Wat is waterstof

Waterstof kan wel de belangrijkste energiebron worden in de wereld. Deze energiebron kan worden gebruik in de industrie als brandstof zonder dat CO₂ vrijkomt.

Deze brandstof kun je hoge temperaturen bereiken om te gebruiken in smelterijen. Bijvoorbeeld glas en metaal.

In vloeibare vorm kan het gebruik worden in de transport. Luchtvaart en zeevaart.
Waterstof kan worden opgeslagen wanneer er geen zon en wind is en er vraag is naar elektriciteit.

Er zijn dus legio toepassingen in de industrie en transport.

Het waterstofatoom

Het waterstofatoom(H) is het meest voorkomende en het lichtste en eenvoudigste element in het heelal.

In het periodiek systeem staat het element H op plaats 1. Een waterstofatoom is opgebouwd uit 1 proton in de kern en 1 elektron, dat om het proton heen beweegt. Waterstof is een molecuul (H₂) dat is opgebouwd uit twee waterstofatomen.

Waterstof H₂ komt op aarde niet voor. Men moet het halen uit samengestelde moleculen.
Waterstof H₂ is een niet-giftige, kleurloze, lichtste, smaakloze en reukloze stof, maar erg brandbaar als het in contact komt met lucht ofwel zuurstof.

Bijvoorbeeld uit water(H₂O) of uit Methaan (CH₄). Hiervoor bestaan verschillende productiemethodes en deze kosten geld en energie. Daar we de wereldse productie van CO₂ willen verlagen moeten we nu overschakelen op waterstofenergie.

Fysische eigenschappen

Waterstof-gas heeft een massadichtheid ofwel soortelijke gewicht van
ρ = 0,08988 [kg/m³] bij 1,0 [atm].

Ter vergelijking atmosferisch(0 graden en 1 bar) water(H₂O) ρ=0,998 [gr/cm³] en ρ=998 [kg/m³]
Waterdamp van 100 ⁰C heeft een dichtheid 0,6 [kg/m³]

Bij -252,77 °C wordt waterstof-gas, vloeibaar. Als het nog verder afgekoeld wordt tot onder -259,2 °C zal het een vaste vorm aannemen.

Een interessant schema van waterstof-gas in vergelijking met andere brandstoffen zien we op de website van Waterstofnet

grijze waterstof

Momenteel wordt waterstof geproduceerd uit Methaan CH₄. De productie heet Steam Methane Reforming (SMR). In dit proces reageert onder hogedruk(25 bar) en hoge temperatuur(700 - 1100 ºC) van waterdamp H₂O met Methaan H₂O met als resultaat waterstof H₂.

2H₂O + CH₄ + energie → 4H₂+CO₂

Echter er is een reststof CO₂ ,dit mag niet meer vanwege broeikaseffect.
Het energieverlies is 20-25 % bij deze omzetting. Dit houdt in dat de energie van CH₄ (20-25)% verloren gaat in het energie omzetting-proces.

Wat heb je nodig om waterstof te maken ?

Een scheikunde leraar op YouTube Tim van Waardenburg, legt uit hoe je door elektrolyse waterstof kan maken.

Dit laat hij zien doormiddel van een toestel van Hofmann en een animatie.

In het toestel van Hofman wordt water gescheiden in zuurstof O₂ en waterstof H₂. Er zijn 3 buizen. één voor het afvangen van zuurstof O₂ en een middelste voor het toevoegen van water en het derde voor het afvangen van waterstof H₂.

2H₂+ Elektriciteit → 2H₂ + O₂

Het energieverlies is (50 - 70)% in de energieomzetting.

Volgens Martien Visser kost 1 [kg] waterstof 40 kWh aan elektriciteit.

Waterstof in de praktijk

Waterstof wordt in kilogram afgerekend omdat het gewicht van een gas onafhankelijk is van druk en temperatuur.
Voor de opslag en het transport van waterstof wordt waterstof afgekoeld naar de temperatuur van 20,28 [K] dat is een graden Celsius −252,87 °C.
Op dit kookpunt verandert waterstof van gasvormig naar vloeibaar. De zeer lage temperatuur in combinatie met de hoge ontvlambaarheid van waterstof maakt het een relatief gevaarlijk materiaal.
Het gas wordt goed opgeslagen in goed geïsoleerde tanks.

