waterstof – Weblog Bernard Gerard

Roestbier

Warmte uit metaalpoeders
De TU/e doet research op het gebied van verbrandingsprocessen. Men probeert zowel bestaande brandstoffen schoner te maken en nieuwe, koolstofloze, brandstoffen te ontwikkelen.

Een researchtak die volwassen begint te worden is de warmteontwikkeling uit oxidatie van metalen, met voorop gewoon ijzer .
In alledaagse omstandigheden gaat de oxidatie van een ijzeren spijker traag en noemt men dat ‘roesten’. Maar als die spijker tot uiterst fijn poeder gemaakt wordt, gaat precies hetzelfde roestproces in fracties van seconden. Bij de intacte en de gemalen spijker komt dezelfde warmte vrij, alleen dus de ene keer in jaren en de andere keer in millisecondes.
Het fijne poeder, opgenomen in een luchtstroom, moet worden aangestoken en daarna houdt de verbranding zichzelf in stand. Niet anders dus dan bij een gasvlam. En zo’n ijzer-vlam kan richting de 2000°C gaan.

Het samenwerkingsverband van de TU/e in deze is Metalot op (toen nog) het Duurzaam Industrieterrein Cranendonck bij Nyrstar. Ik heb daarover eerder geschreven , zie www.bjmgerard.nl/?p=8667 .
Helaas heeft de stikstofuitspraak van de Raad van State nadien het bestemmingsplan onderuit gehaald waarop de verdere ontwikkeling van Metalot gebaseerd was (zie www.ed.nl/cranendonck-heeze-leende/duurzaam-industriepark-cranendonck-van-tafel-onderzoek-gaat-door~a3834a2f/ ). Nyrstar, een van de founders en beoogd leverancier van de grond, trok de stekker er uit. Metalot gaat nu slechts als researchproject verder ( www.metalot.nl/future-energy-lab/ ) verder. Dat is jammer.

Swinkels Family Brewers
Inmiddels was er een groep studenten die het proces door wilde ontwikkelen in een praktijksituatie, het Solid Team (www.tue.nl/en/our-university/community/solid/ ). Dat leidde tot een project bij Swinkels Family Brewers, in de volksmond bekend als Bavaria.
Het is een familiebedrijf . De huidige CEO Peer Swinkels is een bekwame ondernemer met een goed gevoel voor PR (vandaar de nieuwe naam, en de zevende familiegeneratie komt ook goed van pas)) en een groot netwerk in de regio.
Swinkels Family Brewers wil 100% circulair worden. Op de site staat een uitgebreide duurzaamheidsparagraaf ( https://swinkelsfamilybrewers.com/nl/mvo/ons-beleid.html ) en de feitelijke gedragingen in de regio spreken deze ambitie niet tegen. Daarnaast is het ook een goed en toekomstbestendig bedrijfsmodel.

Om bier te maken moet er ergens in het proces heel veel graan-halfproduct gekookt worden in hele grote ketels met water. Dat gebeurt nu met gas.
Hier kwamen de belangen bij elkaar. De studenten mochten een proefopstelling maken en die kon een klein deel van het gas vervangen.

Partners in Iron Fuel ( https://ironfuel.nl/ ) zijn de TU/e, Metalot, het Solid Team.. de EMGroup, Heat Power, Uniper, Shell en Pometon. Zoiets als het regionale bier-industriële complex.

Het proefproject kon starten en dat vroeg om een kleine plechtigheid in de vorm van een YouTube – filmpje. Op https://youtu.be/65bbHzirevI . Het publieksprogramma Energy Days van de TU/e (dat ik volg) presenteerde het op 29 oktober 2020 en zodoende kwam ik in contact.

vlnr Peer Swinkels (CEO van Swinkels Family Brewers, presentator Diederik Jekel, Gedeputeerde De Bie en verbrandingsprofessor de Goey . de Bie zit achter een fles met metallisch ijzer en een fles met Fe₂O₃ (gangbare ijzerroest)

Namens de studenten waren bij het feestje aanwezig Chan Botter en Lex Scheepers, namens de brouwerij Peer Swinkels en Martijn Junggeburth (manager duurzaamheid van Swinkels), directeur-bestuurder Maria van der Heijden van MVO Nederland voor een duurzame preek, en verbrandingsprofessor De Goey van de TU/e. Verder verscheen kwispelstaartend Eric de Bie, gedeputeerde van Energie, erfgoed en bestuurlijke vernieuwing namens het Forum voor de Demagogie, welke partij normaliter hel en verdoemenis preekt over klimaat en duurzaamheid, maar die hier toch niet wilde ontbreken bij een initiatief waar de provincie aan meebetaalt (en waar bier gemaakt wordt).

