Waterstof op weg naar de praktijk

Transcriptie

1 Waterstof op weg naar de praktijk Verslag van de dag Waterstof voor Bestuurders en Beleidsambtenaren georganiseerd door ECN en JRC-IE op 6 april 2006 te Petten. ECN JRC Frank de Bruijn Marc Steen

2 Onder redactie van: Frank de Bruijn Diederik van der Hoeven Marc Steen Met dank aan: Fiona Montijn-Dorgelo Dit is een uitgave van: Aanbevolen door:

3 Voorwoord Waterstof is vandaag de dag een veelbesproken onderwerp. Sommigen zien het als een totaaloplossing voor alle problemen die voortkomen uit het gebruik van Fossiele Brandstoffen. Anderen als een onrealistische droom van technici die alleen maar tot energieverspilling kan leiden. Er worden rond het thema waterstof veel conferenties georganiseerd voor een technisch publiek, en voor de zogenaamde "stakeholders", de partijen die een economisch belang hebben in de sectoren waar waterstof toegepast kan worden, of die de technologie ontwikkelen die nodig is voor de inzet van waterstof in onze samenleving. Grootschalige inzet van waterstof vereist naast nieuwe technologie ook opbouw van infrastructuur, maatschappelijke acceptatie en nieuwe regelgeving. Omdat de voordelen van inzet van waterstof met name op de lange termijn liggen, bestaat de neiging om er nog maar niet aan te beginnen. Er aan beginnen betekent namelijk kosten maken. De ontwikkeling van zowel de toepassingen als de infrastructuur voor waterstof vergt veel tijd en geld. Nu beginnen aan structurele oplossingen voor onze problemen met stedelijke luchtverontreiniging, de zekerheid van onze energievoorziening en de opwarming van ons klimaat vereist visie en daadkracht. Eén ding staat in ieder geval vast: de overheid speelt een cruciale rol bij de verdere introductie van waterstof in onze maatschappij, zowel op nationaal, regionaal en lokaal vlak. Op 6 april 2006 werd daarom speciaal voor deze overheden een "Waterstofdag voor Bestuurders" georganiseerd door het Energieonderzoek Centrum Nederland en het Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek van de Europese Commissie. Deze dag werd bezocht door meer dan 100 mensen van provincies, gemeenten, ministeries en brandweer. Naast lezingen over de algemene achtergrond, veiligheid en regelgeving, hoorden zij ook hoe waterstof nu al wordt toegepast in de mobiele sector en in de gebouwde omgeving. Het unieke karakter van deze dag blijkt uit het feit dat de dag officieel is aanbevolen door de Implementatie en Liaison Commissie van de IHPE, het Internationale Partnership voor de Waterstofeconomie ( als een IHPE-evenement. Iedereen was daarnaast in de gelegenheid zelf te rijden in een brandstofcelauto van Daimler Chrysler, en werkende brandstofcelsystemen te aanschouwen die in noodstroom kunnen voorzien. Dit boekje geeft een overzicht van deze dag, en is zowel bedoeld voor de bezoekers van deze dag als voor ieder ander die geïnteresseerd is in de rol die waterstof kan spelen in onze toekomstige energiehuishouding. Frank de Bruijn Energieonderzoek Centrum Nederland Marc Steen Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek Europese Commissie

4

5 Waterstof - inleiding Frank de Bruijn Unitmanager Waterstof en Schoon Fossiel Energieonderzoek Cenrum Nederland Wat is Waterstof? Waterstof is het lichtste element op aarde. Het is een kleurloos, reukloos, niet giftig gas. Bij kamertemperatuur en een normale luchtdruk weegt 10 liter waterstofgas slechts 0.9 gram. Als het brandt is de vlam onzichtbaar, tenzij andere verontreinigingen in de vlam aanwezig zijn. De engelse naam, Hydrogen, verwijst naar het Griekse Hydro (water), en Genes(vormend), omdat de reactie van waterstof en zuurstof tot de vorming van water leidt. Figuur 1. Waterstofvlam. Foto: Sandia National Labs, USA. Reeds lang geleden werd waterstof ontdekt, in 1766 door Henry Cavendish. Het zijn vooral de chemische eigenschappen van waterstof die maken dat waterstof vandaag de dag in veel processen gebruikt wordt. Omdat waterstof zich makkelijk aan zuurstof bindt, wordt het gebruikt om metalen in hun puur metallische toestand te brengen, vrij van oxides (roest). Ook wordt waterstof gebruikt om olieën en vetten te behandelen, zodat ze vast worden bij kamertemperatuur. Een ander proces waarin veel waterstof gebruikt wordt is de productie van benzine, met als doel deze steeds schoner te maken, en beter geschikt voor volledige verbranding in de automotor. Waterstof kan daarnaast ook zelf als brandstof worden gebruikt, vergelijkbaar met de toepassing van andere gasvormige brandstoffen. Dit kan zowel voor vervoerstoepassingen, als voor opwekking van elektriciteit en warmte. In vergelijking met andere brandstoffen, zoals aardgas, LPG, benzine, diesel en kolen zijn er zowel evidente voordelen als nadelen aan het gebruik van waterstof verbonden. Een belangrijk verschil met veel andere brandstoffen is dat waterstof een energiedrager is en geen primaire energiebron: waterstof zal gemaakt moeten worden uit een andere beschikbare bron. In dat opzicht is waterstof vergelijkbaar met elektriciteit.

