Waterstofproductie: Hoe wordt waterstof gemaakt en wat is het?

Waterstof wordt steeds belangrijker als een veelbelovende drager van schone energie, vooral met het oog op een klimaatvriendelijkere toekomst. Maar hebt u zich ooit afgevraagd wat waterstof eigenlijk is en hoe het wordt geproduceerd? In dit artikel kijken we naar de basisprincipes en technologieën die worden gebruikt om waterstof te produceren en wat waterstof tot een speciaal element maakt.

Eenvoudig gezegd is waterstof een gas dat kleurloos, geurloos en smaakloos is. Het heeft een reputatie als het eenvoudigste en meest overvloedige chemische element in het universum. Waterstof bestaat uit kleine deeltjes, protonen en elektronen.

Het is extreem responsief en kan, in combinatie met andere elementen, samenstellingen zoals water vormen. Het fungeert als een krachtige brandstof en kan worden gebruikt om elektriciteit te genereren, voertuigen aan te drijven en warmte op te wekken. Als drager van schone energie kan waterstof de impact op het milieu verminderen en bijdragen aan een duurzame energievoorziening

Er bestaan verschillende technologieën voor waterstofproductie, die afhankelijk van de specifieke vereisten en beschikbare middelen kunnen worden gebruikt. Hier volgen enkele veelgebruikte methoden:
 

• Stoomreforming van aardgas: Dit is momenteel de meest gebruikte technologie voor waterstofproductie. In dit proces wordt aardgas, dat voornamelijk uit methaan bestaat, verwarmd met waterdamp in de aanwezigheid van een katalysator. Figuratief kan stoomreforming worden voorgesteld als het "ontbinden" van aardgas.
  
  Bij dit proces reageert het methaan in het aardgas met de waterdamp, waardoor waterstof (H2) en koolmonoxide (CO) worden geproduceerd. De verkregen waterstof wordt gezuiverd en kan vervolgens worden gebruikt als brandstof in voertuigen, om elektriciteit te genereren in brandstofcellen of in verschillende industriële toepassingen. Dit proces is goedkoop, maar heeft ook nadelen. Kooldioxide komt vrij als bijproduct, wat een impact heeft op het milieu.

• Elektrolyse van water: In elektrolyse wordt water met behulp van een elektrische stroom in waterstof en zuurstof gesplitst. Het elektrolyseproces wordt uitgevoerd met apparatuur of apparatuur die elektrolyseapparatuur wordt genoemd.

• Zonnewaterstofproductie: Bij deze methode wordt zonne-energie gebruikt in plaats van elektrische energie om het elektrolyseproces uit te voeren. Dit kan worden gedaan door direct zonlicht of door de zonnestraling te concentreren met behulp van zonnespiegels of -collectoren. Deze nieuwe technologie kan worden gebruikt in landen waar voldoende zon beschikbaar is waardoor waterstof bijzonder kosteneffectief kan worden geproduceerd.

• Thermochemische waterstofproductie (biologische waterstofproductie): Sommige micro-organismen, zoals bepaalde bacteriën of algen, kunnen waterstof produceren door middel van fermentatie of fotosynthese. Deze methode is nog in ontwikkeling, maar heeft potentieel als duurzame en milieuvriendelijke waterstofbron. Het nadeel van dit type productie is echter de eindigheid van de bronnen.

Houd er rekening mee dat niet alle waterstofproductieprocessen even duurzaam of milieuvriendelijk zijn. De duurzaamheid van de waterstofproductie is afhankelijk van de gebruikte energiebron en de CO2-uitstoot tijdens het productieproces. Om optimaal te profiteren van de voordelen van waterstof als schone energiebron, is het van groot belang om hernieuwbare energiebronnen te gebruiken voor de productie van waterstof.

