Waterstof is niet het nieuwe LNG

Van een onzer correspondenten.

Auteur: Mark Lawson.

Het gebruik van waterstof als het medium van een exportmarkt voor elektriciteit heeft een grote tekortkoming. In tegenstelling tot kolen of gas kan waterstof overal worden gemaakt waar water, wind en zon is. En waarom zou een land dat gas importeren als het op zijn eigen grondgebied kan produceren?

Waterstof is niet zoals LNG. Het is veel moeilijker om het in vloeibare vorm om te zetten, het lekt veel sneller en het heeft ook andere eigenschappen waardoor het een veel gevaarlijker gas is. Waterstof wordt al tientallen jaren als grondstof gebruikt in veel industriële processen, maar het overgrote deel van het gas wordt verbruikt op dezelfde plaats waar het wordt gemaakt, uit methaan en stoom. Dit is een goedkopere manier van produceren dan met behulp van elektriciteit.

Energieverliezen bij het omzetten van elektriciteit uit hernieuwbare energie in waterstof en weer terug aan de andere kant, wegen niet op tegen een gewone transmissielijn die minder verspillend is. Deze kan duizenden kilometers stroom vervoeren. Een batterij is trouwens ook een efficiëntere en veiligere manier om energie op te slaan, in ieder geval in vergelijking met waterstof.

Waterstof wordt veel gebruikt in industriële toepassingen en met name in bepaalde gespecialiseerde energietoepassingen zoals brandstofcellen voor onderzeeërs. Maar het speelt geen enkele rol als middel om energie over te brengen of op te slaan. De hoofdrol is een geruststellende fantasie voor activisten die hopen op het groene Nirvana.

Een slechter dan slecht idee

Als we van alle voorstellen voor het opwekken en opslaan van ‘schone’ energie, prijzen moeten uitreiken voor het slechtste idee, dan zou grootschalige inzet van waterstof als een soort alternatief voor LNG een grote kanshebber zijn voor die hoofdprijs.

Het concept om waterstof te gebruiken als een middel om energie op te slaan van de talloze ‘pie in the sky’ zonne-, wind- en fotovoltaïsche projecten heeft een grote, duidelijke fout die door de vele zeer slimme en gedreven ondernemers die actief zijn in de branche (te denken valt aan mijnbouwmiljardairs) blijkbaar niet wordt gezien.

In tegenstelling tot stroom uit kolen en gas kan groene stroom overal worden opgewekt, en bijna elk land heeft er ooit over gefilosofeerd om het ‘Saoedi-Arabië van de wind’ te worden, zoals de Britse premier Boris Johnson het uitdrukte. Met andere woorden, waarom zou, laten we zeggen, Japan verschrikkelijk dure stroom van elders importeren als ze verschrikkelijk dure stroom kunnen maken in hun eigen territorium, inclusief de kustwateren? Dit belangrijke punt werd begin april gemaakt door prof. Andrew Blakers van de Australian National University, in de Australische editie van The Conversation, een online site voor academische artikelen (1). Hij schreef dat de federale regering in de begroting van maart 2022 honderden miljoenen dollars heeft gereserveerd om de groene waterstofcapaciteit van Australië uit te breiden. Deze fondsen zouden moeten bijdragen aan het creëren van een grote exportindustrie voor groene waterstof, met name naar Japan, waarvoor Australië in januari een exportovereenkomst tekende.

Hij wijst er echter ook op dat Japan zelf meer dan genoeg zonne- en windenergie heeft om zelfvoorzienend te zijn in energie en – ervan uitgaande dat al die energie wordt benut – geen fossiele brandstoffen of Australische groene waterstof hoeft te importeren. Of je het nu wel of niet met professor Blakers eens bent dat Japan realistisch kan voorzien in al zijn energiebehoeften uit lokale hernieuwbare energie: het land kan zeker lokaal waterstof opwekken.

‘Als warmtebron kost waterstof vier keer zoveel als aardgas.’

Achtergrond

Waterstof wordt momenteel gebruikt als grondstof voor veel industriële processen, zoals het behandelen van metalen, het produceren van kunstmest en het verwerken van voedingsmiddelen. Aardolieraffinaderijen gebruiken waterstof om het zwavelgehalte van brandstoffen te verlagen. Bijna al die commerciële waterstof is afkomstig van de traditionele extractiemethode waarbij gebruik wordt gemaakt van stoom en aardgas. En terecht: dit is verreweg de goedkoopste manier om waterstof te winnen.

Voorstanders van hernieuwbare energie willen nu echter hectare na hectare windparken en zonne-energiegeneratoren bouwen om waterstof te maken door een elektrische stroom door water te leiden. Dit houdt in dat twee blote uiteinden van een draad die aan een stroombron is bevestigd, in de vloeistof worden geplaatst. Waterstof borrelt van de draad die is aangesloten op de negatieve kant van de bron, of kathode, en zuurstof komt van de positieve of anodedraad.

