Wat is waterstof?

Waterstof is een chemisch element met het symbool H en atoomnummer 1. Het element komt als zodanig niet in geïsoleerde vorm voor in normale omstandigheden. Waterstof vormt zich door hoge reactieve verbindingen en is het meest voorkomende element in het universum.

Het wordt gezien als een oplossing die kan bijdragen aan het verduurzamen van de energievoorziening en het terugdringen van de CO2 uitstoot.

Tevens wordt het gezien als schone brandstof omdat bij verbranding geen milieubelastende stoffen vrijkomen. Waterstof is eigenlijk geen brandstof maar een energiedrager. Met behulp van energie wordt water omgezet in waterstof, waarna deze energie bij verbranding van waterstof weer grotendeels vrijkomt.

Waterstof kan gewonnen worden uit water, of uit gassen waar het waterstofmolecuul in aanwezig is. Voorwaarde voor het klimaatneutraal produceren van waterstof is dat de energie die hiervoor gebruikt wordt, afkomstig is uit duurzame energiebronnen in plaats van uit fossiele brandstoffen.

Grijze waterstof

Om te spreken van duurzaam verkregen waterstof, zullen we moeten kijken naar de manier waarop deze tot stand gekomen is. Wat is het verschil tussen grijze, blauwe en groene waterstof? Om hier een antwoord op te geven moeten we kijken naar de afkomst van de energie, die gebruikt wordt om waterstof te maken.

Deze energie kan afkomstig zijn uit verschillende grondstoffen. De waterstof die momenteel veelvuldig in de industrie gebruikt wordt is afkomstig uit aardgas (CH4).

Met behulp van elektrolyse, een proces waarbij aardgas onder verwarming wordt gekraakt, ontstaat waterstof en koolstofdioxide (CO2). Deze vrijgekomen CO2 is echter een belasting voor het milieu en daarom spreken we hier nog niet van schone waterstof maar van grijze waterstof.

Blauwe waterstof

Bij blauwe waterstof maken we nog steeds gebruik van aardgas. Wel is deze variant iets milieuvriendelijker dan de grijze variant.

De CO2 die bij de productie van blauwe waterstof ontstaat, wordt afgevangen en gecontroleerd opgeslagen.

Groene waterstof

Bij groene waterstof wordt met behulp van duurzame energie waterstof gewonnen in plaats van uit aardgas. Met behulp van een elektrische spanning en de toevoeging van een lage concentratie van een elektrolyt (voor een betere geleiding) wordt water gescheiden in waterstofgas en zuurstofgas.

De benodigde energie die nodig is voor de elektrolyse is in dit geval afkomstig uit windgeneratoren, zonnepanelen en biomassa. Er is sprake van groene waterstof doordat deze schoon verkregen is.

Transitie

Welke rol speelt waterstof in de energietransitie? Waar momenteel gebruik gemaakt wordt van fossiele grondstoffen voor verwarming en mobiliteit, zal gekeken moeten gaan worden naar duurzame alternatieven. Kortom; slimmer omgaan met de aanwezige energie in warmte, in opslag van goederen en grondstoffen en in mobiliteit en beweging.

Industriële processen die dit slimmer gebruik van energie ondersteunen zijn power-to-heat installaties, power-to-gas installaties en battery equipt vehicles. Waterstof speelt in al deze processen een hoofdrol.

Zo kan waterstof, door gebruik te maken van een brandstofcel (FC), elektriciteit voor mobiliteit en verwarming leveren. Ook kan waterstof gebruikt worden voor het produceren van aardgas (het omgekeerde traject) of andere synthetische brandstoffen, die dan ook weer in verbrandingstoepassingen kunnen worden ingezet voor mobiliteit en verwarming.

Nu en in de toekomst zullen veel nieuwe technologiën en systemen met betrekking tot waterstof worden ontwikkeld. Het begint bij elektrolyse-installaties en eindigt niet bij brandstofcellen. Ook technologie voor inzet van aardgassystemen, CO2-vrije synthese van methaan en e-fuels is nodig.

Power-to-Gas (P2G)

Windenergie levert een belangrijk aandeel in het reduceren van de CO2 uitstoot. Bij power-to-gas gebruik je de elektriciteit van windmolens om water te splitsen in waterstof en zuurstof.

