Waterstof op weg naar de praktijk

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 Frank de Bruijn JRC Marc Steen

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:

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 (www.IHPE.net), 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

Marc Steen

Energieonderzoek Centrum Nederland

Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek Europese Commissie

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.

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 Smeltpunt (atm druk), ºC Kookpunt (atm druk), ºC relatieve dichtheid gas (lucht =1) relatieve dichtheid vloeistof (water =1)

- 259 [13] - 253 [15] 0.07 [15] 0.070 [13]

Methaan (aardgas) - 183 [15] - 161 [15] 0.6 [15] 0.5 [14]

Benzine

verbrandingswaarde LHV (Lower Heating), MJ/kg verbrandingswaarde LHV (Lower Heating), MJ/l (atmosferisch) Vlampunt (ºC)

120 [14]

50 [14]

- 20 [15] 38 - 205 [15] 4 [15] 0.7 - 0.8 [15] 44.5 [14]

0.010 [14]

0.0325 [14]

31.1 [14]

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 CO2 - 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

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. CO2 emissies De relatie tussen de gemeten stijging van de atmosferische CO2 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 CO2 emissies in de huidige geïndustrialiseerde landen gereduceerd te worden met ca. 30-50% in 2050 [8]. Tegelijkertijd dienen opkomende landen als China en India meteen te beginnen met lage emissie-technologie.

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 CO2 wordt afgevangen, dan is deze waterstof klimaatneutraal.

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.

Aardolie produkten

Kolen

Aardgas LPG

Zon Wind

Biomassa

Kooldioxide

Waterstof

Opslag

Opslag/Transport/ Distributie

Nucleair

Gebouwde Omgeving Industrie

Vervoer Weg/water/lucht 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. H2 H-H

H+ + e -

H

H+

Pt/C O-O

O + 2 H+ + 2 e -

e-

H2O

O2 Totale reactie: 2 H2 + O2 → 2 H2O + 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

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 CO2-produktie voert men ketenanalyses uit. In deze analyses wordt voor alle stappen in de keten uitgerekend hoeveel energie verloren gaat en hoeveel CO2 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 CO2 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 CO2 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

283 MJ

CO2 emissies Lokale emissies CO ; NOx ; HC

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) 0g;0g;0g

Figuur 5 . Vergelijking van energiegebruik, emissies van CO2 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].

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: www.GII.com

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.

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

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

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

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 2050. 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.

Referenties [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

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. BP Statistical Review of World Energy 2005, www.bp.com. The Economist, June 28th, 2003. KNMI '06 scenario's, www.knmi.nl/klimaatscenarios National Geographic, September 2004. The Economist, June 8th, 2006. Commission of the European Communities, COM(2005) 35 final M.G.J. den Elzen, M. Meinshausen, MNP Report 728001031/2005 Zie http://www.rivm.nl/milieukwaliteit/lucht/ 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 2002. www.lbst.de/gm-wtw Emissiedatabank VITO: www.emis.vito.be www.bp.com Handbook of Chemistry and Physics, 64th edition (1983-1984), ed. R.C. Weast , CRC Press, Boca Raton, Florida. Hydrogen Properties, College of the Desert, rev.0, December 2001, beschikbaar op http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/h2_manual.html. Chemiekaarten, versie 2006.

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

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

"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.

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 2004. 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.

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

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.

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

Member States

presumption of conformity

harmonised standards

mandatory

voluntary

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

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

In de VS bestaat een systeem van zelfcertificatie genoemd FMVSS. Dit is geen bevredigende situatie. Om redenen van efficiëntie en kostenbesparing moeten de bepalingen zoveel mogelijk wereldwijd uniform en gelijkwaardig zijn. Er wordt daarom gewerkt aan zo'n uniforme regeling onder de naam Global Technical Regulation (GTR). Voor stationaire toepassingen gelden andere regels. In Europa staat zelfcertificatie voorop. Gewoonlijk geldt in EU landen een procedure die de volgende stappen omvat. • Vergunningaanvraag • De vergunningverlenende autoriteit verstrekt een aanvraagformulier met gedetailleerde beschrijving van alle vereisten • Hoorzitting over het ingevulde aanvraagformulier • Vergunning om de installatie te bouwen of op te richten • Inspectie van de installatie door de bevoegde instantie • Verlening van een gebruiksvergunning De volgende vergunningen zijn vereist: • Bouwvergunning • Milieuvergunning • Gebruiksvergunning • CE certificaten (met gedetailleerde beschrijving van de installatie) • Inspectierapport / certificaat door onafhankelijke instelling De volgende instanties zijn betrokken bij de vergunningverlening: • Milieudiensten • Brandweer • Gemeentelijke bouwdiensten • Bouwtechnische diensten Belangrijke onderdelen van de vergunningverlening: • Relevante nationale regelgeving • Risicoanalyse: • Kennis van aspecten van waterstofveiligheid die nog niet geheel zijn onderzocht • Relevante maar nog ontbrekende of onvoldoende bekende ongevalsstatistieken • CE marking • Afhankelijk van risicoanalyse, beproeving en operationele ervaring In de VS geldt weer een andere benadering, geïllustreerd in bijgaande figuur. Elk van de zeven hier genoemde toepassingen is onderworpen aan eigen vereisten.

Figuur 5. Installatie en gebruik van brandstofcellen in een commercieel gebouw. Bron: US Permitting guide.