Het idee is om deze waterstof op de een of andere manier op te slaan, bij voorkeur in vloeibare vorm zoals LNG, en vervolgens te vervoeren naar waar het nodig is als vervanging voor fossiele brandstoffen in toepassingen zoals het maken van staal, het opwekken van elektriciteit, het aandrijven van elektrische voertuigen, scheepvaart en luchtvaart . Dit is eigenlijk de visie die is uiteengezet in een rapport uit 2019 (2) dat is opgesteld door de wel zeer indrukwekkende Hydrogen Working Group van de Council of Australian Governments Energy Council. Voorgezeten door de toenmalige zeer vooraanstaande wetenschapper van Australië, professor Alan Finkel. Dit rapport schetste weliswaar trajecten voor het ontwikkelen van een dergelijke handel, maar het stond vol met aanbevelingen voor het ontwikkelen van proefprojecten en het bouwen van toeleveringsketens. Er was niets over daadwerkelijke commerciële kansen. Net als bij de meeste aanbevelingen in groene energie lag de nadruk op het optreden van de overheid om maar deze exportmarkt te creëren, bij voorkeur door het creëren van vraag. Commercieel belang zou volgen, althans dat hoopte men.

Mocht deze waterstofmarkt tot stand komen, dan zouden er enorme hoeveelheden waterstof nodig zijn. Maar niet werd er in het Finkel-rapport vermeld dat het proces van het maken, condenseren en verschepen van waterstof technisch uitdagend is en verspillend.

Professor Blakers haalt een schatting aan dat het omzetten van energie in waterstof, het verschepen naar de plaats waar het nodig is en het vervolgens weer omzet in energie 70 procent van de opgewekte energie zou kunnen verbruiken. Michael Liebreich, een senior medewerker van BloombergNEF (New Energy Finance) schreef in 2020 (3) dat waterstof als energieopslagmedium slechts een rendement van 50 procent heeft – veel slechter dan batterijen. Hij schatte dat brandstofcellen, turbines en motoren op waterstof slechts 60 procent efficiënt zijn – veel slechter dan elektrische motoren – en veel complexer. Als warmtebron kost waterstof vier keer zoveel als aardgas. Als een manier om energie te transporteren, kosten waterstofpijpleidingen drie keer zoveel als hoogspanningsleidingen, en schepen en vrachtwagens zijn nog erger, stelt hij.

Een andere factor die in Australië bijzonder belangrijk is, is de behoefte aan grote hoeveelheden zeer schoon water voor het proces. Voor de kleine proefprojecten die met rijkssubsidies worden gefinancierd is dit misschien geen probleem, maar het zal waarschijnlijk grootschalige commerciële productie uitsluiten.

‘Afgezien van een paar ongelukken toen de technologie nog nieuw was, heeft LNG een indrukwekkend veiligheidsrecord.’

Activisten die zo vlotjes praten over het gebruik van waterstof om energie op te slaan, zullen ongetwijfeld refereren aan vloeibaar aardgas, dat vandaag de dag de basis vormt van een bloeiende internationale handel met speciaal gebouwde containerschepen. Dankzij enorme projecten op de noordwestelijke flank en in Queensland is de Australische export van LNG nu in waarde het dubbele van die van thermische steenkool.

De internationale handel in LNG begon in de jaren zestig te groeien met de grootschalige toepassing van technieken voor het vloeibaar maken van het gas in gigantische faciliteiten die ‘treinen’ worden genoemd en om het gedurende lange perioden vloeibaar te houden in wat neerkomt op gigantische thermosflessen. LNG vereist lage temperaturen, min 160 graden Celsius, maar het gas zelf is een energiebron en een deel van die energie kan worden gebruikt om het vloeibaarmakingsproces aan te drijven. Eenmaal op die temperatuur kan de vloeibare vorm van het gas relatief veilig worden opgeslagen bij atmosferische druk. Afgezien van een paar ongelukken toen de technologie nog nieuw was, heeft LNG een indrukwekkend veiligheidsrecord.

De technische problemen van het verschepen van LNG werden opgelost, de faciliteiten werden gebouwd en klanten bleken de output te kopen voordat het grote publiek zich volledig bewust was van het algemene nut van het kunnen verhandelen van gas over oceanen.

Zoals gezegd wordt waterstof al geruime tijd op grote schaal geproduceerd, weliswaar uit stoom en methaan, maar het grootste deel wordt ter plekke geconsumeerd. Tot in de jaren zestig werd waterstof ook gebruikt in stadsgaspijpleidingen, waarbij meestal zo’n 10 procent van het mengsel in een nog steeds voornamelijk methaansysteem verantwoordelijk was. Dit werd oneconomisch met de komst van de grootschalige LNG-industrie.

In tegenstelling tot LNG levert waterstof aanzienlijke problemen op bij opslag en gebruik. Het is een veel kleiner molecuul dan methaan, dus afdichtingen en leidingen die gemakkelijk methaanlekkage zouden voorkomen, houden waterstof niet vast. De vloeibaarmakingstemperatuur voor waterstof is veel lager dan die van methaan, met name minus 253 graden Celsius of slechts 14 graden boven wat natuurkundigen noemen het absolute nulpunt – kouder kunt u het niet krijgen – en kost dus aanzienlijk meer energie om dat te bereiken en te behouden. Het alternatief is om het gas onder zeer hoge druk op te slaan.