Een goed voorbeeld voor het klimaatneutraal produceren van waterstof, de energie die bij power-to-gas gebruikt wordt is afkomstig van duurzame energiebronnen.

Power-to-Heat (P2H)

Bij Power-to-heat (P2H) wordt elektrische energie omgezet in warmte. Het systeem kan worden ingezet in energiecentrales, biogasinstallaties en in warmtepompsystemen.

In het geval van een gecombineerde warmte- en energiecentrale optimaliseert een P2H systeem de efficiëntie en het gebruik ervan.

Sprekers JUMO tijdens FHI webinar 26 november a.s.

picture
Steven de Graaf
Directeur

"Door de uitgebreide kennis en ervaring op het gebied van waterbehandeling, biedt de productie van waterstof volop kansen voor de industrie in Nederland."
picture
Marco Teunizen
Technisch Adviseur

" Waar momenteel gebruik gemaakt wordt van fossiele grondstoffen voor verwarming en mobiliteit, zal gekeken moeten gaan worden naar duurzame alternatieven."

Energiedrager voor de toekomst

FHI webinar Waterstof | 26 november 2020

Op donderdag 26 november organiseert FHI de Waterstof online kennisdag. Er wordt een grote rol verwacht van waterstof in de verduurzaming van het energieverbruik. De eerste waterstofauto’s en tankstations zijn een feit, er wordt getest met het bijmengen van waterstof in het gasnet en er zijn plannen voor grootschalige productie en opslag van waterstof op de noordzee.

Om waterstof te kunnen gebruiken in nieuwe of bestaande installaties, is het echter belangrijk om te weten hoe het gas zich gedraagt in verschillende situaties en wat dit betekent voor de gebruikte instrumentatie en materialen. Laat u informeren door onze experts en schrijf u gratis in voor dit interactieve webinarprogramma.

Het Waterstof online kennisevent wordt mede mogelijk gemaakt door:

 

 

Topics 26 november 2020

 

9.30 - 10.00 uur

De rol van waterstof in de energietransitie | Wat zijn de actuele vraagstukken?

Johan Knijp - DNV GL

10.30 - 11.00 uur

Wat zijn specifieke eisen bij het kiezen van instrumentatie voor het meten van waterstof?

Marco Teunizen - JUMO Meet- en Regeltechniek B.V.

11.30 - 12.00 uur

De bijzondere effecten die het meten van waterstof zo lastig maken.

Sander de Knegt - Tradinco Instruments

13.00 - 13.30 uur

Het meten van waterstof in de automotive met het coriolis meetprincipe.

Walter van den Bogaerdt - Kobold Instrumentatie

14.00 - 14.30 uur

Contactvrije flowmeting bij transport en opslag van aardgas/waterstof bij de energietransitie.

Joost van Parreeren - FLEXIM Instruments Benelux


Programma JUMO in webinar FHI 26 november 2020

Wat zijn specifieke eisen bij het kiezen van instrumentatie voor het meten in waterstof?

JUMO zal tijdens dit webinar allereerst een algemene indruk geven van wat waterstof is en hoe waterstof geproduceerd kan worden.

Welke processen komen er kijken bij het duurzaam produceren van waterstof en met welke instrumentatie krijgen we dan te maken.

Welke instrumentatie komt in directe aanraking met waterstof en waar moet je dan op letten bij de keuze van deze instrumentatie.

We kijken daarbij naar temperatuur- en druksensoren en wat daarbij komt kijken als het gaat om materiaalkeuze en veiligheid.

FHI webinars zijn kosteloos. Registratie voorafgaand aan het webinar is noodzakelijk


JA, ik meld mij aan


Webinar 26 november 2020

Waterstofproductie

Door de uitgebreide kennis en ervaring op het gebied van waterbehandeling, biedt de productie van waterstof volop kansen voor de industrie in Nederland.

Hoe ziet het waterstofproductieproces er eigenlijk uit?

Voor de productie van waterstof uit water via elektrolyse, is de-mineralisering van regulier zoetwater nodig. Tijdens dit proces dienen verschillende grootheden gemeten en gemonitord te worden, zoals: geleidbaarheid, temperatuur, lage en hoge druk en doorstroming. De veiligheidselektronica mag hierbij niet vergeten worden.