Normen voor waterstof Voor andere waterstoftoepassingen geldt de volgende regelgeving. • Tankstations, waterstofcomponenten, detectors, waterstofkwaliteit, adapters en verbindingen: ISO/TC 197 Hydrogen technologies • Brandstofcel beproevingsmethodes en "performance measurements": IEC/TC 105 Fuel cell technologies • Materiaalcompatibiliteit voor waterstofopslag: ISO/TC 58 Gas cylinders • … Informatie over deze en andere normen is te vinden op de websites: http://hcsp.ansi.org/ http://www.fuelcellstandards.com.Matrix.htm "Nog te doen" Om veilige toepassing van waterstof over de hele wereld mogelijk te maken, en daartoe adequate regels op te stellen, dient verder onderzoek plaats te vinden op de volgende terreinen: • tankstations: geharmoniseerde lay-out criteria, risicoanalyse • waterstofsensoren en lekdetectiemethodes, deze zijn belangrijk voor de toekomst van waterstof omdat deze essentieel zijn voor het voorkómen van ongevallen • geharmoniseerde en algemeen aanvaarde evaluatiemethodes voor de bepaling van waterstofopslagcapaciteit, van duurzaamheid van brandstofcellen

• • • • • •

karakterisering en vastlegging van kwaliteit van waterstof als brandstof voor verschillende toepassingen materiaalcompatibiliteit verbindings- en overgangsstukken veiligheid bij productie, transport, opslag en gebruik van waterstof recyclen van brandstofcellen …

Dit onderzoek en de vertaling van de resultaten ervan in regelgeving gebeurt bij voorkeur in internationaal verband, waarbij de volledige ontplooiing van waterstoftoepassingen in vijftien à twintig jaar niet gehinderd mag worden door het ontbreken van relevante regelgeving. De eerste taak van de waterstofgemeenschap en de verantwoordelijke autoriteiten is momenteel, ervoor te zorgen dat waterstof aanvaard wordt door het publiek. Daartoe moet men wel continu de ontwikkelingen volgen, en actie ondernemen, vooral op Europees niveau, waar dat geboden is om in de pas te blijven met ontwikkelingen elders. In internationaal verband zijn vooral de volgende activiteiten van belang: • implementeren van een aangepast mechanisme voor wereldwijde harmonisering van "RCS" (Regulations, Codes and Standards) om duplicatie en proliferatie van divergerende nationale belangen te vermijden • bevorderen van Global Technical Regulations (GTR) in UNECE/ WP.29/GRPE/ informele groep voor waterstof-brandstofcel voertuigen via de Global Cooperation Group (GCG) • internationale samenwerking op het gebied van veiligheidsonderzoek, met prioriteit voor toepassingen in het transport • samenwerking in pre- en co-normatief onderzoek • internationaal uitwisselen van ervaring door beleidsmakers, overheden en vergunninggevers. Dat deze activiteiten in internationaal verband moeten worden ondernomen sluit nationale actie niet uit, maar juist in. Op alle genoemde terreinen moet onderzoek worden gedaan of worden nagedacht over adequate maatregelen. Langs de hier aangegeven weg lijkt de verantwoorde toepassing van waterstof daadwerkelijk ontwikkeld te kunnen worden.

Waterstofproductie en -distributie Pim Meyboom Business Development Manager Air Products Met waterstof bestaat al veel ervaring. Vanaf het begin van de space shuttles is de energievoorziening van astronauten op waterstof gebaseerd geweest. Air Products is een belangrijke speler op dit veld, het is de grootste leverancier van waterstof ter wereld met meer dan 50% marktaandeel. Het bedrijft meer dan zestig grote waterstoffabrieken wereldwijd en ontwikkelt oplossingen voor de waterstofeconomie: feedstock, productie, transport en opslag. Het bedrijf was al in 1992 betrokken bij proefnemingen met een waterstofbus in Brussel. Het is betrokken bij demonstratie van transport op waterstof in vele landen en heeft meer dan dertig waterstoftankstations in bedrijf. Het beheert ook pijpleidingen, bijvoorbeeld één van 50 km lengte in het Rijnmondgebied met een capaciteit van 250 ton per dag, genoeg voor de energievoorziening van bijvoorbeeld 250.000 huishoudens. Daarnaast, niet onbelangrijk in de waterstofwereld, is Air Products nummer 1 in de wereld op het gebied van veiligheid in de chemische industrie. De belangrijkste uitdagingen bij waterstof naast verdere ontwikkeling van de technologie zijn regelgeving, standaardisatie en ontwerpen voor veiligheid. De technologie is echter goeddeels beschikbaar en bruikbaar, maar duur. ; de veilige omgang met waterstof is iets dat geleerd en geoefend moet worden, en voor de toekomst van waterstof in de publieke sector is dat essentieel. Deze perceptie leidt voor Air products tot een simpele strategie voor de ontwikkeling van waterstof: realiseer demo's daar waar mogelijk. Kennis is niet het probleem, er is voldoende kennis aanwezig; praktijkervaring, daar gaat het om. Maar hoe doe je praktische ervaring op als het uitvoeren van een waterstofproject nog zo veel geld kost? Het antwoord ligt in het vinden van 'ideale' locaties met één of meer voordelen op het gebied van goedkope waterstof, bestaande infrastructuur, politieke wil, milieubelang, houding van consumenten etc. Maak van die "ideale" omstandigheden gebruik om op een economisch haalbare manier demonstratieprojecten te realiseren. Het uiteindelijke doel hiervan is het creëren van market pull. Want demo's motiveren consumenten en politiek; dit leidt tot nieuwe demoprojecten, hetgeen de kosten omlaag brengt, wat weer tot meer herhaling leidt, en dit heet uiteindelijk een markt: een configuratie waarin geldverstrekkers bereid zijn te investeren. Een waterstofeconomie heeft een infrastructuur nodig. De leidende gedachte voor de opbouw van deze infrastructuur is o.a. geformuleerd door Jeroen van der Veer, CEO van de Royal Dutch Shell Group: "De ontwikkeling van een keten voor levering van waterstof zal zich misschien voltrekken langs lijnen die wij nu nog niet kunnen overzien. Een duidelijke ontwikkelingslijn bestaat uit het gebruik maken van de bestaande gasinfrastructuur; maar andere ontwikkelingslijnen kunnen naar voren komen. Het is belangrijk, ons niet vast te laten leggen door bestaande structuren." Met andere woorden: begin met wat je hebt, maar wees flexibel naar de toekomst.