6 Vergelijking met andere brandstoffen Waterstof is in vergelijking met nu gangbare brandstoffen moeilijk hanteerbaar. Dit wordt veroorzaakt door de lage volumetrische dichtheid van waterstof bij atmosferische omstandigheden. Opslag en transport van waterstof wordt door deze lage dichtheid bemoeilijkt, en kost relatief veel energie [1]. Zo heeft vloeibaar waterstof een hoge volumetrische energiedichtheid, maar om waterstof vloeibaar te maken moet zij afgekoeld worden tot -253 ºC. Dit koelen kost tot ca 30% van de energieinhoud van waterstof. Ook het koel houden vergt zeer goede isolatie van de opslagtank. Comprimeren van waterstof tot een druk van 350 tot zelfs 700 bar leidt ook tot een hoge volumetrische energiedichtheid, maar kost ca 15-25% van de energieinhoud van de waterstof. Daarom zijn alternatieve opslagtechnieken in ontwikkeling die minder energie vergen. Opslag in de vorm van metaalhydriden, zoals ook al toegepast in nikkel-metaalhydride batterijen, is hier een voorbeeld van. Tabel 1. Eigenschappen van waterstof in vergelijking met aardgas en benzine Waterstof Methaan Benzine (aardgas) Smeltpunt (atm druk), ºC [13] [15] - 20 [15] Kookpunt (atm druk), ºC [15] [15] [15] relatieve dichtheid gas (lucht =1) 0.07 [15] 0.6 [15] 4 [15] relatieve dichtheid vloeistof (water =1) [13] 0.5 [14] [15] verbrandingswaarde LHV 120 [14] 50 [14] 44.5 [14] (Lower Heating), MJ/kg verbrandingswaarde LHV [14] [14] 31.1 [14] (Lower Heating), MJ/l (atmosferisch) Vlampunt (ºC) brandbaar gas brandbaar gas < - 20 [15] Waarom waterstof? De belangrijkste redenen om ondanks de nadelen van waterstof ons toch voor te bereiden op wijd gebruik van waterstof, zijn: - het steeds schaarser worden van fossiele bronnen, en de afhankelijkheid van politiek instabiele regio's voor het verkijgen van deze bronnen - de met het gebruik van fossiele bronnen gepaard gaande emissies van CO 2 - de lokale luchtverontreiniging die veroorzaakt wordt door gebruik van fossiele bronnen in met name vervoerstoepassingen Schaarste aan fossiele bronnen Met de nu bekende reserves aan olie kunnen we met het huidige verbruik nog zo'n 40 jaar voort [2]. Zo'n 40 jaar moet natuurlijk in perspectief geplaatst worden: in 1980 konden we met de toen bekende reserves nog 30 jaar mee met het toenmalige verbruik. De komende jaren zullen uiteraard weer nieuwe reserves ontdekt worden. De algemene overtuiging wordt echter steeds meer dat er een eind komt aan wat men goedkope olie noemt. Dit is de makkelijk winbare olie die tegen lage productiekosten beschikbaar komt. Daarnaast is er moeilijk winbare olie, vervat in teerzanden. Deze is in grote voorraden beschikbaar in onder andere Canada. Het winnen ervan wijkt sterk af van die van conventionele olie, en gaat

7 gepaard met groot verbruik van water en energie, en er komt bij de omzetting naar brandstoffen ca 25% meer broeikasgassen vrij dan bij conventionele aardolie [3]. De transportsector, zowel het wegverkeer als ook water en luchtverkeer, is nu geheel aangewezen op aardolieprodukten. Met het schaarser worden van aardolie wordt de interesse in alternatieve brandstoffen steeds groter. Een belangrijk politiek aspect hierbij is dat een steeds groter deel van de olievraag gedekt wordt door levering vanuit instabiele regio's. Daardoor groeit de behoefte aan brandstoffen die door de consumerende landen zelf geproduceerd kunnen worden, dan wel gewonnen worden uit bronnen die beter geografisch verspreid zijn. CO 2 emissies De relatie tussen de gemeten stijging van de atmosferische CO 2 concentraties sinds de industriële revolutie en de temperatuurstijging als gevolg daarvan staat nauwelijks meer ter discussie, evenmin als de invloed van het gebruik van fossiele brandstoffen hierop. Klimaatmodellen, zoals het KNMI onlangs heeft gepubliceerd [4], voorspellen voor de periode 2050 tot 2100 naast deze gemiddelde temperatuurstijging diverse effecten, zoals frequenter optreden van intensieve regenval, extreem warme dagen, en stijging van de zeespiegel. Op mondiale schaal neemt ook de kans op zeer zware orkanen toe [5], die ieder voor zich zowel grote aantallen slachtoffers als ook enorme economische schade met zich mee brengen. Zo is de schade van orkaan Katrina door verzekeraars vastgesteld op 38 miljard Amerikaanse dollars [6]. De Europese Unie heeft als doel gesteld de wereldwijde temperatuurstijging te beperken tot 2 C, wat wordt gezien als een stijging waarbinnen de effecten nog enigszins te overzien zijn [7]. Om dit te bereiken, dienen de CO 2 emissies in de huidige geïndustrialiseerde landen gereduceerd te worden met ca % in 2050 [8]. Tegelijkertijd dienen opkomende landen als China en India meteen te beginnen met lage emissie-technologie.

8 Lokale luchtverontreiniging Het gebruik van fossiele brandstoffen in verbrandingsprocessen leidt naast de emissie van kooldioxide tot emissie van stikstofoxiden, fijn stof, onverbrande vluchtige koolwaterstoffen, koolmonoxide en zwaveloxiden. Deze emissies hebben ieder voor zich schadelijke effecten op de menselijke gezondheid en het milieu. Het directe verband tussen luchtverontreiniging en de gezondheid valt alleen uit statistische gegevens te herleiden. Uit deze statistische verbanden valt af te leiden dat lokale luchtverontreiniging leidt tot verhoogde sterftecijfers en verhoogde ziekenhuisopnameaantallen. Feit is dat in Nederland op veel locaties niet voldaan wordt aan de voor de volksgezondheid vastgestelde emissienormen voor fijn stof [9]. Figuur 2. Twee voorbeelden van luchtverontreiniging door het vervoer. Links: smogvorming in Parijs. Rechts: NOx emissies in Europa. Geel en rood geven hoge tot zeer hoge concentraties van NOx weer. Hoe kan waterstof hierin helpen? Voorzieningszekerheid Waterstof is een energiedrager die uit veel verschillende bronnen gemaakt kan worden, zie figuur 3. Met deze waterstof kan het vervoer van brandstof worden voorzien. Waterstof is dan een brandstof waarmee derhalve auto's kunnen rijden op windenergie, zonne-energie, biomassa, kolen, aardgas, kernenergie en waterkracht, zonder dat we telkens een andere motor nodig hebben. Voor het vervoer zijn we dan opeens veel minder afhankelijk geworden van aardolie. Daarnaast kan met waterstof ook elektriciteit en warmte worden geproduceerd voor de gebouwde omgeving. Omdat waterstof uit zeer veel bronnen gemaakt kan worden, biedt het de mogelijkheid om een veel flexibelere energiehuishouding te creëren dan onze huidige, waarin aardolie voor het vervoer, aardgas voor huishoudelijk gebruik en aardgas en kolen voor centrale elektriciteitsopwekking domineren. Klimaat Omdat waterstof zelf geen koolstof bevat, vindt bij de omzetting ervan geen emissie van kooldioxide plaats. Het is de primaire energiebron waaruit de waterstof wordt gemaakt en het rendement van de gehele keten van bron tot eindgebruik, die bepaalt hoeveel kooldioxide uiteindelijk vrijkomt. De energiebron die nu het meest in aanmerking komt om waterstof uit te produceren is aardgas. Dat is een fossiele bron met een hoge waterstof/koolstof verhouding, waardoor de waterstofopbrengst hoog is en de kooldioxide uitstoot relatief laag. De aardgas voorraad is groot, ten opzichte van de voorraad aan olie. Indien de geproduceerde CO 2 wordt afgevangen, dan is deze waterstof klimaatneutraal.