De markt voor elektrolyse groeit het komend decennium naar verwachting van honderd miljoen naar vijf miljard euro in Noordwest-Europa, aldus TNO Nederland.

Waterstofproductie

Onderstaand bekijken we stap voor stap wat er komt kijken bij de productie van waterstof.

Waterbehandeling

Voor de productie van waterstof maken we gebruik van energie en water, hieruit ontstaat -met behulp van elektriciteit- waterstof. Het proces start dus met de behandeling van water. Met behulp van ionenwisselaars of het reverse osmose proces kan van het beschikbare water, zuiver water gemaakt worden.  De geleidbaarheid van gedeïoniseerd (gedemineraliseerd) water mag ca. 0.5-1.0 micro Siemens per cm zijn. Voor het goed functioneren en een optimale levensduur van ingangs(leiding)water, is een betrouwbare watervoorbehandeling essentieel.

De eerste stap begint dus met een goede voorbehandeling van het water. Ultrapuur water is vereist om te garanderen dat de te produceren waterstof vrij is van schadelijke stoffen. Voor elektrolyse zal een nabehandeling (polishing) noodzakelijk zijn. Nederland kent partijen die erg goed zijn in waterbehandeling en de nodige systemen leveren voor laboratoria tot en met industriële toepassingen.

Elektrolyse

De volgende stap is het elektrolyse proces, dit proces is nodig om het schone water te splitsen in waterstof en zuurstof. Er zijn verschillende elektrolysemethodes, die afhankelijk van de toepassing, kunnen worden ingezet. Bijvoorbeeld alkaline elektrolyse of PEM elektrolyse.

Alkaline elektrolyse is momenteel de meest toegepaste en meest ontwikkelde en gebruikszekere variant. AEL systemen worden ingezet in de metaalindustrie, glasindustrie of andere industriële toepassingen voor een stabiele continue vraag. Bijvoorbeeld in gevallen waar de aanlevering van waterstof en/of zuurstof met tubetrailers via de weg niet mogelijk is (afstand tot de bron ontoegankelijk of te groot).

Proton Exchange Membrane elektrolyse (PEM) is relatief nieuw. PEM heeft specifieke voordelen die aan deze technologie worden toegeschreven, in combinatie met de producten van (wisselend aanbod van) wind- en zonne-energie en de bijbehorende netbalancering.

In vergelijking met AEL zijn deze voordelen:

  1. Geen corrosieve vloeistof (AEL: kaliumhydroxide)
  2. Snelle responstijd
  3. Dynamische werking (turn up / turn down)
  4. Korte opstartfase (turn on / turn off)
  5. Compacte en modulaire bouwwijze
  6. Hoge(re) efficiency bij grotere systemen
  7. Minder onderhoud

 

Opslag

Voor de derde stap staan we stil bij de opslag van waterstof. Het waterstofgas dat uit het elektrolyseproces is ontstaan, moet op een bepaalde manier worden opgeslagen. Dit gebeurt met behulp van een compressor waarin de druk verhoogd wordt, wat ervoor zorgt dat het waterstofgas samengeperst opgeslagen kan worden. Sensoren voor temperatuur en hoge druk ondersteunen dit proces. Voor gebruik in de transportsector bedraagt de druk 350 bar voor bussen en vrachtwagens en 700 bar voor personenauto's.

Waterstof wordt vloeibaar bij -253 ° C, en kan o.a. vervoerd worden per tankwagen, bijvoorbeeld voor afnemers waar een zeer hoge productzuiverheid, of een grote levering op korte termijn noodzakelijk is.

Gasvormige waterstof wordt in de industrie opgeslagen in flessen en tanks (cilinders) onder diverse drukbereiken en inhoud. Variërend van enkele grammen per fles tot vele honderden kilo's voor opslagtanks en (gas)trailers.

 

Waterstof gebonden aan een drager kent talloze mogelijkheden en wereldwijd vindt er onderzoek plaats op dit gebied. Een van de mogelijk aantrekkelijke dragers voor waterstof is methylcyclohexaan (MCH). De waterstof is hier gebonden aan tolueen. MCH is een vloeistof die per olietanker vervoerd kan worden en in normale olietanks kan worden opgeslagen. Na transport maakt men de waterstof weer los van het tolueen. Tolueen kan weer worden gerecycled.