De belangrijkste factoren bij de ontwikkeling van een waterstofinfrastructuur zijn: • Regionale dynamiek en geografische beperkingen • Afstand van productie tot gebruikspunt • Benutting van reeds geïnvesteerd kapitaal Infrastructuur oplossingen zullen betrekking hebben op: • Bestaande productie- en distributie-infra zoveel mogelijk benutten • "Point of use" opwekking • Combinatie van tanken met het opwekken van warmte en elektriciteit • "Feedstock" flexibiliteit (zie onder energiebron hieronder) • Installatie en conversie van pijpleidingen.

Waterstofproductie De waterstofeconomie heeft een ongekende flexibiliteit, zoals blijkt uit deze tabel. Energiebron Aardgas

Productie Stoomreforming

Distributie Pijplijn

Opslag Metalen vaten

Aardolie

Vergassing

Kunststof vaten

Biomassa

Elektrolyse

Steenkool

Thermolyse

Tankwagens (onder druk) Tankers (vloeibaar) Schip

Kernenergie Zon Wind

Fotolyse Off gas

Spoor

Metaalhydriden Chemische hydriden Koolstof

Eindgebruik Transport (brandstofcel) Stationair (brandstofcel) Verbrandingsmot or Bijmenging

Waterstof kan op vele manieren worden voortgebracht. Grondstof

Drivers

Koolwaterstoffen (reforming)

Momenteel laagste productiekosten Grondstof in sommige landen aanwezig Grondstof die waterstof bevat Duurzaam Niche plaatselijke/regionale voorziening Opslag om variaties in het aanbod op te vangen Duurzaam Niche plaatselijke/regionale voorziening Opslag om variaties in het aanbod op te vangen Duurzaam Niche plaatselijke/regionale voorziening Grondstof beschikbaar in landen Grote vraag nodig met grootverbruik energie (VS, Veranderende houding van het China) publiek Overheidssteun Lange projectduur Lagere kosten waterstofdistributie Mogelijkheid CO2 opslag Onafhankelijkheid van het Grote vraag nodig buitenland (VS en andere landen) Veranderende houding van het publiek Schone lucht Overheidssteun Lage productiekosten Oplossingen voor opslag van kernafval Lange projectduur Lagere kosten waterstofdistributie

H2 off gas Wind

Zon

Biomassa Kolenvergassing

Kernenergie

Barrières / voorwaarden voor succes Stabiele voorziening van fossiele brandstof Prijsstabiliteit grondstof Mogelijkheid CO2 opslag Betrouwbaarheid van de levering Lagere kosten van waterstofdistributie Kapitaalbeslag Kostenreductie nodig Niet overal beschikbaar Lagere kosten van waterstofdistributie Grote kostenreductie nodig Kapitaalbeslag Niet overal beschikbaar Kostenreductie nodig Productiviteit van het grondgebruik

Ook in productiemethoden is er een groot scala aan beschikbare mogelijkheden. Productiewijze

Drivers

Onsite reforming (algemeen)

Geen nodig

•

Aardgas

Bestaande gasinfrastructuur

•

Methanol

Laagste reforminginstallaties

•

LPG/nafta

•

Biomassa

Elektrolyse

•

Duurzaam (zon/wind)

•

Elektriciteitsnet

Directe productie duurzame bronnen

waterstofdistributie

kosten

Barrières / voorwaarden voor succes Voldoende bedrijfstijd vereist Niet 100% betrouwbaar Grondstof moet stabiel zijn in prijs Voor grootschalige voorziening moet gasinfra worden uitgebreid Afhankelijk van beschikbaarheid Grote problemen met giftigheid Afhankelijk van aardolie infrastructuur

Beschikbare bronnen van vloeibare koolwaterstoffen in vele landen en regio's Duurzame grondstof Kosten van reiniging van de grondstof Geen waterstofdistributie Voldoende bedrijfstijd vereist Niet 100% betrouwbaar nodig waterstofZeer betrouwbaar, ook Efficiency elektriciteit cyclus is laag start/stop Wordt gezien als technologie Hoge productiekosten voor duurzame waterstof Kostenreductie nodig Groene credits Plaatselijke zon of wind Duurzaam Opslag om variaties in het aanbod op te vangen Gemak Locaties met hoge component duurzaam vereist Voor grootschalige voorziening moet elektriciteitsnet worden uitgebreid uit In potentie eenvoudige, Nog veel ontwikkeling en directe methode grote kostenreductie nodig

Belangrijk is de kostenvergelijking bij de huidige stand van zaken. Elektriciteit €/kWh 0,03 0,045 0,055 0,065 0,07 0,08 0,50

Energiebron €/GJe 1. Gasgestookte STEG 8 2. Kolenvergassing STEG 13 3. Kernstroom 15 4. KV-STEG met CO2 opslag 18 5. Biomassa centrale 19 6. Windenergie 22 7. Zonne-energie 139 8. H2 stoomreforming uit methaan (SMR, grootschalig) 9. H2 SMR, grootschalig met CO2 verwijdering en opslag 10. H2 biomassa vergassing 11. H2 via stoomreforming (kleinschalig met CO2 verwijdering en opslag) 12. Elektrolyse (8000 h/jr, 0,05 €/kWh 13. H2 aangeleverd per tube trailer Distributiekosten (indicatief) 1-4 1 kg = 11 Nm3; industriële commodityprijs aardgas: 4 €/GJ

Waterstof €/GJ H2

€/Nm3 H2

6

0,08

10

0,13

12 20

0,15 0,26

28 31 2-5

0,36 0,40

De veelheid aan routes naar waterstof wordt nog eens gedemonstreerd in Figuur 1.