9 Op de langere termijn is het aantrekkelijk waterstof uit andere bronnen te maken. Dit kunnen hernieuwbare bronnen zijn, zoals windenergie, zonne-energie en biomassa, of kolen en nucleaire energie. Waterstof uit kolen is vanuit het oogpunt van klimaatbeleid alleen verantwoord als het daarbij vrijkomende kooldioxide wordt afgevangen en opgeslagen. Waterstof uit nucleaire energie is weliswaar klimaatneutraal, maar gaat wel gepaard met de productie van radioactief afval. Stedelijke luchtkwaliteit Een zeer belangrijk voordeel van waterstof is dat bij de omzetting ervan naar kracht en warmte, er veel minder tot geen schadelijke stoffen geproduceerd worden. Hierdoor kan waterstof een belangrijke rol spelen bij het verbeteren van de luchtkwaliteit. Met name bij gebruik in de vervoerssector kunnen de emissies van fijn stof, stikstofoxiden en onverbrande koolwaterstoffen sterk gereduceerd worden. Waterstof als onderdeel van de gehele energieketen Er zijn vele mogelijkheden om waterstof te produceren, te distribueren en in te zetten. De keuze voor de bronnen worden onder andere bepaald door de beschikbaarheid en kosten van de diverse bronnen, en wat voor andere toepassingen er zijn voor de betreffende bron. Zo kan men middels elektrolyse waterstof maken uit windenergie, maar dezelfde windenergie kan ook direct als elektriciteit gebruikt worden. Dit laatste leidt over het algemeen tot grotere energiebesparing dan de waterstofroute. Bij het maken van waterstof wordt niet alle energie van de oorspronkelijke bron omgezet in waterstof. Dit verlies moet later gecompenseerd worden door hogere rendementen in de omzetting, of door andere voordelen. De wijze van transport en distributie wordt voornamelijk bepaald door de afstand tussen productie en gebruik, en de te vervoeren hoeveelheid waterstof. Het transport van waterstof over grote afstanden gaat gepaard met grote energieverliezen. Het is daardoor niet waarschijnlijk dat aan de ene kant van de aarde de waterstof gemaakt wordt, om vervolgens naar de andere kant van de wereld vervoerd te worden. Hoe korter de vervoersafstand, des te minder de verliezen.

10 Kolen Aardolie produkten Aardgas LPG Biomassa Zon Wind Nucleair Kooldioxide Waterstof Opslag Opslag/Transport/ Distributie Vervoer Weg/water/lucht Gebouwde Omgeving Industrie Figuur 3. De waterstofketen. Het gebruik van waterstof zal voornamelijk plaatsvinden in het vervoer, en in de gecombineerde opwekking van warmte en kracht. Wanneer waterstof beschikbaar is, kan hiervan het meest efficiënt gebruik gemaakt worden door het inzetten van brandstofcellen. De brandstofcel is, net als een batterij, een apparaat waarmee direct elektriciteit gemaakt wordt uit twee stoffen die gescheiden van elkaar omgezet worden. In het geval van de brandstofcel op waterstof en lucht komt slechts water als afvalproduct vrij. Het omzettingsrendement in de brandstofcel is hoog, typisch zo n 50% of meer. H 2 H-H H H + + e - Pt/C H + e- O-O O + 2 H e - H 2 O O 2 Totale reactie: 2 H 2 + O 2 2H 2 O + elektriciteit + warmte Figuur 4. Basisprincipe van een brandstofcel (PEMFC). Waterstof en zuurstof (lucht) reageren gescheiden van elkaar en produceren elektrische stroom en water. Door de combinatie van waterstof en brandstofcellen in het vervoer worden veel voordelen in één keer geboekt: het vervoer wordt schoon, stil en zuinig. De brandstofprijs wordt niet meer bepaald door de prijs van ruwe olie, en ook als de olie opraakt kunnen we blijven rijden. Men kan ook waterstof omzetten in verbrandingsmotoren. Hiermee wordt weliswaar een aantal van de genoemde winstpunten ook geboekt, maar over het

