In een lab op de UvA werken drie chemici aan een waterstofrevolutie in de scheepvaart
Om in 2050 emissievrij te kunnen varen moet de scheepvaart massaal over op waterstof. UvA-wetenschappers werken aan vaste en vloeibare waterstofdragers, die een toekomst op waterstof mogelijk moeten gaan maken. ‘De energietransitie dicteert dat dit onderzoek honderd keer sneller moet dan normaal.’
Op dit moment varen de eerste binnenvaartschepen en veerponten al elektrisch. ‘Maar om de oceanen over te komen is de energiedichtheid van batterijen nog veel te laag,’ legt universitair hoofddocent fysische organische chemie Chris Slootweg uit. ‘Die is nu ongeveer honderd keer lager dan benzine of stookolie.’
‘Om de scheepsvaart groen te maken heb je daarom een veilige, emissievrije brandstof nodig met een hoge energiedichtheid,’ vertelt hij. ‘Dan is praktisch gezien waterstof de enige mogelijkheid.’ Maar de energiedichtheid van waterstof in gasvorm is veel te laag en bovendien is het brandbaar en explosief. Daarom werkt Slootweg aan waterstofdragers in vaste en vloeibare vorm.
Miljarden
Daarin vindt Slootweg het nieuwe kabinet aan zijn zijde. Deze regering zet fors in op groene waterstof. Er wordt maar liefst 5 à 10 miljard euro voor uitgetrokken en daarmee is waterstof de grootste ontvanger uit het klimaatfonds van 35 miljard euro.
Afgelopen december ontving het consortium voor waterstof voor de scheepsvaart SH2IPDRIVESH2IPDRIVE (Sustainable Hydrogen Integrated Propulsion Drives) is een enorm consortium van 25 bedrijven, instellingen en universiteiten en doet onderzoek naar alle aspecten van varen op waterstof: van opslagsystemen tot veiligheid en van scheepsontwerp tot waterstofdragers., waar de UvA een onderdeel van uitmaakt, een subsidie van 24,2 miljoen euro. Daarvan gaat één miljoen naar de UvA. Slootweg: ‘Dat was ook de aanleiding om twee extra promovendi te rekruteren.’
Vloeibare waterstofdrager
Op dit moment worden vloeibare waterstofdragers, ofwel Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), uit een fossiele grondstof gemaakt. Masterstudent Mike Hopman werkt samen met het bedrijf Voyex aan een waterstofdrager die half uit fossiele grondstoffen bestaat en half hernieuwbaar is. Het proces staat met een zwarte marker op het glas van zijn labkast getekend. Hopman: ‘Je begint met een vloeibaar organisch molecuul. Vervolgens moet daar waterstof op, en dan is het een geladen waterstofdrager.’
Naar de waterstofdrager mét waterstof moet Hopman even zoeken: ‘Er was nog een heel klein beetje over in de vriezer,’ zegt hij als hij terugkomt. Hij houdt een reageerbuis omhoog met een paar milliliter doorzichtige vloeistof die stroperig oogt. Al voor de zomer moet dat een veelvoud zijn dat dit beetje: Voyex wil dan al een demo met een paar liter van de waterstofdrager gerealiseerd hebben.
Kamertemperatuur
Om gebruikt te kunnen worden als brandstof moet de waterstof als het ware uitgepakt geworden van het molecuul dat haar draagt. Daarvoor is energie nodig. De gangbare manier is op dit moment dat dit uitpakken gebeurt bij 300 graden Celsius. Als dat op een schip ook zou moeten gebeuren gaat er veel energie verloren.
Hopman heeft de uitpaktemperatuur teruggebracht naar 180 graden Celsius. Dat is ook de temperatuur van de restwarmte die vrijkomt bij een verbrandingsmotor op waterstof, de verbranding van waterstof geeft namelijk veel meer warmte dan benzine. Die warmte kan dus gebruikt worden om nieuwe waterstof vrij te maken. Slootweg: ‘De utopie is een hernieuwbare waterstofdrager die bij kamertemperatuur waterstof vrijgeeft. Maar daar is de chemie nog niet ver genoeg voor ontwikkeld.’
Efficiëntie opkrikken
Waar Hopman werkt aan vloeibare waterstofdragers, doet zijn collega-promovendus Lars van der Zee onderzoek naar een vaste drager. Hij houdt een donkerbruin potje omhoog met een vaste witte stof: natriumboorhydride (NaBH4). Van der Zee: ‘Als je er water en een katalysator aan toevoegt komt waterstof vrij.’ Een van de grootste uitdagingen waar Van der Zee aan werkt is het recyclen van het restproduct na het uitpakken van waterstof, natriumbooroxide (NaBO2). Van der Zee: ‘We hebben met elektrochemie aangetoond dat het kan, we zijn nu bezig om de efficiëntie nog wat op te krikken.’ Het restproduct zal dan in een fabriek worden omgezet tot nieuwe waterstofdrager. Pas dan wordt de waterstofdrager een reële optie, nu is het nog veel duurder dan waterstofgas en kerosine.
Er zijn ook andere dragers mogelijk voor waterstof. ‘Er wordt ook gedacht aan methanol, maar als je daar waterstof uithaalt, dan houd je CO2 over, dus dat is voor mij een no-go,’ zegt Slootweg. ‘Ammoniak wordt genoemd, maar ammoniak zelf is toxisch, stinkt ontzettend en is direct gelinkt aan het stikstofprobleem, dus eigenlijk zou je dat willen vermijden. Het zou goed toegepast kunnen worden voor een vrachtschip zonder passagiers, maar voor een cruiseschip zie ik dat niet werken.’
Niet op één paard wedden
Welke techniek het meest veelbelovend is, is lastig te zeggen volgens Slootweg: ‘Ik zou niet op één paard wedden. Een vloeibare brandstof tanken is voor de infrastructuur wel handiger omdat je geen aanpassingen hoeft te maken. Tegelijkertijd is het tanken van een elektrische auto ook weer anders dan een benzineauto, en ook dat werkt.’ ‘Daarnaast kan het per toepassing verschillen,’ voegt Van der Zee toe. ‘Je hebt nu ook benzine en diesel, verschillende manieren van waterstofopslag zouden ook naast elkaar kunnen bestaan.’
In de haven van Amsterdam wordt een demoschip gebouwd dat volledig vaart op natriumboorhydride en naar verwachting klaar is in juli 2022. Slootweg: ‘We ambiëren om rond dezelfde tijd in het lab ook een demo te hebben voor de recycling, dan is de cirkel rond.’
Wanneer het eerste schip de oceaan oversteekt op waterstof? Slootweg: ‘De energietransitie dicteert dat het onderzoek honderd keer sneller moet dan normaal. Als je kijkt naar coronaonderzoek, dan is het in een snelkookpan gegaan. Ook dit onderzoek moet sneller. Over vier jaar, als de promovendi klaar zijn, dan zullen er twee of drie methodes voor de recycling schaalbaar zijn. In 2030 moeten de pilots draaien en is er een helder beeld van hoe de scheepsvaart emissievrij gaat worden. Dus vier jaar promotieonderzoek, vijf jaar opschalen en gaan.’ Ze lachen alledrie.