Dit leidt tot het veiligheidsprobleem. Zonder in te gaan op technische details, heeft waterstof andere verbrandings- en explosieve eigenschappen dan LNG en, zoals gezegd, een grotere neiging tot lekken. Het is een veel gevaarlijker stof dan LNG. Kenners van de geschiedenis zullen zich de explosie en brand herinneren die het Duitse luchtschip de Hindenburg in 1937 vernietigde, het luchtschip dat waterstof gebruikte. De technologie van luchtschepen werd daarna verlaten, maar de weinige van dergelijke vaartuigen die nog steeds in dienst zijn, gebruiken helium in plaats van waterstof om in de lucht te blijven. Op zijn minst zullen grote waterstofsystemen een reeks strikte veiligheidsregels en -procedures vereisen die mogelijk via de hardleerse weg moeten worden geïmplementeerd.

Dan is er het probleem dat overstappen op waterstof niet alleen gaat over het zomaar verbinden van een waterstoftank aan een bestaande motor of het gebruiken van bestaande pijpleidingen. Alles zal opnieuw moeten worden ontworpen en herbouwd, en dat alles tegen verbluffende kosten.

Geconfronteerd met deze ongemakkelijke feiten, bieden activisten tegenargumenten die variëren van zwak tot belachelijk. Ze beweren dat groene stroom zo goedkoop zal zijn dat de verspilling van het gebruik van waterstof om de stroom op te slaan er niet toe doet. Meent men dat echt?

Waarom zou niet elk land zijn eigen stroom opwekken en laat staan ​​een exportmarkt creëren? Als er intern energie moet worden verplaatst, waarom dan niet de verliezen verminderen en een transmissielijn gebruiken? Als stroom moet worden opgeslagen, dan zijn massale batterijen misschien een bijna net zo belachelijke oplossing, maar het zou in ieder geval goedkoper, efficiënter en (waarschijnlijk) veiliger zijn dan een waterstof -opslageenheid.

Een ander argument is dat waterstof goedkoop kan worden opgeslagen in zoutkoepels. Het zout kan relatief gemakkelijk worden gewonnen om grote, ondergrondse zakken te vormen voor gasopslag, zo wordt gehoopt. Er zijn ontwikkelingsprojecten in Europa en in de VS die kijken naar zoutkoepels, maar het laatste woord op dit gebied wordt overgelaten aan een ander BloombergNEF-rapport.

‘Het opslaan van waterstof in grote hoeveelheden wordt een van de belangrijkste uitdagingen voor een toekomstige waterstofeconomie. Goedkope, grootschalige opties zoals zoutcavernes zijn geografisch beperkt en de kosten van het gebruik van alternatieve vloeistofopslagtechnologieën zijn vaak hoger dan de kosten van het produceren van waterstof.’(4)

Activisten wijzen ook op het mogelijke gebruik van waterstof in de stadsgasvoorziening. Dat is in ieder geval mogelijk, maar stadsgasleidingen werken nu op veel hogere drukken dan in de jaren zestig en zijn ontworpen voor methaan, niet voor waterstof. Mogelijk zijn er veiligheidsproblemen.

Er zijn al nichetoepassingen waarbij de voordelen van waterstof opwegen tegen de nadelen, zoals in raketbrandstof en brandstofcellen voor onderzeeërs. Het gebruik van waterstof als een manier om energie op te slaan en terug te winnen was het onderwerp van veel onderzoek lang voordat het huidige activistische enthousiasme, maar in tegenstelling tot LNG is er geen technologische oplossing ontstaan ​​die het commerciële gebruik ervan in het elektriciteitssysteem mogelijk maakt.

Te oordelen naar de grote hoeveelheid onzin die over het gebruik ervan wordt gesproken en geschreven, is de belangrijkste waarde van waterstof helemaal niet commercieel. De belangrijkste waarde van het gas was om de activisten te troosten. Het is een van de vele fantasieverhalen die ze zichzelf maar blijven vertellen in de verwachting dat ze ooit het groene Nirvana zullen bereiken, ergens boven de regenboog. Het is ongeveer net zo nuttig als elk ander fantasieverhaal.

Referenties:

(1) Australië is van plan een grote exporteur van groene waterstof naar Aziatische markten te worden, maar ze hebben het niet nodig. Het gesprek, 4 april.

(2) Nationale waterstofstrategie van Australië, COAG Energy Council

(3) Liebreich: Hype scheiden van waterstof – deel twee: de vraagzijde, 16 oktober 2020.

(4) Hydrogen Economy Outlook – Kernboodschappen, BloombergNEF, 30 maart 2020

Bron: https://co2coalition.org/news/rafe-champion-guest-post-hydrogen-is-not-the-new-lng/