11 algemeen in mindere mate. Het omzettingsrendement zal lager zijn, er blijven emissies plaatsvinden van stikstofoxiden, en omdat smeerolie nodig blijft zal ook een deel van de vervuiling met koolwaterstoffen en deeltjes plaats blijven vinden. Ook zal het vervoer niet stiller worden als auto's gebruik blijven maken van interne verbrandingsmotoren. Voor de onderlinge vergelijking van diverse opties nu en in de toekomst naar energiegebruik en CO 2 -produktie voert men ketenanalyses uit. In deze analyses wordt voor alle stappen in de keten uitgerekend hoeveel energie verloren gaat en hoeveel CO 2 geproduceerd wordt. Om een auto op benzine te laten rijden moet ruwe aardolie gewonnen worden, deze wordt bijvoorbeeld per olietanker naar een raffinaderij vervoerd, alwaar benzine geproduceerd wordt. Deze benzine wordt per tankauto naar de benzinepomp gebracht, en getankt door de gebruiker van de auto. In deze hele keten gaat nu gaat ongeveer 12% van de energie verloren, wat relatief weinig is. Het rijden op de benzine met een verbrandingsauto is juist weer heel inefficiënt, minder dan 20% van de energie van de benzine in de tank wordt omgezet in de bewegingsenergie van de auto. Een dergelijke ketenanalyse kan voor iedere toepassing met een bepaalde brandstof gedaan worden, dus ook voor het koken op aardgas, of dat uit Slochteren komt of uit Rusland. Voor toepassingen op waterstof kan men dit ook doen. De productie van de waterstof uit een bepaalde bron, de opslag en distributie van waterstof, en het gebruik ervan in een brandstofceltoepassing of verbrandingstoepassing gaan stap voor stap gepaard met energieverliezen. In onderstaande figuur is de vergelijking weergegeven hoe voor dezelfde rit van 100 km het energiegebruik, de CO 2 emissies en de emissies van schadelijke stoffen eruitzien voor een auto met verbrandingsmotor op benzine en een brandstofcelauto op waterstof. Hieruit blijkt dat ondanks de energie die verloren gaat bij de productie van waterstof, de hoeveelheid benodigde energie, en de emissies van CO 2 beduidend lager zijn dan voor de auto op benzine. Dit komt door het beduidend lagere energiegebruik van de brandstofcelauto per gereden kilometer in vergelijking met de auto met verbrandingsmotor op benzine. Benzine auto Primaire Energie CO2 emissies Lokale emissies CO ; NOx ; HC 283 MJ 21 kg 48 g ; 3 g ; 3 g Brandstofcelauto op waterstof Primaire Energie CO2 emissies Lokale emissies CO ; NOx ; HC 196 MJ 11 kg (aardgas) of 2 kg (biomassa) of 0 kg (windenergie) 0 g ; 0 g ; 0 g Figuur 5. Vergelijking van energiegebruik, emissies van CO 2 en lokale emissies per 100 km voor een benzine auto(status 2010) en een brandstofcelauto(hybride) op waterstof. Energiegebruik en CO2 emissies op basis van studie General Motors [10], lokale emissies op basis van emissiedatabank VITO [11].

12 De waterstofeconomie - wat is dat? Onder een waterstofeconomie verstaat men een samenleving waarin het energiegebruik op grote schaal gebruik maakt van waterstof als energiedrager. Typische kenmerken, zoals geïllustreerd in Figuur 6, zijn: - het vervoer gebruikt waterstof als brandstof, doorgaans met behulp van brandstofcellen - elektriciteit wordt decentraal opgewekt in de vorm van warmte-kracht opwekking, op niveau van woningen en kantoren - waterstof wordt gemaakt uit windenergie, zonne-energie, en fossiele brandstoffen waarbij het kooldioxide wordt opgeslagen - energiegebruik in het vervoer en in huis worden op een slimme manier gecombineerd. De auto kan thuis getankt worden met de thuis beschikbare waterstof. Maar de auto kan ook elektriciteit leveren aan het huis. Figuur 6. Voorbeeld van een waterstofeconomie. Bron: De geschetste beelden rond de waterstofeconomie zijn doorgaans alomvattend, en schetsen een ideaalbeeld. Soms wordt voorbijgegaan aan fundamentele barrières. Zo'n alomvattende waterstofeconomie is nog ver weg, en komt er misschien wel nooit. Waar onze samenleving om vraagt is een rationeel, efficiënt gebruik van energie, met zo min mogelijk uitstoot van kooldioxide en andere schadelijke gassen, en een zo laag mogelijk gebruik van schaarse bronnen. Deze toekomstige samenleving kan gebruik maken van twee universele energiedragers, elektriciteit en waterstof. Onze huidige energievoorziening is gebaseerd op niet-schaarse bronnen en het zo volledig mogelijk gebruik maken van de productiecapaciteit. Dit kan zolang de bronnen op ieder moment beschikbaar zijn, en reservecapaciteit beschikbaar is voor het uitvallen van een deel van de productiecapaciteit. We moeten er rekening mee houden dat het energieaanbod schaars wordt, of dat aanbod nu afkomstig is van fossiele bronnen of van hernieuwbare bronnen.

13 Wanneer energiebronnen schaars en dus duur zijn, en niet op elk moment beschikbaar, dan zou onze energievoorziening misschien gekenmerkt moeten worden door een veel grotere productiecapaciteit; deze wordt alleen dan benut wanneer de meest optimale bron op dat moment ingezet wordt. Wanneer het waait wordt alle windenergie benut, en staan andere flexibele productie-eenheden stil. Waait het onvoldoende, dan worden productie-eenheden ingezet waarvan de brandstof gebufferd kan worden. Dit kan ertoe leiden dat in het elektriciteitsgebruik voorzien wordt door windenergie, zonne-energie en kernenergie, zonder enige tussenkomst van waterstof. Bij verdergaande invoering van energiezuinige woningen, gebruik van warmtepompen en dergelijke, gaat waterstof wellicht ook geen rol spelen bij de verwarming van woningen. Het vervoer heeft echter weinig andere lange termijn toekomstperspectieven dan waterstof als schone brandstof. Geen andere energiedrager is zo universeel toepasbaar in het vervoer als waterstof. Biobrandstoffen hebben als nadeel dat ook zij maar uit één bron geproduceerd kunnen worden. Verbranding van biobrandstoffen in verbrandingsmotoren levert evenzo schadelijke emissies op als stikstofoxiden, koolwaterstoffen, en kooldioxide. Biobrandstoffen zijn slechts dan klimaatneutraal wanneer een even grote hoeveelheid kooldioxide door nieuwe teelt wordt opgenomen. De benodigde landbouwgrond mag niet ten koste gaan van landbouwgrond voor voedingsgewassen, zolang een significant deel van de wereldbevolking lijdt onder voedselschaarste. Anno 2006 is een aantal aspecten van de waterstofeconomie technisch gedemonstreerd. Stadsbussen die gebaseerd zijn op brandstofcellen en die waterstof als brandstof tanken, rijden in de reguliere dienstregeling in tien grote steden, waaronder Amsterdam. Figuur 7. Links: Brandstofcelbus (Daimler Chrysler) in de dagelijkse dienstregeling in Amsterdam. Rechts: waterstoftanken op de GVB busremise in Amsterdam Noord. Fotoos: René van den Burg