Het proefproject is een verbrandingsinstallatie van 100kW.
De hete verbrandingsgassen gaan door eerst een cycloon, die het grootste deel van het ijzerroestpoeder terugwint. Daarna verhitten de gassen de kookketels, waarna de afgekoelde gassen nog door een HEPA-filter gaan. Uiteindelijk wordt nagenoeg alle ijzer teruggewonnen.
Om alle aardgas te vervangen zou de installatie 150 keer zo groot moeten zijn – een minder dramatische opschaling dan men als leek zou denken. De eerstvolgende geplande opschaling gaat naar 1MW.
Er zijn in Nederland 125000 verbrandingsinstallaties. Die hadden de studenten allemaal in een databestand bekeken (zeiden ze).
Voor het verhaal zie ook https://teamsolid.org/metal-power/ .

Ijzerpoeder is als brandstof relatief zwaar. Het ligt dan ook voor de hand om het niet in lichte toepassingen (als bijvoorbeeld auto’s) te gebruiken. Maar zonder al teveel verbouwing zou men met ijzerpoeder ook een (voorheen) kolencentrale kunnen stoken. En er is ook interesse voor gebruik in schepen.

*De 100kW-installatie bij Swinkels Family Brewers*

De zwakke plek: waterstof en het proces andersom
De stap van metallisch ijzer naar ijzerroest (oxideren) is recht toe, recht aan. Er valt nog wel het nodige aan praktische dingetjes aan uit te zoeken, maar het principe werkt.

Het omgekeerde proces (reduceren) is een heel ander verhaal. Het filmpje van het studentenproject schenkt daar nauwelijks of geen aandacht aan, in de geest van ‘dat zoeken we nog wel uit’.

Als het koolstofvrij geregenereerd moet worden (roest terug naar ijzer), dan is waterstof het meest logische verhaal. In het filmpje doet men daar luchthartig over ‘die maken we wel uit overschotten van wind- en zonnestroom’ en ook de sites geven weinig informatie. Men veronderstelt gewoon dat er in 2030 genoeg waterstof is.

In de Iron Fuelgroep zit ook Niels Deen, professor of regeneration en die heeft bij een andere gelegenheid eens gezegd dat het totale ketenrendement van zonnepaneel tot warmteproductie nu ongeveer een kwart is. Dus voor elke 1Joule warmte bij Swinkels zou elders 4J zonnestroom geproduceerd moeten worden met waterstof als tussenproduct.

Chemisch kan de regeneratie het recht toe, recht aan als je genoeg waterstof hebt.
Wat je eigenlijk in dit proces doet, is dat je een soort variant bouwt van een hoogoven die geen cokes, maar waterstof gebruikt om de zuurstofatomen van het ijzererts af te trekken. Het verbrandingsproduct van de iron fuel is niet wezenlijk anders dan ijzererts.
Zo’n alternatieve hoogoven bestaat sinds kort in Zweden (zie oa http://www.fchea.org/in-transition/2019/11/25/hydrogen-in-the-iron-and-steel-industry ).

*Het Zweedse HYBRIT-project om staal te maken met waterstof (bron http://www.hybritdevelopment.com/ )*

Maar waterstofproductie op deze schaal vreet stroom. Als Tata de Zweedse technniek over zou nemen (of omgekeerd de Zweedse fabriek Tata Steel, waarover gesprekken gaande zijn), zouden alle bestaande windparken op de Noordzee alleen voor Tata moeten gaan draaien – zegt Tata.
De Zweden hebben waterkracht, maar in Nederland?
Elders op deze site staat een artikel over een TNO-studie die aantoonde dat alleen al het produceren van synthetische brandstof voor het lange afstands vrachtautoverkeer, de scheepvaart en de luchtvaart tot een verzesvoudiging van het Nederlandse elektriciteitsbudget leidt ( www.bjmgerard.nl/?p=13623 ).
Komen daar allerlei grote inrichtingen uit de industrie bij, dan ontploft het Nederlandse elektriciteitsbudget en dat is bij lange na niet binnen Nederland op te vangen. Het vraagt internationale productie en im- en export (net als nu).
Allerlei instanties zijn met allerlei mooie projecten rond waterstof bezig, maar voor het hoofdprobleem heb ik nog geen oplossing gezien. Ik zie nu al veel meer claims op groene waterstof dan er ooit binnen Nederland waargemaakt kunnen worden.