Production Central Production

Distribution Hydrogen

Fuel Station

Liquid Onboard

Distributed Production

abc

Gas Onboard Natural Gas, Propane, Methanol/ Ethanol, Naptha Feedstocks

Figuur 1. Waterstofproductie - distributieroutes.

Uit dit alles blijkt dat waterstof op veel verschillende manieren te maken is. Dit geeft enerzijds de flexibiliteit aan van de waterstofeconomie; anderzijds betekent dit dat het moeilijk is, keuzes te maken. Uit de enorme hoeveelheid mogelijkheden bekijken we een paar factoren die van belang zijn. • Bij gebruik van biomassa als grondstof komt de vraag aan de orde of hierdoor voedselproductie zal worden verdrongen • Bij lokale opwekking is het grote voordeel dat geen waterstofdistributie, met de daaraan verbonden kosten, nodig zal zijn

• • •

Er zijn grote verschillen in productiekosten, sommige productiemethoden zijn wel een orde van grootte duurder dan andere Wanneer kooldioxide vóór verbranding wordt afgevangen (precombustion), zijn de kosten bij grootschalige installaties te overzien Waterstof uit wind is bij de huidige prijsverhoudingen een onbetaalbare zaak; bij de ontwikkeling van de waterstofeconomie kan windenergie daarom beter aan het net geleverd worden terwijl waterstof op andere manieren wordt gemaakt. Wel kan productie van waterstof uit wind als lange-termijn doel worden gesteld.

Ontwikkeling van de infrastructuur Om waterstof naar het publiek te krijgen is de bouw van infrastructuur noodzakelijk. Waterstofpijpleidingen zijn daarvan een belangrijk onderdeel. In de aanloopfase kunnen tube trailers en tankwagens vanuit grote centrale productie-eenheden de benodigde waterstof aanvoeren naar nieuwe waterstofverbruikspunten. Als zich dan voldoende vraag naar waterstofop zo'n nieuw verbruikspunt ontwikkelt, dan kan overgeschakeld worden op een locale productieunit of een pijplijnverbinding met een grote centrale unit. Met tube trailers en tankwagens voor kunnen verbruikspunten binnen een 350 km radius moeiteloos van waterstof voorzien worden. Vanuit onze productie in de Rijnmond wordt dan al geheel Nederland bestreken. Gezien het formaat van Nederland, zeker in vgl met Californië, is het ondersteunen van waterstofdistributie door het gehele land absoluut een haalbare zaak. De voordelen van de bestaande infra moeten worden benut. Het waterstofnet in de Rijnmond is uitstekend geschikt om niet alleen voor industriële doeleinden te worden gebruikt maar ook voor bijv. woningverwarming. In Zwijndrecht bijvoorbeeld ligt een aantal flatblokken met centrale energievoorzieining op minder dan 100 meter van de pijp van Air Products. Voor één zo'n blok wordt inmiddels gewerkt aan het realiseren van een brandstofcelinstallatie gekoppeld aan de pijplijn die electriciteit en warmte aan het blok gaat leveren. De verwachting is dat dit medio 2007 operationeel kan zijn en als het goed loopt is veel herhalingspotentieel. Hier ligt dus een kans die moet worden gegrepen. Het waterstofnetwerk wordt nu gevoed vanuit een grootschalige productie-eenheid op basis van aardgas, maar kan te zijner tijd worden gevoed met waterstof uit duurzame bronnen (fossiel met CO2 afvang, biomassa, wind, zon). Demonstratieprojecten zijn absoluut noodzakelijk, want de leercurve gaat veel steiler omhoog als je in de praktijk gaat werken. En de beschikbare tijd is betrekkelijk kort. Demonstratieprojecten moeten worden gerealiseerd op plaatsen waar voldoende kennis is en waar ook andere drivers zijn, zoals slechte luchtkwaliteit. Rotterdam is om die reden een uitstekend centrum voor een beginnende waterstofeconomie, evenals bijvoorbeeld in het sterk vervuilde New Delhi. Het doel van proefprojecten is, mensen te motiveren en tot actie te bewegen, om zodoende investeringen op gang te krijgen. In Rotterdam is 90% van de benodigde infra en klandizie al aanwezig. Op basis hiervan is de tijd rijp om door een gezamenlijke inspanning van bedrijfsleven en overheid een start te maken met de opbouw van een, eerst lokale, waterstofeconomie.

Het voordeel van grootschalige productie is het hoge rendement; ook het rendement van CO2 afvang is hoog bij zo'n installatie. Waterstof kan geleverd worden aan tankstations. Te voorzien is dat de aardgaslevering op tankstations daardoor uitgefaseerd zal worden. In New Delhi is men al een stuk verder. Vanwege de luchtkwaliteit is men daar twee jaar geleden massaal overgestapt op aardgas als motorbrandstof; nu wordt dit aardgas reeds geleverd met bijmenging van 20% waterstof. Dit levert een onmiddelijke besparing op van 20% op de lokale emissies en legt tegelijkertijd de grondslag voor een waterstofdistrbutie netwerk. Een ander Air Products' concept is het 'energiestation', in 2002 opgeleverd in Las Vegas. Dit station, gevoed door aardgas, bevat een on site reformer; het kan op basis daarvan zowel aardgas leveren, als waterstof, en ook een waterstof/aardgas mengsel.

Fuel Cell H2 Storage

NG

H2

H2 Generator Backup LH2 CNG/H2 Blender

CNG/H2

CNG

NG CNG Storage

Figuur 2. Energiestation in Las Vegas.

Daarnaast verzorgt Air Products alle technologie en apparatuur om waterstof te tanken, bijvoorbeeld voor tankstations in Washington en Singapore. Verder zijn er technologie demonstratieprojecten onder meer in UC Irvine (waterstofproductie onder hoge druk door windenergie, 2004), New Delhi (menging en levering van aardgas met waterstof, 2005), en Toulouse (on site reforming, levering van waterstof/aardgas mengsel, 2006).

