De uitweg van waterstof

Dat het Nederlandse wegverkeer van zes miljoen auto's aan het vastlopen is, weten we. Dat het ondanks opstoppingen jaarlijks 1/5 van het totale energieverbruik voor zijn rekening neemt, weten we misschien niet. En dat het een hoofdoorzaak is van de luchtvervuiling, willen we niet weten. Maar de motoren van dit verkeer zijn onvolmaakt: niet alle koolwaterstoffen in de dieselolie of benzine worden daarin verbrand, of volledig verbrand. Mochten we dit 'ergens' toch wel weten - 't is te ruiken - dan wordt er nog niet minder om gereden. Hierover moraliseren heeft weinig zin. Ook een hogere financiële belasting zal het weqverkeer niet veel terugdringen. want voor het behoud van het eigen vervoer willen we bijna alles betalen. Zelfs files, aanrijdingen en botsingen met verminkende of dodelijke gevolgen brengen het niet meer tot stilstand. Wat zin heeft voor het milieu, is een motor zonder vervuilende verbrandingsgassen.

Op zichzelf genomen voldoet de elektromotor uitstekend aan deze eis. Dat de elektrische auto echter, na een poging daartoe in het begin van deze eeuw, niet in het verkeer is doorgebroken, heeft een duidelijke oorzaak. Zijn probleem is dat het bijbehorende elektrochemische opslagsysteem van accu's een lage energiedichtheid heeft, in de orde van 105 J kg-1, die niet aanzienlijk kan worden vergroot. Ter vergelijking: de energiedichtheid van vloeibare koolwaterstoffen, zoals dieselolie en benzine, ligt tussen de 2 en 5 x 107 J kg-1. Hij moet dus heel veel kilogrammen voor zijn voeding meevoeren, wat maakt dat men de elektrische auto niet als een praktische uitweg kan zien.

Misschien geeft waterstof de uitweg. De energiedichtheid daarvan is zelfs groter dan van koolwaterstoffen. Het verbrandt tot water zonder vervuilende organische bijprodukten. Maar als het met lucht in plaats van zuurstof wordt verbrand, zoals wegens de eenvoud gebruikelijk is, ontstaan wel stikstofoxyden. In verhouding ontstaan die zelfs in sterkere mate dan bij verbranding van dieselolie of benzine, omdat de verbrandingstemperatuur hoger is. Dit geldt echter voor stochiometrische verbranding. Een overmaat van luchtdie temperatuur dalen, zodat de vorming van stikstofoxyden beperkt kan worden.

Laten we de waterstof-optie nader bekijken, in de veronderstelling dat het probleem van de stikstofoxyden praktisch oplosbaar is. Een paar decennia geleden is er intensief op gestudeerd, niet zozeer in het beperkte verband van de milieuvervuiling door het wegverkeer, als wel in het ruime verband van de vervanging van koolwaterstoffen voor het geval die op zouden raken. In het laatste decennium is die studie verslapt, omdat de wereldvoorraad van koolwaterstoffen (met name in de gasvorm) door de opsporing eerder groeit dan door het verbruik slinkt, en omdat de belangrijkste vragen beantwoord schijnen te zijn. We kunnen dus volstaan met een opsomming van de reeds verworven inzichten.

Als element (H) of molecuul (H2) komt waterstof nauwelijks in de natuur voor. Overigens: dit geldt voor de aarde. Voor de grote planeten, de zon, de meeste sterren en het interstellaire gas geldt dat het in die vorm veel voorkomt, zeer veel zelfs. In onze eigen omgeving is het echter voornamelijk aan andere atomen gebonden. Verreweg het meeste zit aan zuurstof vast en vormt oceanen van H2O. Om waterstof te verkrijgen moet het dus uit die verbindingen los gemaakt worden. Onttrekken we het aan water van de oceanen, dan vergt dat 240 kJ per mol of 2,5 eV per molecuul aan energie. Afgezien van verliezen wordt dezelfde energie bij verbranding terug geleverd. Het maken van waterstof kost daarom energie. Toen men enkele decennia geleden dacht dat kernsplijting snel een overvloedige bron van goedkope energie op zou leveren, stelde men zich voor een flink deel daarvan in waterstof te investeren. Het waren niet toevallig de kernreactorinstituten die zich op de waterstoftechnologie wierpen.

We weten nu dat die gedachte naïef is geweest. We kunnen niet verwachten dat energie ooit veel goedkoper zal worden dan nu het geval is. Waterstof zal duur zijn in vergelijking met koolwaterstoffen, die de natuur om niet geeft en die alleen kosten wat winning, veredeling, vervoer, winst en accijns moeten opbrengen. Maar zorg om het milieu kan een reden zijn om het toch te maken.