Openbaar waterstofnetwerk voorgesteld in Duitsland

Dit wordt een verhaal met een gemengde boodschap.
RWE heeft aangekondigd dat het, samen met andere ondernemingen, een publiek toegankelijk waterstofnet wil aanleggen tussen Lingen en Gelsenkirchen. Een persbericht van dit project Get H2 Nukleus is te vinden op https://www.group.rwe/presse/rwe-generation/2020-03-17-get-h2-nukleus-umfangreiche-co2-einsparungen .

En onderstaand verhaal is de vertaling van de site. Lingen ligt net over de Nederlandse grens. Het toeval wil overigens dat mijn vrouw en ik in de zomer daar de Emsradweg gefietst hebben, en die komt langs de kerncentrale in Lingen.

Men kan zijn opinies hebben over de rol van het grootkapitaal in het algemeen en RWE in het bijzonder, maar nieuws is nieuws en dat een grote onderneming als RWE heil ziet in een waterstofnet is belangrijk nieuws.

Eerst wat RWE zelf kwijt wil.

GET H2 Nucleus: aanzienlijke CO2-besparing door eerste, publiek toegankelijke, waterstofnetwerk

17 maart 2020, Lingen/Gelsenkirchen:

BP, Evonik, Nowega, OGE en RWE Generation ondertekenen een intentieverklaring voor de ontwikkeling van een waterstofnetwerk van Lingen tot Gelsenkirchen.
Met een lengte van ongeveer 130 kilometer verbindt het geplande netwerk de productie van groene H2 met industriële klanten in Nedersaksen en NRW.
Eerste waterstofnetwerk in een gereguleerd gebied met niet-discriminerende toegang voor derden en transparante prijzen.
Het doel van de industriële bedrijven is ervoor te zorgen dat het gereguleerde net en een elektrolyseapparaat tegen eind 2022 bedrijfsklaar zijn, om zo een belangrijke bijdrage te leveren aan een CO2-armere toekomst

Het eerste Duitse openbare waterstofnetwerk moet vanaf eind 2022 steeds meer groene waterstof (H2) leveren aan industriële bedrijven in Nedersaksen en NoordRijnland-Westfalen (NRW). BP, Evonik, Nowega, OGE en RWE Generation hebben nu een Memorandum van overeenstemming over de ontwikkeling van het GET H2 Nucleus-project getekend. Alle bedrijven zijn lid van het GET H2-initiatief.

Groene waterstof wordt beschouwd als de hoop voor de energieomslag. Het idee: Elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen wordt omgezet in waterstof en gebruikt als CO2-vrije energiebron gebruikt in de industrie en andere sectoren. Voor het transport van groene waterstof in Duitsland staat de uitbreiding van de bijbehorende infrastructuur centraal.

De groene waterstof wordt in Lingen, Nedersaksen, geproduceerd in een 100 MW-elektrolyse-installatie van RWE Generation die gevoed wordt met hernieuwbare energie. De grondstof wordt grotendeels via bestaande gasleidingen van de transportnetbeheerders Nowega en OGE (die zullen worden omgebouwd voor het transport van 100 procent waterstof), en via een deels nieuwe leiding van Evonik, getransporteerd naar industriële klanten zoals raffinaderijen en chemische complexen in Lingen, Marl en Gelsenkirchen. Net als bij elektriciteits- en gasnetwerken moet het waterstofnetwerk beschikbaar zijn voor elke producent, handelaar of consumenten op niet-discriminerende basis. Op deze manier is snelle en betrouwbare Integratie van latere waterstofprojecten mogelijk.

Met de oprichting van een dergelijke infrastructuur maken de projectpartners de weg vrij voor een duurzame nationale waterstofeconomie en voor Duits technologisch leiderschap op dit gebied. Vanuit het standpunt van de projectpartners is het nu belangrijk dat beleidsmakers de nodige wettelijke kaders scheppen investeringszekerheid te bieden en om ervoor te zorgen dat alle aan de waterstofprojecten deelnemende ondernemingen de productie van groene waterstof, en de bijbehorende infrastructuur, snel kunnen uitbreiden.

Met de bevoorrading van raffinaderijen en chemieparken begint de GET H2 Nucleus op de plaats waar groene waterstof het snelst kan bijdragen aan een CO2-armere toekomst. Deze bedrijven gebruiken nu al grote hoeveelheden waterstof in hun productieprocessen. Door over te schakelen op groene waterstof, verminderen ze hun CO2-uitstoot aanzienlijk. De ontwikkeling van een waterstofinfrastructuur op basis van van de bestaande gasinfrastructuur garandeert industriële klanten precies de leveringszekerheid waarvan zij afhankelijk zijn. In de toekomst zullen de bestaande opslagfaciliteiten in cavernes langs de pijpleiding aangehaakt worden om de leveringszekerheid verder vergroten. De productie van groene waterstof en de levering aan klanten moet liefst eind 2022 beginnen, op voorwaarde dat dit economisch verantwoord is en het politieke kaders het toestaan.