Figuur 3. Tankstation voor waterstof en aardgas/waterstofmengsels, New Delhi.

Voor het over langere afstanden laten rijden van kleine groepen waterstofvoertuigen (bijvoorbeeld testmodellen van auto en busfabrikanten) heeft Air Products een mobiel tankstation ontwikkeld. Het meevoeren van de waterstofinstallatie tijdens de rit is op dit moment (bij het grotendeels ontbreken van infrastructuur) veel efficiënter dan het bouwen van een reeks vaste tankstations met een uiterst lage bezettingsgraad. De oplegger waarop het mobiele tankstation staat, rijdt overigens gewoon op diesel. Hierdoor blijven de kosten van dit soort testprojecten beperkt, waardoor ze eerder en vaker kunnen plaatsvinden. In Californië heeft gouverneur Schwarzenegger zich achter waterstof geplaatst, met als gevolg plannen voor een netwerk van 170 waterstofstations in de staat in 2010, ofwel één op elke 32 kilometer. Veertien stations zijn inmiddels klaar, er zijn nog eens zeventien gepland. Regelgeving en veiligheid Huidige toepassing van waterstof (meest industrieel) volgt de algemene regels voor zonering van gevaarlijke stoffen. De zonering regelt de afstand van installaties tot woonbebouwing. Daar waterstofinstallaties meestalop industriele locaties worden geplaatst zijn locale overheden hiermee onbekend. Dat roept dan de vraag op, of dezelfde regels voor waterstof in de gebouwde omgeving kunnen worden toegepast. Er zijn projecten nodig om die regelgeving los te maken en standaarden te ontwikkelen. We hebben de ontwikkeling ervan nú nodig, omdat dit bekend moet zijn voor dat waterstof op enige schaal in de gebouwde omgeving uitgerold kan worden. Hier zullen nog gemakkelijk vele jaren mee gemoeid zijn.

Large Scale Gaseous Hydrogen Production Plant Liquifier

Currently Fossil Future Renewable

Pipeline to Non Automotive PIP Hydrogen Customers EL INE

Liquid Hydrogen Truck

House

Garage L H2 Storage

vaporizer

Compressor

Small Hydrogen Generator Larger Hydrogen Generator 500,000 SCFD

Crash Site

Pipeline to Other Dispensing Stations

storage Dispenser (100 cars/day) 188,000 SCFD Emergency Responder

DISPENSING STATION

Figuur 4. Veiligheidsanalyse van inpassing van waterstof in de gebouwde omgeving.

Ook hier moet worden gewezen op de zeer goede veiligheidsscore van onze waterstofinfrastructuur. De gehele waterstofindustrie exploiteert 800 km pijplijn in de VS. In de Air Products pijplijnen is meer veiligheid ingebouwd dan vereist door bijvoorbeeld DOT (Department of Transport, VS): door extra maatregelen in dichtbevolkte gebieden wordt de hoeveelheid ontsnappend gas aanzienlijk beperkt in het geval van bijvoorbeeld pijpbreuk (wat op zich zelf al de meest veilige transportmodule is). In 35 jaar tijd hebben zich bij Air Products geen branden voorgedaan in waterstofpijpleidingen. Air Products bezit 75 trailers voor vervoer van vloeibaar waterstof, waarmee 13 miljoen kilometer per jaar wordt gereden. Dit komt neer op een totaal van 250 miljoen kilometer sinds het begin van deze diensten. In deze periode heeft zich geen enkel ongeval voorgedaan waarbij vloeibare waterstof op het wegdek terecht is gekomen. Op basis daarvan heeft het bedrijf in 1996 bijvoorbeeld de NASA Safety Award gewonnen. Om veiligheid ook bij publiek gebruik te kunnen waarborgen moet de waterstofvoorziening zoveel mogelijk inherent veilig gemaakt worden. Bij een ongeval ,ook bij brand, mag er geen waterstof ontsnappen. Tanken van waterstof zal volautomatisch moeten plaats vinden. Het voertuig zal zó moeten worden geplaatst dat het vullen niet door menselijke fouten mis kan gaan. Europese programma's die op veiligheid betrekking hebben zijn HyApproval (met focus op de waterstofinstallatie, bijvoorbeeld een tankstation) en HySafe (met focus op de omgeving van de installatie, en ontwikkeling van een handboek voor tankstations).

Conclusie Om de toekomst van waterstof veilig te stellen moet het vertrouwen van het publiek worden gewonnen. Weliswaar is er zeker bereidheid, waterstof te aanvaarden, maar er is veel negatieve publiciteit, met boodschappen als: het kan niet, het zal nog lang duren, het is nog onveilig. Om het publiek mee te krijgen moet hieraan veel aandacht worden besteed en dat kan het best in de vrom van demonstratieprojecten. Net zo belangrijk is het ruimschoots besteden van aandacht aan veiligheid in de ontwerpfase van installaties over de hele keten. Wat betreft de ontwikkelingsstrategie: er moet nú begonnen worden met een reeks demoprojecten op basis van bestaande infrastructuur, want anders komt waterstof te laat om een oplossing te bieden aan de milieuproblematiek en energiezekerheid. Reken in het begin op een diversiteit aan oplossingen waarbij de besten uiteindelijk boven zullen komen drijven en die besten kennen we vandaag wellicht nog niet eens. De echte doorbraak zal pas komen met de massale introductie van brandstofcel gecreven auto's hetgeen niet voor 2013 verwacht wordt.

