Wereld: Wat is beter? Vloeibare of gecomprimeerde waterstof?

Vloeibare waterstof verlegt de grenzen. Doordat waterstof in vloeibare vorm aanzienlijk meer energie kan opslaan in de zelfde ruimte dan waterstof in gasvorm, zijn hogere prestaties mogelijk. Projecten met waterstof zijn volop in ontwikkeling. In de zomer van 2023 presenteerde Benz een zware vrachtauto op vloeibare waterstof met een actieradius van meer dan 1000 kilometer. In januari 2024 heeft het bedrijf Plug in de Amerikaanse staat Georgia de grootste fabriek voor vloeibare waterstof ter wereld in gebruik genomen (foto) en twee weken later maakte gasleverancier Air Liquide bekend op haar fabrieksterrein in Bergen, België een pilot te gaan draaien om op grote schaal waterstof van gasvorm om te zetten in vloeibaar.  En de afgelopen week presenteerden Benz en Linde een eerste waterstoftankstation voor LH2. Hoofdredacteur Paul Bombeld van Waterstof Magazine duikt in de wereld van liquid H2.

We beginnen met de kille feiten. Waterstofgas weegt bijna niets, maar heeft een extreem hoge gravimetrische energiedichtheid (MJ/kg). Eén kilogram waterstof bevat een enorme hoeveelheid energie, waardoor het een efficiënte en lichte energiedrager is. Waterstofrijders zien dat terug bij de brandstofpomp. Personenauto’s kunnen slechts 6 kilo waterstof tanken, maar daar wel meer dan 600 km mee rijden. Vergelijk dat eens met traditionele fossiele brandstoffen waarvan aanzienlijk meer kilo’s in de tank worden gepompt. Een vergelijk is moeilijk omdat de hoeveelheid vloeibare brandstof  wordt uitgedrukt in liters, maar we kunnen stellen dat een volle tank al snel meer dan 50 kilo aan vloeibare brandstof bevat.

Een flink nadeel van waterstof is dat de volumetrische energiedichtheid (MJ/m³) bijzonder laag is. Er is bijzonder veel ruimte nodig om een kilo waterstof bij normale atmosferische druk op te slaan. Per volume is de energie-inhoud van waterstof zelfs een stuk lager dan die van de meeste andere brandstoffen en energiedragers.

De meest eenvoudige oplossing om de energiedichtheid te vergroten is om de gasvormige waterstof flink te comprimeren. Er kan dan meer energie in dezelfde ruimte worden meegenomen. Vooral bij voertuigen speelt dit een rol. De mate van compressie hangt in belangrijke mate af van de hoeveelheid ruimte die in het voertuig beschikbaar is voor de tank. Bij vrachtauto’s op waterstof zien we regelmatig dat er maar liefst 10 tot 20 hogedruktanks tussen de cabine en de laadbak, in een stalen frame liggen. Bussen hebben regelmatig het hele dak vol liggen met hogedruktanks. Ruimte voor waterstof is in deze voertuigen iets makkelijker te vinden dan in personenauto’s. Daarom tanken vrachtauto’s en bussen vaak waterstof onder 350 bar. Personenauto’s, die minder ruimte beschikbaar hebben, vullen de tanks met maar liefst 700 bar. Zo kan op een beperkte ruimte veel energie worden meegenomen. Maar de waterstof blijft te allen tijde gasvormig.

Waterstof wordt vloeibaar als het wordt afgekoeld tot 253 graden Celcius onder nul. Een zeer prettige eigenschap is dat dan de energiedichtheid enorm toeneemt. Maar hoe liggen die verhoudingen met gecomprimeerde waterstof? We zetten het op een rijtje:

• De volumetrische massadichtheid van gasvormig waterstof bij atmosferische druk en 20°C is 0,083 kg/m³. Onder normale omstandigheden is dan ook veel ruimte nodig om gasvormige waterstof op te slaan. Daarom wordt waterstof vrijwel niet opgeslagen of vervoerd in gasvormige vorm bij atmosferische druk, omdat het eenvoudigweg niet efficiënt is. Er zit nagenoeg geen energie in een enorme tank.
• Bij een druk van 350 barg en 20°C is de volumetrische massadichtheid van gasvormig waterstof 23,715 kg/m³. Deze verhoogde druk maakt het mogelijk aanzienlijk meer gasvormige waterstof op te slaan in dezelfde ruimte. Een geladen vrachtwagen van 55 ton heeft ongeveer 50-70 kg waterstof nodig om 500 tot 600 km af te leggen.
• Bij een druk van 700 barg en 20°C is de volumetrische massadichtheid van gasvormig waterstof 39,75 kg/m³. Deze relatief hoge druk wordt onder andere gebruikt voor gasvormige personenauto’s op waterstof. Met een tank van 125 liter met 5 kg waterstof kan een auto ongeveer bijna 600 km rijden.
• In vloeibare vorm en bij een temperatuur van -252,9 °C heeft waterstof een volumetrische massadichtheid van 70,9 kg/m³. 

Bij de aankondiging van de pilotfabriek voor vloeibare waterstof meldde Air Liquide dat vloeibare waterstof een dichtheid heeft die 1,5 tot 3 keer hoger is dan zijn gasvormige equivalent. Dit maakt de boodschap niet duidelijker. We moeten weten met welke druk  het gasbedrijf de vloeibare waterstof vergelijkt. Als dat normale atmosferische druk is, is de energiedichtheid van vloeibare waterstof ruim 850 keer groter, bij 350 bar is het 3 keer groter en bij 700 bar is het 1,8 keer groter. Vergeleken met 700 bar kan een voertuig met vloeibare waterstof in een tank met dezelfde inhoud dus bijna 2 keer zo’n lange afstand afleggen.

Het afkoelen naar -253 graden Celsius kost veel energie. En een minsterns zo grote uitdaging is de waterstof op deze temperatuur te houden. Want als de vloeistof tussentijds opwarmt veranderd deze in gasvorm, neemt de druk enorm toe en moet het gas onmiddellijk worden gebruikt of afgeblazen. Anders explodeert de tank.

Het minst grote risico vormen voertuigen die intensief worden gebruikt. Staat een personenauto regelmatig wel eens een week ongebruikt op de oprit, met bussen en vrachtauto’s wordt bijna 7 dagen in de week gereden. Daarvoor kan vloeibare waterstof een oplossing zijn. En dan natuurlijk voor vliegtuigen, die onderweg naar een verre bestemming niet makkelijk kunnen tanken. Voor emissievrij vliegen kan vloeibare waterstof dan ook een belangrijke rol gaan spelen. Al moeten we ook niet te vroeg juichen, de energiedichtheid van kerosine is maar liefst vier keer hoger. Waar laten we in het vliegtuig al die extra tanks?

Ondanks deze enorme uitdagingen ziet Air Liquide het grootschalig omzetten van gasvormige waterstof naar vloeibaar als een realistisch plan. Het R&D-project in België is gericht op de ontwikkeling van nieuwe systemen om waterstof vloeibaar te maken met een grote capaciteit. Systemen die meer dan 100 ton vloeibare waterstof per dag kunnen produceren. De focus ligt daarbij op lagere kosten en een lager energieverbruik. Het project bestaat uit de ontwikkeling van een nieuwe warmtewisselaar om het ontwerp te valideren en de prestaties te kwalificeren.

Of het gaat lukken zullen we de komende jaren horen.

En nog even voor alle duidelijkheid; het vloeibaar maken is alleen nodig voor het transport per tankauto of opslag. Voor het gebruik moet het vloeibare goedje eerst weer worden omgezet in gasvorm. Dat is niet moeilijk, daarvoor hoeft alleen de omgevingstemperatuur maar hoger te zijn.

foto: De Suise Frontier is de eerste tanker ter wereld die vloeibare waterstof kan transporteren

Lees ook: frankrijk-bourgogne-franche-comte-de-meest-innovatieve-waterstofregio