14 Wereldwijd rijden tientallen brandstofcelpersonenauto's rond op waterstof. In de USA wordt zelfs door een gezin een brandstofcelauto op waterstof geleased voor 500 euro per maand. Dit is ongetwijfeld slechts een fractie van de werkelijke kosten. Figuur 8. Leaseauto van Honda in de USA (links) en het tanken van waterstof door de consument (rechts) Stationaire opwekking van elektriciteit en warmte wordt in demonstratieprojecten met brandstofcellen gerealiseerd. Meestal zijn dit installaties die de waterstof ter plekke maken uit aardgas, of afvalgas van rioolwaterzuiveringen. Technisch haalbaar nu wil echter niet zeggen dat deze toepassingen ook economisch toepasbaar zijn. Figuur 9. Stationaire brandstofcel (Fosforzure brandstofcel van UTC) van 200 kw voor de productie van elektriciteit en warmte. De waterstof wordt in de installatie gemaakt uit aardgas. Bij de technische haalbaarheid moet de kanttekening gemaakt worden dat levensduur en robuustheid van de technologie verbeterd moeten worden. Een autobezitter wenst geen concessies te doen op deze gebieden ten opzichte van de auto die hij nu rijdt. De auto moet altijd starten, en in korte tijd op vol vermogen kunnen rijden. Of dat nu bij temperaturen ver onder nul is, of bij 35 ºC een berghelling op. Ook de toekomstige bezitter van een warmtekrachtinstallatie is nu gewend aan grote leveringszekerheid van elektriciteit en warmte. Alleen bij hoge uitzondering valt de elektriciteit in Nederland uit, de aardgasvoorziening is nog betrouwbaarder. En het mag voor de consument natuurlijk niet duurder zijn dan de huidige technologie. Om de gebruikers over te laten stappen op nieuwe technologie, moeten deze meerwaarde geboden worden geboden ten opzichte van de huidige technologie. Voor het milieu zijn gebruikers niet bereid meer te betalen, of zelfs bij gelijke kosten over te stappen. Toepassing van brandstofcellen in het vervoer stelt de gebruiker in staat elektriciteit te gebruiken als de motor uit staat. Voor personenauto's betekent dat

15 bijvoorbeeld dat de airconditioning aan kan blijven bij stilstand, of dat de auto elektriciteit levert op de camping. Voor vrachtauto's betekent het dat de koelwagen gekoeld kan worden zonder het bijzonder ongunstige stationair draaien van de motor. Toepassing in de stationaire elektriciteits- en warmteopwekking geeft de gebruiker gelijktijdig een noodstroomvoorziening. Dit is voor de zakelijke gebruiker van direct commercieel belang, voor de huishoudelijke gebruiker in Nederland wellicht iets minder. Wat in elk geval nodig is voor grootschalig waterstofgebruik is een dekkende waterstofinfrastructuur. De ervaring van oliemaatschappij BP is dat consumenten pas overschakelen op een nieuwe brandstof, wanneer deze op 20-30% van de tankstations beschikbaar is [12]. Nederland telt zo'n 3750 tankstations. Voor waterstof betekent dit dat minimaal 1000 stations waterstof moeten aanbieden. Dat kan in verschillende vormen, bijvoorbeeld vloeibaar waterstof, waterstof op 350 bar en op 700 bar. De vraag is of deze verscheidenheid economisch haalbaar is, of dat tegen de tijd dat grootschalige introductie plaatsvindt, een keuze gemaakt moet worden tussen deze varianten. Het tankstation zelf kan weer op verschillende manieren bevoorraad worden met waterstof. Zo is voorstelbaar dat de grote tankstations aan de snelwegen voorzien worden middels een waterstofpijpleiding, terwijl kleinere stations op locatie waterstof maken uit aardgas, of middels elektrolyse. Ook is het mogelijk dat tankstations bevoorraad worden met tankwagens, die vloeibare waterstof bevatten. Voor stationair gebruik kan afhankelijk van de grootte van de installatie de waterstof op locatie gemaakt worden of aangevoerd worden. Vanwege grotere beschikbare ruimte en lagere dynamiek van de systemen, is het in veel gevallen mogelijk de waterstof te produceren waar hij nodig is. Hierdoor kan introductie van brandstofcellen en waterstof plaatsvinden zonder een uitgebreide infrastructuur van waterstof. De redenen om over te stappen op waterstof, zijn met name de problemen die pas op lange termijn urgent worden, zeker voor de burger. Het gaat daarnaast om maatschappelijke problemen, niet zozeer om individuele. Het grootschalige gebruik van waterstof is eerder een kwestie van decennia dan van jaren. Maar om op tijd klaar te zijn voor dit grootschalige gebruik, moet wel op korte termijn actie genomen worden. De betrouwbaarheid van de technologie moet verbeterd worden door toepassing in de praktijk. Productiecapaciteit moet opgebouwd worden, de infrastructuur ontworpen en gebouwd. Voor de eerste demonstraties en praktijktoepassingen moet de regelgeving op orde zijn. Juist omdat de burger als consument zich laat leiden door zijn korte termijn behoeften, en ook de meeste bedrijven winstgevendheid van hun bedrijfsvoering op korte termijn laten prevaleren, is voor de overheid een belangrijke taak weggelegd om de ontwikkeling van een waterstofeconomie op gang te brengen, en kaders te scheppen voor de algehele inrichting ervan. Voor industrieën is het belangrijk te weten hoe op de lange termijn de condities zijn waaronder hun producten op de markt gebracht kunnen worden. Belastingregimes, subsidieregelingen, regelgeving en standaardisatie, zijn

16 allemaal zaken die bepalen of nieuwe toepassingen wel of niet snel geïntroduceerd kunnen worden. Als de overheid wil dat schone technologie gebruikt wordt, moet zij òf schone technologie subsidiëren, òf vervuilende technologie belasten. Bij het aanbesteden van het openbaar vervoer zou inzet van schone bussen beloond moeten worden, en niet alleen de prijs doorslaggevend moeten zijn. Op het gebied van infrastructuur is een belangrijke rol voor de overheid weggelegd. Als zij wil voorkomen dat drie verschillende, niet op elkaar aansluitende, distributiewijzen ontstaan, is het zaak dat de overheid zelf een standaard ontwikkelt. Grootschalige infrastructuur vereist een zodanig grote investering, dat deze het vermogen van private partijen overstijgt. Net als overige infrastructurele investeringen zal ook de overheid de infrastructuur van waterstof voor haar rekening moeten nemen. En tenslotte moet de overheid natuurlijk het goede voorbeeld geven bij aanschaf van installaties en voertuigen. Figuur 10. Mogelijke waterstofinfrastructuur in het jaar Een landelijk dekkend leidingwerk zorgt voor beschikbaarheid van waterstof in tankstations voor auto's. De waterstof wordt vanuit verschillende bronnen geproduceerd en gevoed in dit leidingnet.

