstof te produceren. In het projekt, waarbij onder meer de elektriciteitsproducent Bayernwerk AG en Siemens betrokken zijn, zal met name onderzoek plaatsvinden naar mogelijke verbeteringen van het elektrolyse-proces. Duitsland en Canada werken overigens ook nauw samen op het gebied van waterstof.

In Canada zal een deel van de door de enorme waterkrachtcentrales in Qubec opgewekte elektriciteit benut gaan worden voor het maken van waterstof voor Duitsland. De waterstof zal per schip naar Hamburg worden vervoerd, waar zowel Mercedes Benz als BMW het voor hun waterstofauto's gaan gebruiken.

Bij alle mooie vooruitzichten moet wel worden opgemerkt dat waterstof ook met niet-duurzame energiebronnen kan worden verkregen. Conventionele elektriciteitscentrales hebben ook behoefte aan opslag van energie, en zij zouden evengoed waterstof als energiedrager kunnen gebruiken. Het zou dus wel eens kunnen zijn dat de economie van de toekomst weliswaar draait op waterstof, maar dat kernenergie voor de noodzakelijke waterstof gaat zorgen.

Solar Hydrogen Energy, the power to save the earth John O'M Bockris. T Vejat Veziroglu. Debbi Smith Uitg Macdonald Optima, London. 1991. ISBN 0-356-20042-6