211service.com
Een vervuilingsvrije waterstofeconomie? Niet zo snel
Denk aan waterstof, de schone brandstof van de toekomst. Het verbrandt met zuurstof om waterdamp te maken, en alleen waterdamp - geen roet, geen stikstofoxiden, geen koolstofdioxide met zijn potentiële broeikaseffect. In zijn State of the Union-boodschap in januari kondigde president Bush een belangrijk nieuw initiatief aan. Hij stelde 1,2 miljard dollar voor aan onderzoeksfinanciering waarvan hij zei dat het de Verenigde Staten in staat zou stellen de wereld te leiden bij de ontwikkeling van schone, door waterstof aangedreven auto's. Aangespoord door deze nieuwe federale steun, zei Bush, zullen onze wetenschappers en ingenieurs obstakels overwinnen om deze auto's van laboratorium naar showroom te brengen, zodat de eerste auto die wordt bestuurd door een kind dat vandaag wordt geboren, kan worden aangedreven door waterstof en vrij is van vervuiling. Zijn verrassende aankondiging werd met enthousiast applaus begroet.
Hier is een meer pessimistische kijk op de waterstofeconomie: enorme dagbouwmijnen die een groot deel van Pennsylvania, Illinois, Utah en Colorado met littekens bedekt hebben. Elk jaar worden miljarden tonnen koolstofdioxide in de atmosfeer gedumpt vanuit faciliteiten die waterstof produceren - door de fossiele brandstoffen kolen, olie en aardgas te verbranden.
Waar is de waarheid? Ongetwijfeld ergens tussenin, maar waarschijnlijk gaat het om zware verbranding van fossiele brandstoffen.
Het belangrijkste feit is dit: waterstof is geen energiebron. Het is slechts een manier om het op te slaan en te vervoeren. Hoewel waterstof het meest voorkomende element in het heelal is (en in de meer directe omgeving maakt het 90 procent uit van de atomen in de zon en Jupiter), is er vrijwel geen waterstofgas op aarde. Onze zwaartekracht is zo zwak dat in wezen al onze oerwaterstof - behalve datgene dat zich tot zwaardere verbindingen verbond - miljarden jaren geleden de ruimte in ontsnapte. Dus waterstofbrandstof moet worden geproduceerd door het te extraheren uit water en methaan. Je haalt uit waterstofbrandstof alleen de energie die je in de winning steekt, of uit de verbranding van koolstof in het proces.
Water kan worden gesplitst in waterstof en zuurstof door elektrische stroom, het proces dat bekend staat als elektrolyse. Gewone warmte zal ook de truc doen. Boven 2.700 C valt water spontaan uiteen. Op een voldoende heet vuur (bijvoorbeeld de oliebronbranden van Koeweit) ontleedt water en recombineert het wanneer het boven de bron afkoelt.
Maar het splitsen van water is duur en we hebben de zuurstof niet nodig. Er is een veel goedkopere manier om waterstof te produceren: sproeistoom op witgloeiende kolen en er komt voornamelijk waterstofgas (40 procent) en koolmonoxide (50 procent) uit, een mengsel dat terecht bekend staat als watergas. Het is de goedkoopste manier om waterstof te maken. Helaas is het koolmonoxide dat ermee wordt geproduceerd zeer giftig. Om het laatste beetje energie eruit te halen, kan het koolmonoxide worden verbrand, en dat verandert het in het broeikasgas kooldioxide.
De productie van watergas begon in de jaren 1870. Het andere veel voorkomende geproduceerde gas was destijds steenkoolgas, gewonnen uit bitumineuze steenkool door het in een zuurstofvrije omgeving te verhitten. Steenkoolgas ging naar straatlantaarns en huizen, en het gevaarlijkere watergas werd gebruikt door de industrie. Watergas wordt nog steeds veel gebruikt bij de staalproductie en in het zogenaamde Fisher-Tropsch-proces, dat wordt gebruikt om synthetische benzine en alcoholen te maken.
In de jaren twintig vormde de ontdekking van grote ondergrondse methaanreserves een goedkoper alternatief voor steenkoolgas. Omdat het niet werd vervaardigd, werd het aardgas genoemd, de naam die vandaag nog steeds wordt gebruikt. Methaan verving ook steenkool voor de productie van watergas. Net als bij steenkool levert de productie van waterstof uit methaan een overvloed aan koolstofmonoxide op dat bij verbranding koolstofdioxide wordt.