17 Referenties [1] B. Eliasson en U. Bossel, in Proceedings of the Fuel Cell World, Lucerne, 1-5 July 2002, ed. M. Nurdin, European Fuel Cell Forum, Oberrohrdorf, Switzerland, 2002, p.367. [2] BP Statistical Review of World Energy 2005, [3] The Economist, June 28th, [4] KNMI '06 scenario's, [5] National Geographic, September [6] The Economist, June 8th, [7] Commission of the European Communities, COM(2005) 35 final [8] M.G.J. den Elzen, M. Meinshausen, MNP Report /2005 [9] Zie [10] GM Well to Wheel Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel Vehicle Systems - a European Study, L-B Systemtechnik GmbH, Ottobrun, 27 Sept [11] Emissiedatabank VITO: [12] [13] Handbook of Chemistry and Physics, 64th edition ( ), ed. R.C. Weast, CRC Press, Boca Raton, Florida. [14] Hydrogen Properties, College of the Desert, rev.0, December 2001, beschikbaar op [15] Chemiekaarten, versie 2006.

18

19 Waterstof en veiligheid Nico Versloot Programmaleider Procesveiligheid en gevaarlijke stoffen TNO Defensie en Veiligheid Ontwikkeling van veilige technologieën Veiligheid is een belangrijk en vaak ondergewaardeerd aspect van nieuwe technologieën. In de ontwikkelingsfase van technologieën en producten wordt het belang hiervan vaak wel onderkend, maar bij implementatie vormt veiligheid (te) vaak een sluitpost. Toch bestaat voldoende ervaring met de rol van veiligheid, bijvoorbeeld in de automobielindustrie en de farmaceutische industrie. Het is van belang dat veiligheidsaspecten integraal worden meegenomen om verrassingen aan het eind van de rit te voorkómen. Dit strekt zich uit over een breed terrein, met voor buitenstaanders vaak onverwachte aspecten. Veiligheid is een vak èn een technologie: veiligheid vereist een specifieke, vakmatige benadering om knelpunten te signaleren, waarvoor technologische oplossingen moeten worden gevonden. Veiligheid grijpt ook in op slecht kwantificeerbare zaken als publieke acceptatie, iets wat voor technologische ontwikkelaars vaak moeilijk te appreciëren is. Dit aspect wordt goed verwoord door het standpunt van het Ministerie van Economische Zaken: "acceptatie van nieuwe technologieën door het publiek is kwetsbaar voor 'failures' en onhandige routes". Ontwikkeling van veilige waterstoftechnologie Kijken we specifiek naar de ontwikkeling van waterstoftechnologie, dan zien we een veelheid aan technologieën elk met eigen veiligheidsaspecten: productie, opslag, transport, en gebruik. Veiligheid speelt dus een rol in de gehele keten. Hoe die keten eruit zal zien is in vele aspecten nog open. Zal waterstof decentraal of centraal worden geproduceerd, via reforming of elektrolyse? Als het centraal wordt geproduceerd, moet het worden getransporteerd; hoe zal dat gebeuren, via trucks of per pijpleiding? Hoe zal het worden opgeslagen, vloeibaar of onder hoge druk (tot 700 bar!)? Welke beperkingen zullen in combinatie met de opslagtechniek aan waterstofauto's worden opgelegd, zullen waterstofauto's net als LPG auto's worden geweerd in parkeergarages en misschien wel in tunnels? En hoe zal bij gebruik in het huishouden waterstof worden aangevoerd - met consequenties voor veiligheidsvoorschriften in huis? Ten aanzien van de veiligheid van waterstof circuleren mythes, die de discussie niet verhelderen. Zoals: "Waterstof lijkt toch erg op LPG en aardgas dus kun je het op dezelfde manier behandelen." Of: "Vroeger hadden we toch al waterstof in stadsgas?! Nooit iets mee gebeurd " En ook: "Er is al veel ervaring in de industrie, dus het zit wel goed met waterstofveiligheid!" Wij dienen ons hierdoor niet te laten leiden, maar elke vorm van gebruik op zijn eigen merites beoordelen. Het is bijvoorbeeld niet