Het gebruik van hernieuwbare energie, zoals zonne-energie, windenergie of waterkracht, kan de CO2-uitstoot bij de waterstofproductie aanzienlijk verlagen, waardoor het duurzamer wordt. Er wordt milieuvriendelijke waterstof geproduceerd. Dit is een belangrijke stap in de richting van een toekomst met een laag koolstofgehalte en het aanpakken van klimaatverandering.

Elektrolyse is het meest veelbelovende proces. Het elektrolyseproces maakt de milieuvriendelijke productie van waterstof mogelijk, vooral als de elektriciteit die hiervoor wordt gebruikt, afkomstig is van hernieuwbare energiebronnen. Deze technologieën spelen een belangrijke rol bij het ontstaan van schone waterstof als duurzame energiedrager voor verschillende toepassingen. We hebben de verschillende technologieën met hun voor- en nadelen in detail bekeken.

Bij PEM-elektrolyse, elektrolyse met een Proton Exchange Membrane, wordt water gesplitst in waterstof en zuurstof met behulp van een polymeermembraan en elektrische stroom.

Voordelen:

• Snel opstarten en snelle aanpassing aan variabele belastingen
• Hoog rendement bij deellastbedrijf
• Lage bedrijfstemperatuur (50-80 °C), waardoor het gebruik van dure materialen wordt verminderd
• Compact formaat en eenvoudige integratie in bestaande systemen
• Hoog niveau van technologische rijpheid (TRL 7-8)

Nadelen:

• Gevoelig voor onzuiverheden in het water, daarom is voorbehandeling van het water vereist
• Beperkte levensduur van de PEM-brandstofcel (ca. 10.000 bedrijfsuren)
• Hogere kosten in vergelijking met alkalische elektrolyse

Bij alkalische elektrolyse wordt water in de bestanddelen waterstof en zuurstof gesplitst met behulp van een alkalische elektrolyt, meestal een oplossing van kaliumhydroxide in water.

Voordelen:

• Lagere kosten in vergelijking met PEM-elektrolyse
• Bestand tegen verontreinigingen in het water
• Lange levensduur van de elektrolytische cel (ca. 40.000-80.000 bedrijfsuren)
• Hoogste niveau van technologische rijpheid (TRL 8-9)

Nadelen:

• Lagere reactiesnelheid vergeleken met PEM-elektrolyse
• Hogere bedrijfstemperaturen (70-100 °C) leiden tot een hoger energiegebruik
• Moeilijker te integreren in bestaande systemen door afwijkende bedrijfsparameters

SOEC staat voor Solid Oxide Electrolyse Cell en verwijst naar een elektrolytische cel met hoge temperatuur die water bij hoge temperaturen omzet in waterstof en zuurstof en met vaste oxiden als elektrolyt.

Voordelen:

• Hoge efficiëntie en warmteterugwinning door hoge bedrijfstemperaturen (800-1000 °C)
• Flexibiliteit in het gebruik van verschillende brandstoffen (bijv. stoom, CO2)

Nadelen:

• Hoge bedrijfstemperaturen vereisen dure materialen en speciale thermische isolatie
• Langzame start en aanpassing aan variabele belastingen
• Grotere afmetingen en complexe systeemintegratie
• Weinig bedrijfservaring op grote schaal

AEM staat voor Anion Exchange Membrane en verwijst naar een elektrolyzertechnologie die gebruikmaakt van een speciaal membraan dat permeabiliteit biedt voor negatief geladen ionen en water met behulp van elektrische stroom in waterstof en zuurstof splitst.

Voordelen:

• Lagere kosten in vergelijking met PEM-elektrolyse
• Bestand tegen verontreinigingen in het water
• Werking bij lagere temperaturen (ca. 60-80 °C)

Nadelen:

• Beperkte ontwikkeling en commercialisering in vergelijking met PEM en alkalische elektrolyse
• Mogelijke uitdagingen voor langdurige stabiliteit van het membraan
• Geen grootschalige installaties beschikbaar. Laag niveau van technologische rijpheid.