Maar het nieuws is niet allemaal slecht. Voor dezelfde geleverde energie, dumpt de productie van waterstof uit methaan ongeveer half zoveel koolstofdioxide in de atmosfeer als het verbranden van fossiele brandstoffen. Dat komt grotendeels omdat op waterstof gebaseerde brandstofcellen efficiënter zijn dan verbrandingsmotoren. Bovendien zijn er serieuze onderzoeksprogramma's aan de gang om een manier te vinden om koolstofdioxide vast te leggen, of het nu afkomstig is van de productie van waterstof of een ander proces waarbij fossiele brandstoffen worden verbrand. Een goedkope oplossing zou kunnen zijn om het te begraven in uitgeputte gas- en oliebronnen. Mijn pessimistische gok is echter dat sekwestratie duur zal zijn. Politici zullen ervoor kiezen om koolstofdioxide in de atmosfeer te dumpen en de verborgen prijs van vervuiling te betalen, in plaats van het publiek te vragen om vooraf een prijs aan de pomp te betalen.
Toch is waterstof verre van een ideale autobrandstof. Zelfs in zijn dichtste vorm (vloeibaar) heeft waterstof slechts een derde zoveel energie per liter als benzine. Indien opgeslagen als gecomprimeerd gas bij 300 atmosfeer (een meer praktische optie), levert het minder dan een vijfde van de energie per volume als benzine. Een dergelijke lage energiedichtheid betekent dat brandstofopslag veel ruimte in beslag zou nemen in een auto op waterstof, of dat een brandstoftank van bescheiden formaat het bereik van het voertuig tussen tankbeurten ernstig zou beperken. Technologie die wordt ontwikkeld om hogere drukken mogelijk te maken, zou waterstofauto's aantrekkelijker maken.
De bekende Amerikaanse aardgasreserves zullen binnen enkele decennia verdwenen zijn, of eerder als we het voor auto's gaan gebruiken. De belangrijkste veronderstelling achter het streven naar een waterstofeconomie lijkt de overtuiging te zijn dat er enorme, onontdekte aardgasreserves zijn in de Verenigde Staten en over de hele wereld. Maar zelfs als die overtuiging niet klopt, kunnen we altijd teruggaan naar het maken van waterstof uit steenkool; daar hebben we genoeg van voor een eeuw, als we open mijnen niet erg vinden.
Ik geloof dat de waterstofeconomie onvermijdelijk is. Blijkbaar doen grote investeerders dat ook, die havenfaciliteiten opzetten voor toekomstige import van grote hoeveelheden vloeibaar aardgas.
Ik geloof ook dat de waterstof gemaakt zal worden op een manier die het goedkoopst is. Op korte termijn kunnen we overgaan op elektrolyse, aangedreven door elektriciteit uit kerncentrales. Op dit moment is kernenergie duur, denk ik, grotendeels vanwege regelgeving die wordt gedreven door het waargenomen risico van radioactiviteit. Toch denk ik dat kooldioxide in de atmosfeer op lange termijn een veel grotere bedreiging vormt voor het milieu en de gezondheid dan kerncentrales. We hebben de gevaren van kernenergie ervaren in Tsjernobyl. Voor de op koolstof gebaseerde economie is het equivalent van Tsjernobyl niet alleen de opwarming van de aarde; het is oorlog. Dat zagen we in Irak. Dus per saldo geef ik de voorkeur aan nucleair geproduceerde waterstof boven methaangeproduceerde waterstof.
Wanneer door zonne-energie opgewekte elektriciteit goedkoper wordt dan aardgas of steenkool, kunnen we de fossiele brandstoffen in de grond laten en het beste van alle werelden hebben. Goedkope zonne-energie is onvermijdelijk en we hoeven de staat Californië niet met zonnecellen te beplakken om van de voordelen te genieten. In een vierkante kilometer zonlicht is er 1.000 megawatt aan zonne-energie - het equivalent van een grote kerncentrale. Zelfs als slechts 10 of 20 procent van de energie van het zonlicht als elektriciteit wordt gewonnen, zal het oppervlak van de zonnecellen niet veel groter zijn dan wat we momenteel besteden aan kern-, gas- of kolencentrales. Energie kan 's nachts (en tijdens bewolkte dagen) worden opgeslagen in waterstof. De zonne-toekomst komt eraan.
Het creëren van een waterstofeconomie is een goed doel. Maar op de korte termijn, behoudens een heropleving van de kernenergie, zal de overgang naar waterstof waarschijnlijk een groeiende afhankelijkheid van geïmporteerd aardgas betekenen en de aanhoudende vervuiling van de atmosfeer met kooldioxide. Ondanks het optimisme van president Bush, is het zeer onwaarschijnlijk dat de eerste auto's van de kinderen van vandaag worden aangedreven door waterstof die schoon is geproduceerd. Maar misschien zijn de auto's van hun kinderen dat wel. En op de lange termijn kan onze overstap naar waterstof de overgang naar een economie op zonne-energie vergemakkelijken.