20 reëel, te denken dat het publiek veiligheidsregels kan hanteren die in de industrie gebruikelijk zijn, en bijvoorbeeld zonder meer aan te nemen dat handling van een druk van 700 bar in het dagelijks leven zonder problemen zal verlopen. Om deze aspecten te onderzoeken zijn demoprojecten onmisbaar; pas daarna kan een techniek in de openbare voorziening, onder bewaking door de deskundige instanties, worden toegepast. Implementatie van veilige waterstoftechnologie Waterstof verschilt in een aantal opzichten van de conventionele brandstoffen. Dat wordt geïllustreerd met enkele gegevens. Waterstof heeft een lage ontstekingsenergie: 0.02 mj (vergelijk aardgas: 0.3 mj). Om dit in perspectief te plaatsen: de vonkjes die ontstaan bij het uittrekken van een kunststof trui hebben een energie van ca. 0,1 mj Waterstof brandt met een onzichtbare vlam Waterstof heeft een breed explosieconcentratiegebied: een lucht/waterstofmengsel kan exploderen bij een volumepercentage waterstof tussen 4 en 75% (aardgas: 5 15%); ontsnappen van waterstof in een besloten ruimte dient daarom te worden voorkómen Waterstof is geur- en kleurloos Waterstof heeft een hoge diffusiegraad en dringt door vele materialen heen Er is bij waterstof grote kans op (kleine) lekkages Deze specifieke eigenschappen van waterstof vereisen een daarop toegesneden regelgeving. Vanuit veiligheidsoogpunt lijkt waterstof niet veel voordelen te bieden boven LPG, het is eerder een uitdaging door goede regelgeving toch een veilig gebruik te kunnen afdwingen. Een belangrijke rol is weggelegd voor detectiemethodieken voor ontsnappend waterstof, vanwege de onmogelijkheid om het met de zintuigen waar te nemen. Omdat veiligheid over de gehele waterstofketen geadresseerd moet worden zijn diverse regelgevingen en regelgevende instanties van belang. Het ministerie van VROM is belast met regelgeving inzake productie en opslag. Het ministerie van Verkeer en Waterstaat gaat over veiligheid in het transport. Het ministerie van Sociale Zaken en Werkgelegenheid in belast met Arbo regels betreffende het gebruik. Hierbij kan gedacht worden aan voorzieningen in werkplaatsen voor waterstofvoertuigen; de vereiste aanpassingen aan werkplaatsen zijn zeer wel vergelijkbaar met die bij gebruik van aardgas en LPG. En ook het ministerie van Binnenlandse Zaken is betrokken vanwege veiligheidskwesties. Regels zijn niet altijd goed op elkaar afgestemd en ook bij waterstof komt het voor dat regels van verschillende instanties met elkaar botsen. Om te komen tot een hanteerbare en consistente verzameling regels dient een goede afweging plaats te vinden tussen interne en externe veiligheid. Bij grootschalige introductie van waterstof is het belangrijk dat voldoende kennis over deze technologie en zijn gevaren aanwezig is bij de betrokken instanties. Hierbij kan in de eerste plaats worden gedacht aan hulpverlenende instanties als brandweer, politie en ambulances. Volgens het Novem rapport

21 "Waterstof in brandweerbranche en verzekeringswezen" van januari 2002 is bij de brandweer voldoende kennis aanwezig. Ook bij gemeenten en provincies dient kennis aanwezig te zijn, bijvoorbeeld met betrekking tot zonering zoals die geldt voor LPG opslag. Toepassing van het RIVM rekenmodel voor de effecten van ongevallen met LPG opslag op waterstof wordt momenteel onderzocht. Ook bij proceseigenaren en gebruikers (de overige 'stakeholders') dient voldoende kennis aanwezig te zijn. Het is onmogelijk, nu reeds te voorspellen welke problemen zich zullen gaan voordoen bij een technologie waarvan de grootschalige introductie misschien nog dertig jaar op zich zal laten wachten. Het onderzoek naar waterstoftechnologieën is nog in volle gang en er bestaat geen zekerheid over de vraag of de technieken die nu worden ontwikkeld, daadwerkelijk op grote schaal zullen worden toegepast. Bij gebrek aan beter dienen wij ons echter te richten op wat zich momenteel aandient. Van de technieken die nu worden onderzocht vormt hoge druk-opslag een echt nieuwe technologie, tenminste voor algemeen gebruik. Onderzoek naar levensduur van opslagcilinders is absoluut noodzakelijk en vindt momenteel ook plaats. Gebruik van vloeibare waterstof wordt ook in veiligheidsopzicht wel onderzocht maar staat momenteel niet voorop. Verder is onderzoek nodig over het gedrag van waterstof bij (incidenteel) vrijkomen. De veiligheid van waterstoftankstations, afhankelijk van de gekozen technieken, is een belangrijk aandachtsgebied. Ook andere vragen zijn van belang. Zoals: is een integratie met conventionele brandstoffen mogelijk? Wat zijn de te hanteren veiligheidsafstanden? Hoe kan de veiligheid van de waterstofinfrastructuur worden gegarandeerd? Kan waterstof worden bijgemengd bij aardgas en zo ja, tot hoeveel procent? Hoe houdt het aardgasnetwerk zich dan? En zijn extra veiligheidsmaatregelen nodig voor tunnels en (parkeer)garages in geval van het (incidenteel) vrijkomen van waterstof? (Inter)nationale ontwikkelingen Waterstof ondervindt belangstelling over de hele wereld; internationale samenwerking is absoluut vereist. Vooral in de VS en Japan zet men veel vaart achter de ontwikkelingen en daarom kan internationale samenwerking ook niet beperkt blijven tot Europa. De voor Nederland belangrijke internationale projecten zijn: EU Network of Excellence HySafe : Veiligheidsaspecten van waterstof De missie van HySafe luidt: We bring it on the road and in your house - safely! Aan het project nemen vijfentwintig bedrijven, (semi- )overheidsorganen en onderzoeksinstellingen deel. Nederland wordt vertegenwoordigd door TNO. IEA Task 19 "Hydrogen Safety" als onderdeel van de Hydrogen Implementing Agreement". Tot de deelnemers behoren de VS, Canada en Japan; verder de EU en daarnaast ook een aantal EU lidstaten afzonderlijk, waaronder Nederland.

22 Vooral dit laatste project is van eminent belang voor de toekomst van waterstof. De samenwerking in IEA-verband is heel goed, zodanig zelfs dat dit project wel een unicum genoemd kan worden op het gebied van veiligheid. Het project is aangegaan voor drie jaar (eerste looptijd) en is gestart op 12 oktober Conclusie Verantwoorde toepassing van waterstof lijkt mogelijk binnen het kader van deels nog op te stellen regels. Daarvoor is wel nodig dat ontwikkeling van veilige technologieën en daarop toegesneden regelgeving blijft doorgaan.