Waterstof in de automobielbranche Huub Dubbelman Manager Corporate Communications DaimlerChrysler Nederland BV Een nieuw mobiliteitstijdperk breekt aan. Nieuwe vervoerconcepten staan overal in de belangstelling. Duurzame mobiliteit is het uitgangspunt. Daimler Chrysler ziet vijf stappen naar duurzame mobiliteit. • Ontwikkel nieuwe mobiliteitsconcepten en oplossingen die klanten kunnen enthousiasmeren en overtuigen • Stel alternatieve energiebronnen beschikbaar met voldoende capaciteit • Cultiveer en promoot die nieuwe infrastructuur • Ondersteun politieke initiatieven op dit gebied • Ontwikkel en produceer voertuigen in de wereld met de beste en de meest duurzame prestaties. De nieuwe mobiliteit zal zich ontwikkelen in een aantal stadia.

t Brandstofcel-aandrijving Hybride-voertuigen CO2-neutrale Bio-brandstof Verbetering conventionele brandstoffen Verbetering van verbrandingsmotoren Figuur 1. Verschillende stadia op de weg naar duurzame mobiliteit

De eerste is verbetering van conventionele brandstoffen. Veel leveranciers staan klaar om hierin actie te ondernemen. Vanaf 2005 worden roetfilters, zonder toevoegingen én onderhoudsvrij, standaard geleverd eerst in twintig, later in veertig Mercedes-Benz dieselmodellen. Vanaf voorjaar 2006 zijn roetfilter ook leverbaar voor bestelwagens. Retrofit-filters komen beschikbaar voor Mercedes-Benz C- en E-Klasse dieselversies. Later dit jaar komen Smart CDI modellen met roetfilter beschikbaar. Maar de regelgeving is zeer gecompliceerd en de overheid heeft de richting nog niet aangegeven. Aardgas

is een interessant alternatief, maar ook daarin speelt de overheid een sleutelrol, want zonder infrastructuur kan aardgas niet penetreren. De tweede stap vormt de introductie van CO2-neutrale biobrandstoffen. Ook hier is de vraag: wat wil de overheid? In de VS is E85 brandstof (een brandstof die voor 85% uit alcohol en 15% benzine bestaat) al toegelaten, Bluetec® is op de markt beschikbaar voor bijmenging aan diesel om de stikstofoxide-emissies te reduceren. Deze brandstoffen voldoen nu al aan de eisen voor 2020. De Nederlandse regering promoot gelijktijdig veel alternatieve brandstoffen. De consequentie daarvan zou kunnen zijn dat er straks zeven brandstoffen aan de pomp worden gevraagd, en dat is wellicht niet rendabel. De derde stap wordt gevormd door gebruik van hybride voertuigen. DaimlerChrysler is hier al twintig jaar mee bezig. Met hybride voertuigen kunnen emissies in het stadsverkeer kunnen gereduceerd met 15-25%. Daimler Chrysler gaat op korte termijn marktspecifieke hybride voertuigen op de markt brengen. Toch ziet Daimler Chrysler de hybride technologie niet als eindstation, doordat de hybride benzine- of dieselauto twee verschillende aandrijfsystemen heeft. Wel is de hybride technologie aantrekkelijk voor gebruik in brandstofcelvoertuigen, omdat deze zeer efficiënt is in brandstofgebruik. De introductie van waterstof in het energiesysteem brengt ongekende nieuwe mogelijkheden. Wellicht gaat de kabel van Norsk Hydro onder de Noordzee gebruikt worden om hier waterstof te produceren als buffer voor de Nederlandse energievoorziening. De brandstofcelauto zal niet alleen in staat zijn om te rijden op waterstof, maar kan ook aangesloten worden op de energievoorziening in huis om energie aan de woning te leveren. Als de auto als waterstofbuffer wordt gebruikt en de brandstofcel tweezijdig wordt toegepast gaat dit enigszins ten koste van het rendement maar de omzettingen zijn schoon en zuinig. Bussen en bestelauto's hebben zijn uitermate geschikt om brandstofcellen te testen, ze rijden vaak zeven dagen per week. Het aantal testvoertuigen neemt steeds toe. In Amsterdam-Noord rijden drie bussen op waterstof, het expeditiebedrijf UPS heeft een aantal bestelwagens met waterstof rondrijden en heeft onlangs bij Dodge een bestelling geplaatst voor nog eens twintig voertuigen.

Figuur 2. Mercedes Benz brandstofcelvoertuigen in dagelijks gebruik

De brandstofceltechnologie maakt het nieuwe mobiliteitstijdperk mogelijk. Met deze technologie komen schone (zero emission) voertuigen op de weg, met vrijwel geluidsloze aandrijving. Brandstofcellen geven een betere motorefficiency (vergelijk benzineauto's 17-21%, dieselauto's 22-26%, brandstofcelauto's 48-52%; door toepassing van hybride systemen neemt in elk van deze gevallen de efficiency nog eens met ca. 8% toe). De rijeigenschappen van brandstofcelauto's zijn beter dan die van conventionele vervoermiddelen. Door de elektrische aandrijving aan boord kan extra comfort worden geleverd, zoals het gebruik van de airco bij stilstand. En tenslotte is het door toepassing van waterstof mogelijk, in de toekomst olie-onafhankelijke energiebronnen voor de mobiliteitssector te introduceren. Toepassing van brandstofcellen heeft de voorkeur van DaimlerChrysler boven de verbranding van waterstof in verbrandingsmotoren, omdat dit aanzienlijk minder efficiënt is en bovendien niet 100% schoon en niet stiller dan conventionele voertuigen. De inspanningen voor de ontwikkeling van duurzame mobiliteit spelen zich wereldwijd af, zeker ook in Japan waar men voor 100% afhankelijk is van geïmporteerde motorbrandstoffen. DaimlerChrysler is over de hele wereld betrokken bij deze ontwikkelingen, meer dan honderd DaimlerChrysler waterstofvoertuigen zijn er dagelijks over de hele wereld op de weg. Voor het dagelijkse gebruik van waterstofvoertuigen is een uitgebreide waterstofinfrastructuur nodig. Op diverse locaties in de wereld worden inititatieven genomen om te beginnen met een dergelijke infrastructuur. In Duitsland is besloten tot aanleg van een waterstofsnelweg: een keten van waterstoftankstations langs snelwegen, die een 1800 km lange lus door het land vormt en die de belangrijkste waterstofcentra van het land verbindt. Aan dit initiatief nemen universiteiten, wetenschappelijke onderzoekscentra, energieleveranciers (waaronder ook elektriciteitsbedrijven) en de automobielbranche deel. De aanleg van deze snelweg is mogelijk gemaakt doordat de Duitse regering onlangs een extra budget heeft toegezegd

Figuur 3. Waterstofsnelweg, zoals voorgesteld in Duitsland.