Een andere mogelijk aantrekkelijke drager voor waterstof is ammoniak. Ammoniak wordt gemaakt door stikstof, afkomstig uit de lucht, te binden aan waterstof. Het is bij -33 ° C vloeibaar en kan direct dienen als grondstof of als brandstof of weer worden omgezet in waterstof en stikstof. In Nederland wordt eveneens onderzoek gedaan naar natriumboorhydride (NaBH4) en mierenzuur (CH202) als drager voor waterstof.

Koeling / Uitgifte

Nadat waterstof geproduceerd en opgeslagen is, willen wij het ook graag gaan gebruiken. Dan komen we aan bij de laatste stap. De uitgifte. Tijdens het proces van het terugbrengen van de hoge druk (van de opslag), naar een normaal drukniveau komt warmte vrij. Als gas vanuit een hoge druksituatie wordt vrijgelaten naar een lage druk situatie komt er een hoop warmte vrij die gekoeld moet worden. Luchtkoelsystemen of warmtewisselaars kunnen hierin een rol spelen.

Gedurende het koeling- en uitgifteproces moet de temperatuur gemonitord worden. Het ontbrandingsgevaar bij waterstof ligt op 85 ° C, het is dus erg belangrijk dat de temperatuur onder dit niveau blijft. Het inzetten van veiligheidsgecertificeerde apparatuur is hierbij een vereiste (ATEX, SIL).

Safety performance van JUMO

In de waterstofproductieketen staan de meetgrootheden temperatuur en druk in direct contact met waterstof.  Verder is het belangrijk op de verschillende meetpunten gedurende het productieproces te kijken naar explosieveiligheid. ATEX of SIL (Safety Integrity Level) zijn certificeringen die toepasbaar zijn als het gaat over veiligheid.

JUMO Safety Performance omvat de uitgebreide veiligheidsrange van JUMO. Ieder product met dit kenmerk is voor veiligheidstoepassingen geschikt. Daaronder valt apparatuur die SIL en PL gecertificeerd is en alle passieve elementen die voor gebruik in SIL en PL-meetkringen geschikt zijn. Zij worden gekenmerkt als SIL Qualified en PL Qualified.

Wilt u meer weten over veiligheidsmogelijkheden voor uw eigen toepassing klik dan hier.

Webinar 26 november 2020

Instrumentatie

Alle verschillende elektrolysesystemen hebben één ding gemeen: het veilig en stabiel bedienen ervan.

Bij het kiezen van de juiste instrumentatie is het belangrijk rekening te houden met het materiaal dat in direct contact staat met waterstof (denk aan de temperatuur- en druksensoren).

Omdat waterstof het kleinste atoom op aarde is, is het erg invasief gevoelig. Daarnaast gaat waterstof gemakkelijk verbinding aan met zuurstof en andere andere atomen.

Bij het gebruik van verkeerd of kwalitatief minder materiaal kunnen twee problemen ontstaan: diffusie of verbrossing. Dit kan leiden tot gevaarlijke situaties.

We spreken van diffusie wanneer het waterstofatoom door de openheid van de kristalstructuur van een materiaal heen gaat, dit kan lekkage tot gevolg hebben.

Bij verbrossing spreken we van de verbinding die het waterstofatoom aan gaat met een materiaal, waardoor in het materiaal verlies van taaiheid en sterkte optreedt, met een materiaalbreuk tot gevolg. Iets wat te allen tijden dient te worden voorkomen bij opslag van waterstofgas.

Sensoren die in contact komen met waterstof dienen dus van gecertificeerde materialen gemaakt te zijn.

Temperatuur- en drukmeettechniek voor waterstof

picture
MIDAS druksensor Extreem belastbaar
  • Compacte bouwvorm
  • Gelast meetsysteem
  • RVS scheidingsmembraan
picture
Temperatuursensoren ook met IO-link verkrijgbaar
  • Hoge dichtheid
  • Pt100. Pt1000, Pt500
  • IP65 beschermklasse
picture
dTRANS p20 druksensor met aanwijzing
  • HART@interface
  • Ex ia veilig
  • Tot SIL zone 0