23 Regelgeving rond waterstof: "van Brussel tot lokaal niveau" Marc Steen Head of Unit Cleaner Energies Instituut voor Energie, Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek, Europese Commissie Inleiding Het Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek (GCO) van de Europese Commissie verricht klantgericht wetenschappelijk en technisch onderzoek ter ondersteuning van beleidsvorming op Europees niveau. Het vervult de rol van wetenschappelijke en technische referentie voor de Europese Unie en is onafhankelijk van nationale of commerciële belangen. Het ondersteunt alle Europese beleidsorganen en draagt onder meer bij tot het opstellen van de strategische researchagenda voor een aantal Europese onderzoeksprioriteiten. Het GCO beschikt over zeven instituten in vijf lidstaten. Het Instituut voor Energie in Petten is één van die zeven instituten. De Europese inspanningen met betrekking tot waterstof spelen zich af binnen een strategie, gericht op commerciële toepassing in de komende decennia. Hierbij grijpen R&D, demonstratieprojecten, marktontwikkeling en beleidsontwikkeling op elkaar in. Figuur 1. EU strategie voor de inzet van waterstof

24 Voorschriften, richtlijnen, normen Ten aanzien van risicovolle stoffen als waterstof is regelgeving vereist. Deze speelt zich op een aantal niveaus af. De meest belangrijke bepalingen krijgen de vorm van voorschriften (regulations). Deze zijn bindend, niet vrijblijvend, en beogen meestal de veiligheid en bescherming van werknemers, publiek en milieu. Ze worden vastgelegd in wetteksten. Andere nuttige bepalingen worden normen genoemd (standards); deze worden niet in de wet vastgelegd en berusten derhalve op vrijwillige toepassing. Normen worden geïnitieerd en opgesteld door belanghebbende partijen, en dragen bij tot vrij verkeer van goederen en diensten. Figuur 2. Verhouding tussen voorschriften (regulations) en normen (standards). Bron: Hysafe. Voorschriften worden opgesteld door nationale wetgevers op basis van Europese richtlijnen. Richtlijnen worden uitgevaardigd door de Europese Unie (Commissie, Raad, Parlement) en zijn voor elke lidstaat bindend ten aanzien van het te bereiken resultaat. Richtlijnen moeten in de nationale rechtsorde worden omgezet, waarbij aan de nationale instanties de bevoegdheid wordt gelaten vorm en middelen te kiezen (art. 189 van het EG verdrag). Europese wetgeving, heeft daarbij voorrang op nationale wetgeving. Behalve de Europese Unie zijn ook de lidstaten regelgevende autoriteiten, evenals internationale organisaties (ondersteund door verdragen). Toepassing van deze regels vindt plaats door vergunninggevers, die toezien op naleving van de voorschriften, daartoe gemandateerd door hun overheden. Naast regels worden zoals gezegd in het maatschappelijk verkeer ook (technische) normen gehanteerd, gebaseerd op vrijwillige toepassing. Op internationaal en Europees niveau worden deze veelal opgesteld door organisaties als CEN, CENELEC, ISO, IEC, SAE, ASME etc. Ook hier bestaan mechanismen om 'Europese' normen over te zetten in nationale normen.

25 De 'Nieuwe Aanpak' (New Approach) Europese richtlijnen hebben onder de 'Nieuwe Aanpak' een ander karakter gekregen. Om harmonisatie van regels binnen de EU te bewerkstelligen zijn de richtlijnen beperkt tot de vastlegging van de zgn. 'fundamentele vereisten' (essential requirements) waaraan voor gegeven toepassingen moet worden voldaan. Richtlijnen onder de Nieuwe Aanpak schrijven dus voor 'wat' moet worden bereikt en laten open 'hoe' dat moet worden bereikt. Een mogelijkheid daartoe is dat geharmoniseerde normen worden opgesteld die technische (product)specificaties vervatten. Het gebruik van deze geharmoniseerde normen draagt bij tot het voldoen aan de richtlijn, ze leiden namelijk tot 'vermoeden van overeenstemming' met de richtlijn ('presumption of conformity'). Een verdere stap voor harmonisatie is een 'kaderrichtlijn' die richtlijnen op verwante onderwerpen en toepassingsgebieden bundelt. new approach directives essential requirements national transcription presumption of conformity Member States mandatory voluntary harmonised standards Figuur 3. Overzicht van de "Nieuwe Aanpak. Waterstof en voorschriften Voorschriften van de EU zijn toepassingsgericht en hebben geen betrekking op een specifiek product. Daarom bestaat er geen Europese richtlijn voor waterstof. Wel bestaan voorschriften voor diverse waterstoftoepassingen: transport, opslag, toestellen, veiligheid en gezondheid op de arbeidsplaats, en waterstof- en brandstofcelvoertuigen. Op waterstoftransport zijn de volgende regels van toepassing. Transport van gassen onder druk: Transport Pressure Equipment Directive (TPED) 1999/36/EG Transport van gevaarlijke goederen over de weg: ADR kaderrichtlijn 94/55/EG, laatst gewijzigd 2003/29/EG; UNECE-ADR Convention Over het spoor: RID kaderrichtlijn 96/49/EG, laatst gewijzigd 2004/110/EG, COTIF Convention Over zee: IMO Binnenwateren: ADNR Conventie Lucht: IATA/ICAO

26 Regels met betrekking tot waterstofopslag: Toestellen werkend onder druk: Pressure Equipment Directive (PED) 97/23/EG Druktanks voor gasopslag: Simple pressure vessels 87/404/EEG Voor waterstoftoestellen kan het CE keurmerk toegekend worden voor aspecten afgedekt door de volgende richtlijnen: 98/37/EG Machinery safety directive 94/4/EG Equipment and protective systems intended for use in potentially explosive atmosphere 97/23/EEG Pressure equipment directive 73/23/EEG Low voltage directive 89/336/EEG Electromagnetic compatibility directive 87/404/EEG Simple pressure vessels Veiligheid en gezondheid op de arbeidsplaats worden onder meer geregeld door minimumvoorschriften voor de verbetering van de gezondheidsbescherming en van de veiligheid van werknemers die door explosieve atmosferen gevaar kunnen lopen (1999/92/EG ATEX Richtlijn). Verder is hierbij aan de orde de preventie van zware ongevallen waarbij gevaarlijke stoffen zijn betrokken, alsmede de beperking van de gevolgen daarvan op mens en milieu (Seveso II 1996/82/EG, laatst gewijzigd 2003/105/EG). Voor de toepassing van waterstof in voertuigen doet zich het probleem voor dat de certificatieprocedures in Europa en de Verenigde Staten volkomen verschillend zijn. Zowel in Europa als in de VS moeten autoproducenten voldoen aan wettelijke bepalingen vóór een voertuig goedgekeurd en ingeschreven kan worden. In Europa worden voertuigen onderworpen aan een typekeuring volgens ECE voorschriften of EC richtlijnen. Figuur 4. Regelgeving voor waterstof-brandstofcelvoertuigen