De realisatie van zulke initiatieven is van groot belang om ervaring op te doen met diverse technologieën, om ervaringsgegevens uit te wisselen en om te komen tot standaardisering. Bij de waterstofsnelweg zal onder meer gebruik worden gemaakt van een revolutionair, door Linde ontwikkeld waterstoftankstation, waarbij het voertuig met grote precisie wordt geleid boven de vulplek. Linde (eigenaar van o.m. HoekLoos) is ook de initiatiefnemer voor een studie naar de behoefte aan waterstofinfrastructuur in Europa. Hieruit blijkt dat in Nederland met vijftien tot twintig tankstations, voornamelijk in de Randstad, tachtig procent van de behoefte kan worden afgedekt. Per station is een investering vereist van anderhalf à twee miljoen Euro. Dit is een betrekkelijk gering bedrag, en het Platform Duurzame Energie heeft deze kwestie dan ook al opgepakt.

Intussen gaat de ontwikkeling van de brandstofcelauto met onverminderde kracht door. Het nieuwe Mercedes Benz model HyGenius kan zich qua prestaties meten met een conventionele auto: motorvermogen 60/85 kW, actieradius meer dan 400 km met een 700 bar waterstoftank en een Li-ion batterij, maximumsnelheid 174 km/uur, verbruik 2,9 l per 100 km, start bij -25 o C.

Figuur 4. Nieuw model brandstofcelauto Mercedes Benz, de HyGenius.

Voor het evenaren van de actieradius van de huidige generatie benzineauto's is verhoging van de opslagcapaciteit van waterstoftanks cruciaal.De ontwikkeling van de waterstoftank lijkt momenteel richting 700 bar te gaan. Opslag van waterstof in vloeibare vorm is ook mogelijk, daartoe dient wel gekoeld te worden tot -253 °C. Een andere mogelijkheid om de actieradius van auto's te vergroten is door ze weer een slag lichter te maken. De afgelopen decennia is de ontwikkeling de andere kant op gegaan: de VW Golf is 300 kg zwaarder dan die van twintig jaar geleden, door alle accessoires die in die tijd zijn toegevoegd. Elektrische tractie met gebruik van batterijen verliest zijn waarde als waterstof wordt toegepast. De introductie van de waterstofauto voorziet Daimler Chrysler vanaf 2015, met een introductietijd van acht jaar. Met voldoende inspanning is een versnelde introductie zelfs mogelijk. Er is dan voor elektrische tractie met gebruik van batterijen geen toekomst meer. Het duurzame mobiliteitssysteem zal er alleen komen als overheid, wetenschap en industrie samenwerken. Tot voor kort leek het gebrek aan politieke wil het grootste obstakel te zijn voor de doorbraak van de waterstofauto. Het afgelopen jaar echter is het transitieplatform onder hoge druk aan het werk gegaan om te voldoen aan de Europese regels voor fijn stof en CO2. Er is nu een bundeling van inspanningen om de nieuwe stappen snel te zetten. De dichtheid van Nederland werkt in ons voordeel. Diverse grote bedrijven als Shell, Nuon en E-on zijn bereid te investeren in deze ontwikkeling.

Er zijn grote aanpassingen nodig aan de huidige vervoerssystemen, maar in eendrachtige samenwerking kunnen deze tot stand worden gebracht.

Brandstofcellen in de gebouwde omgeving Jos van der Hyden General Manager Europe, Middle-East and Africa Plug Power Waterstof heeft belangrijke toepassingen in de stationaire energievoorziening: de levering van energie en energiediensten aan woningen, gebouwen en installaties. Waterstof is op dit terrein al gepenetreerd in niche toepassingen en zal, als de markt zich verder ontwikkelt, hierin steeds belangrijker worden. Plug Power, een Amerikaanse beursgenoteerde onderneming (Nasdaq) met een belangrijke Nederlandse vestiging, beweegt zich op dit gebied. Plug Power is strategische allianties aangegaan met Honda en Vaillant. Bij de toepassing van een nieuwe technologie worden de eerste stappen gezet door early adopters: partijen die gemotiveerd zijn om een technologie toe te passen ook al is deze nog niet concurrerend. De toepassing van waterstof in brandstofcellen in de stationaire energievoorziening is dit stadium al gepasseerd. Plug Power is nu met succes bezig de markt te ontsluiten van noodstroomvoorziening, waarbij backup wordt geleverd aan installaties die geen seconde zonder stroom kunnen functioneren. Het belangrijkste toepassingsgebied wordt gevormd door telecommunicatie, maar ook voor industriële installaties komt deze technologie nu in beeld. De volgende brandstofceltoepassing zal zijn de permanente stroomvoorziening op afgelegen plaatsen, die met het elektriciteitsnet moeilijk te bereiken zijn. Vervolgens zullen installaties in beeld komen die parallel aan het net draaien, en tenslotte zal ook de vervoermarkt op waterstoftechnologie overschakelen. De kern van onze boodschap is vierledig. • Brandstofcelsystemen voor noodstroomvoorziening zijn op dit moment leverbaar • Brandstofcellen leveren deze functie met lage onderhoudskosten en lange levensduur; de installaties zijn milieuvriendelijk en kunnen op afstand worden bestuurd • Deze systemen zijn gecertificeerd voor bedrijfszekerheid onder extreme omstandigheden in de buitenlucht • Als Nederland nu in actie komt, kan het binnen een paar jaar nummer één in Europa worden in geïnstalleerd brandstofcelvermogen.