De tanks heten Dewarvat

Een vat met:

• met een dubbele wand, vaak van spiegelend glas ter voorkoming van stralings-overdracht;
• tussen de wanden wordt vacuüm gezogen daardoor treedt vrijwel geen warmtetransport door geleiding op;

Vernoemd naar de Schotse natuurkundige Sir James Dewar. Hij slaagde in 1898 om waterstof-gas vloeibaar te maken.

Om gasvormige waterstof om te zetten naar vloeibare waterstof, wordt het gas afgekoeld met een methode Regeneratieve koeling tot een onder een temperatuur van - 252,9 °C. Door het gas op hoge druk (350–700 bar) te brengen, wordt het gas vloeibaar. Dit gebeurt middels compressoren en warmtewisselaars.
In vloeibare vorm wordt de dichtheid van waterstof namelijk maar liefst 800 keer vergroot. ρ = 7,1904 [kg/m³].

Aan de pomp betaalt men voor 1 [kg] waterstof 10 [euro/kg]

Hoe transporteer je waterstof

Enkele meest voorkomende toepassingen zijn :

• Gasvormige onder druk van max. 700 [bar] b.v. tanks;
• Waterstof toegevoerd aan een chemische verbinding, zoals Ammoniak NH₃ Ammoniak is al vloeibaar bij -33°C. Men zou Ammoniak als brandstof kunnen gebruiken.
  Mierenzuur CH₂O₂ is ook transportstof;
• Vaste(-259,2 °C )
  vloeibare(min. -252,77 °C) waterstoflevering;

Een interessante optie is Liquid organic hydrogen carriers Het gebruik van vloeibare organische waterstofdragers maakt het mogelijk om waterstof te transporteren op normale druk en temperatuur In standaardcontainers. Waterstof komt vrij door een dehydrogenatieproces op de bestemming.

In Australië(Csiro) hebben wetenschappers een membraan ontwikkeld, die waterstof scheidt van Ammoniak. Verschillende voertuigen zijn getest op het gebruik van deze membraan.

Het medium Ammoniak

Ammoniak is een anorganische verbinding van stikstof en waterstof met als brutoformule NH3.
Ammoniak is bij kamertemperatuur een kleurloos, giftig gas met een karakteristieke, sterk prikkelende geur.

Omdat het kookpunt bij −33 °C ligt is het niet moeilijk om met vloeibaar ammoniak te werken, hetzij bij lagere temperaturen of wat hogere drukken.
Als vloeistof heeft ammoniak op water gelijkende eigenschappen omdat het molecuul een dipool heeft en ook deze moleculen onderling waterstofbruggen vormen.

Ammoniak is onder juiste omstandigheden bruikbaar als (motor)brandstof ?
4NH₃ +3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

Verzuring

De uitstoot van 2N₂ leidt tot helaas verzuring van het milieu.
2NO₂ +HO₂ → HNO₂ + HNO₃.
HNO₃ = Salpeterzuur.
Dit vormt het probleem ?

Hoe kunnen groene waterstof in Suriname produceren?

Waterstof speelt een belangrijke rol in de omzetting naar een duurzame energievoorziening.
De Afobakadam is een stuwdam met een opstaande stuwmuur in de Surinamerivier. De dam bevindt zich in de buurt van Afobaka in Brokopondo in Suriname. We bestuderen hoe duurzaam de afobakadam kan zijn.

De waterkrachtcentrale wekt 180 megawatt op.[lit.2]

Nemen we energieverliezen van 75 % dan kan deze waterkrachtcentrale 3375 [kg/uur] waterstof produceren.

180.000*0,75/40 =3375 [kg/uur]

Ontwikkelingen in 2021

Het Deense bedrijf Hybrid Power System Group (HPSG) gaat 1,2 miljard dollar (ruim 1 miljard euro) investeren in de bouw van een grote waterstofcentrale in Suriname. De verwachting is dat dit project minstens zeshonderd banen voor Suriname oplevert, bleek zaterdag bij een persconferentie op het ministerie van Buitenlandse Zaken in Paramaribo.

Om de waterstofcentrale te laten draaien is veel energie nodig. Het Deense bedrijf begint daarom met de bouw van een zon- en windenergiecentrale van 100 megawatt op een oude plantage in het district Commewijne in het oosten van Suriname. Volgens directeur Benny Falk van HPSG is dit een ideale locatie vanwege de ruimte en de lage grondprijzen. De nabijgelegen rivier en oceaan maken het transport van waterstof relatief makkelijk.

100.000*0,75/40 =1875 [kg/uur]

Het rendement 0,75 zal kleiner zijn in verband met zonnepanelen en windenergie.

We blijven benieuwd in deze duurzame ontwikkelingen !!