We kunnen het chemisch en elektrolytisch uit het water halen. De eerste methode wordt bij voorkeur als een kringloop opgezet, om zo weinig mogelijk afvalprodukten te maken. Verschillende kringlopen zijn mogelijk. Zo is veel gestudeerd op de zwavelkringloop:

SO2 + 2 H2O --> H2SO4 + H2,een elektrochemische reactie die plaatsvindt in een elektrolyt van zwavelanhydriet bij 25 C, en vervolgens:

H2SO4 --> H2O + SO2 + 1/2 O2,

een sterk endotherme thermochemische reactie die plaatsvindt bij de hoge temperatuur van 800 C. In de tweede stap zit het venijn van corrosie (heet zwavelzuur!) en milieubelasting (geen lek boven emissienormen voor zwaveldioxyde). In mindere mate is gestudeerd op een kringloop met ijzerchloride. Het is twijfelachtig of de problemen van warmte-overdracht, reactiekinetiek en materiaalaantasting, die de chemische methode met zich meebrengt, bevredigend kunnen worden opgelost. We mogen daarom de voorkeur geven aan de andere, tweede methode.

Bij elektrolyse wordt de noodzakelijke energie niet door warmte toegevoerd, zoals in het bovenstaande proces, maar door elektriciteit. Beperken we ons tot elektrolytische waterstofproduktie bij lage temperaturen, dan komt die in een cel met kaliloog (KOH) het eerst in aanmerking:

2H2O+2e --> 2OH-+H2

is de reactie aan de anode van de cel, en na transport van de hydroxylionen door de elektrolyt is:

2OH- --> H2+O2+2e

de reactie aan de kathode; de elektronen (e) worden getransporteerd in een extern elektrisch voedingscircuit. Het omzettingsrendement is 80% of wat hoger. Bij de gebruikelijke celtemperatuur van circa 80 oC lopen de elektrodereacties echter langzaam en bovendien is de diffusie van hydroxylionen door de als membraan uitgevoerde elektrolyt traag.

Men heeft zich ingespannen om de kaliloog-cel te verbeteren, met name in haar kinetiek. Ter versnelling van de reacties zijn tientallen verschillende katalysatorlaagjes op de nikkelelektroden uitgeprobeerd, soms van zeldzame en dure materialen zoals iridium en rhenium. Vooral de hoge diffusieweerstand van het membraan is aangepakt door tientallen verschillende anorganische en ook organische materialen uit te proberen. Men kan nog niet zeggen wat de beste combinaties zijn. Natuurlijk kan de kinetiek ook worden versneld door de celtemperatuur te verhogen, tot 140 oC bijvoorbeeld. Het ziet er echter wel naar uit, dat de kaliloog-cel goed bruikbaar is; zij wordt ook in de praktijk van waterstofproduktie uit 'overtollige' hydro-elektriciteit al toegepast.

Met deze produktie zijn we er echter niet. Voor de toepassing in het verkeer moet het waterstofgas ook veilig opgeslagen en vervoerd kunnen worden. Wat veiligheid betreft heeft waterstof een slechte naam. Binnen een ruime marge van mengverhoudingen met lucht is het explosief en de ontstekingsenergie is gering. Bovendien diffundeert het zelfs door metalen wanden heen, met lekverliezen en verbrossing van de wanden als gevolg.

Voor het verkeer mogen we daarom de voorkeur geven aan een zwak gebonden vorm van waterstof, die een ongecontroleerde reactie met zuurstof uitsluit. Die vinden we in vaste metaalhydriden.

Een groot aantal metalen (en legeringen) kan namelijk waterstof opnemen in een zwak exotherme reactie van het type:

M + (x/2)H2 --> MHx,

waar M het metaal (of de legering) voorstelt en x een klein getal is. Tot op grote hoogte is deze reactie omkeerbaar. Enige verwarming brengt H2 weer uit het hydride MHx te voorschijn. Met de verwarming kan men dus de voor een motor gewenste aanvoer van H2 regelen, zodat de veiligheid gewaarborgd wordt. De bovengenoemde gemakkelijke diffusie van waterstof leidt er toe dat het metaal door en door beladen kan worden, soms tot aan atomaire dichtheden toe. De daarbij behorende druk nkT (n is de dichtheid en kT de thermische energie) is zeer groot (soms boven 108 pascal of 103 bar).

Aan de hydriden van LaNi5 en van FeTi is veel onderzoek gedaan, maar aan die van lichte metalen, zoals Mg, minder. Wegens gewichtsbesparingen zijn de hydriden van lichte metalen het aantrekkelijkst, een reden waarom de auto-industrie ze bestudeert. De energiedichtheid van waterstof in MgH2 is 0,92 x 107 J kg-1, wat nauwelijks lager is dan die van vloeibare koolwaterstoffen. Aan het tempo van opname en afgifte van de waterstof, de omkeerbaarheid daarvan en de materiaalverbrossing valt echter nog wel het een en ander uit te zoeken.

Overzien we het bovenstaande, dan lijkt waterstof inderdaad de uitweg te bieden naar een schoon verkeer. Om zover te komen is aanvullend materiaalonderzoek nodig, voorts de ontwikkeling van een infrastructuur en, wat mij betreft, een extra heffing op dieselolie en benzine om de elektriciteit te betalen die de elektrolytische waterstofproduktie kost.


Free web hostingWeb hosting