Figuur 1. Plug Power Gencore systeem, voor noodstroomvoorziening

De GenCore® brandstofcellen die wij leveren, werken als batterijen: ze leveren gelijkstroom. En ze werken als een generator: ze leveren stroom zo lang er brandstof aanwezig is. De brandstof is waterstof, doorgaans geplaatst met zes cilinders, het gebruik bedraagt maximaal een halve cilinder per uur. De installatie levert elektriciteit met een vermogen van 0-5 kW, en verder warmte en water. Door sensoren wordt de werking van de installatie gevolgd, onder meer de nog aanwezige brandstofvoorraad. De installatie schakelt zichzelf in en uit wanneer dit nodig is en volgt de electriciteitsvraag volomen automatisch. In twaalf seconden is de brandstofcel op vol vermogen, in deze opstarttijd wordt het vermogen geleverd door accu's.

Figuur 2. Installatie geplaatst op een bergtop aan het eind van het elektriciteitsnet. Onweer is zeer gewoon, elke dag is er blikseminslag. De brandstofcel zorgt voor de back-up na deze inslagen.

Figuur 3. De installaties in Schotland is geplaatst in een skigebied, om de werking onder extreme omstandigheden te testen. Door de lange bedrijfstijd is dit eigenlijk niet meer een noodstroominstallatie.

Zeker in de telecommunicatie is de ononderbroken levering van stroom een levensvoorwaarde. Dat geeft problemen wanneer de installaties die verbindingen onderhouden zich bevinden op zwakke plaatsen in het elektriciteitsnet, of wanneer ze getroffen worden door extreme omstandigheden: onweer, orkanen, zware sneeuwval, aardbevingen. Brandstofcellen geven ook onder deze omstandigheden een betrouwbare stroomvoorziening. Plug Power is begonnen met levering van deze systemen in november 2003 en heeft momenteel over de hele wereld ca. 200 installaties geplaatst. Inmiddels is begonnen met het testen van de volgende generatie: generatoren voor toepassing los van het elektriciteitsnet. Deze lopen op LPG en bezitten dus een eigen reformer. De tests zijn bedoeld om de kinderziektes eruit te halen; introductie op de markt wordt verwacht in 2007. Ze zullen voornamelijk worden toegepast waar dieselgeneratoren niet toegelaten zijn vanwege de mogelijkheid van verontreiniging of geluidproductie, bijvoorbeeld voor de stroomvoorziening in natuurgebieden. Naarmate de prijs omlaag gaat zullen deze systemen dieper in deze markt doordringen. Voor toepassing in huizen en gebouwen parallel aan het net wordt in samenwerking met Honda een Home Energy Station en met Vaillant een brandstofcel warmtekrachtsysteem ontwikkeld.

Figuur 4. Testveld met GenSys systemen.

Brandstofcelinstallaties zijn onderworpen aan strenge veiligheidsnormen. Momenteel zijn van toepassing: • ATEX 95 • IEC/TC 105 / WG 5: Stationary fuel cell power plants - Installation • ISO/TC 197 / WG 9: Hydrogen generators using fuel processing technologies • NEN Normcommissie 310 197: draagt zorg voor de Nederlandse inbreng, richtlijn ontploffingsgevaar • PGS 15 (Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen): Richtlijn opslag van verpakte gevaarlijke stoffen • Toekomstige regelgeving: IEC/TC 105 / WG 3: Stationary fuel cell power plants - Safety Alle systemen van Plug Power voldoen aan deze nationale en internationale normen en zijn dan ook CE gecertificeerd. In deze fase van de ontwikkeling heeft overheidsbeleid grote invloed op de markt. De eerste commerciële systemen zijn beschikbaar, er zijn voldoende leveranciers. Het moment is aangebroken om de markt te stimuleren en niet langer de technostarters. Juist omdat de bedrijfstak net aan het opstarten is kan de overheid met een kleine stimulans veel bereiken. Daarbij denken wij vooral aan (belasting)voordelen voor eindgebruikers. Stimulering van de vraag heeft ook gevolgen voor de industriële ontwikkeling. De industrie volgt de markt. Als voorbeeld kunnen we wijzen op Nordrheinland-Westfalen in Duitsland. Deze deelstaat herbergt dertig procent van alle Europese brandstofcelinstallaties, en ook dertig procent van de Europese brandstofcelindustrie is hier gevestigd. Door eindgebruikers te subsidiëren, kunnen deze kiezen voor de beste producten en business models. Laat verder de leveranciers de R&D projecten kiezen die leiden naar marktsucces. Voorbeelden van zulke stimuleringsprogramma's zijn er voldoende. In de VS wordt op basis van de Energy Policy Act van 2005 30% belastingvoordeel gegeven op de totale kosten van geïnstalleerd vermogen, tot $1000/kW. Het Wereldbank (IFC) program (Zuid Afrika) subsidieert 50% van de investeringskosten (tot $2000/kW). Japan vergoedt tot 3 miljoen yen (€22,500) per systeem voor de eindgebruiker (1kW WKK).

Als Nederland nu op de juiste manier stimuleert kunnen we over enkele jaren nummer één in geïnstalleerd vermogen zijn. En de industrie volgt de vraag. De tijd is rijp voor stimulering van de markt.

B-06-025

www.ecn.nl www.jrc.ec.europa.eu