Achtergrond: H2-transport en de rol ervan in de Energiewende
Waterstof wordt in Duitsland en andere Europese landen al decennia in eigen netwerken getransporteerd. Tot nu toe gaat het echter om particuliere industriële netwerken zonder toegang voor derden.
De productie van groene waterstof uit wind- en zonne-energie maakt het mogelijk om hernieuwbare energie over lange afstanden te vervoeren, over een lange periode in grote hoeveelheden op te slaan, en om ze te gebruiken in sectoren die niet meteen te elektrificeren zijn. Daarom kunnen de productie van groene waterstof en de ontwikkeling van een waterstofinfrastructuur belangrijke stappen zijn in de richting van de klimaatdoelstellingen.

Nu het ‘maar’ in het verhaal.
Ik zie toch echt op de tekening het Kraftwerk Lingen staan.
Nu staan er in Lingen, vlak bij elkaar, twee Kraftwerke, het Kernkraftwerk Emsland, een gangbare PWR-reactor uit 1988 en Kraftwerk Emsland, een forse gascentrale. Beide kun je moeilijk groen noemen.
De tekening maakt niet duidelijk wat er precies bedoeld wordt.
Je kunt het negatief uitleggen in de zin dat de elektrolyse gewoon met stroom uit gas of uranium plaatsvindt (maar bij gas had men dan ook de gebruikelijke route kunnen volgen van steam reforming).
Je kunt het ook positief uitleggen dat het Gaskraftwerk slechts met een deel van zijn capaciteit in beeld is als er geen zon en wind is.

Hoe dan ook, het project had een veel interessantere voorganger die geen gebruik maakte van de twee Kraftwerke, maar het niet gehaald heeft (maar dat staat niet op de site van RWE).
Die voorganger heette Get H2 Lingen (maar dan zonder Nukleus). Dat verhaal is te vinden op www.get-h2.de/en/project-lingen/ . Daar staat:

GET H2 Lingen

Sectoren met groene waterstof aan elkaar koppelen

De voorloper van het GET H2 Nucleus project is GET H2 Lingen. In Emsland hebben acht GET H2 partners als eerste deelproject de ontwikkeling van een lokale waterstofinfrastructuur gepland, die de sectoren energie, industrie, transport en warmte langs de gehele waardeketen met elkaar verbindt.

Het concept verbindt een aantal elementen:

Elektriciteit uit hernieuwbare energie
Twee Power to Gas – installaties (elektrolyse) met een vermogen van 100 MW
Bestaande elektriciteits- en gasinfrastructuur met inbegrip van een eerste opslagfaciliteit in pijpleidingen
Een hoge-temperatuur-warmtepomp voor het gebruik van de afvalwarmte van elektrolyse als stadsverwarming
Een 60-MW gasturbine voor het opwekken van elektriciteit met 100 procent H2 (bedoeld voor als er geen zon en wind was – bg)
De bestaande infrastructuur voor vloeibare brandstoffen via een LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) opslag- en transportsysteem
Waterstof tankstations van de Stadtwerke Lingen

Groene H2 moest via de H2-infrastructuur beschikbaar worden gesteld aan klanten op het gebied van verkeer en vervoer, industrie en energie. De technologie, die tot nu toe in veel kleine R&D-faciliteiten is getest, moest op industriële schaal in een holistische aanpak klaar worden gemaakt voor serieproductie.

GET H2 Lingen had zich aangemeld voor de ideeënprijsvraag Reallabore der Energiewende van het Bondsministerie van Economische Zaken. Ondanks de positieve feedback voor het totale concept werd het project helaas niet gegund vanwege het noodzakelijke investeringsbedrag in het lage driecijferige miljoen.

Van roest naar ijzerpoeder: chemische opslag – proeffabriek in Cranendonck

De noodzaak van opslag
Wind en zon wisselen sterk. Er is behoefte aan opslagbuffers in allerlei soorten en maten. Daaraan wordt veel onderzoek gedaan, o.a. aan de TU/e .
Het kenmerk van alle energieopslag is dat er twee fasen zijn: een energierijke die kan leveren als er te weinig energie is, en een energiearme die energie op kan nemen als er teveel energie is. Dit beginsel kan op zeer uiteenlopende wijze vorm krijgen. Een voorbeeld is het oppompen van water van laag (energiearm) naar hoog (energierijk).
Dit gaat altijd met verliezen gepaard. Het kost meer energie om het reservoir te vullen dan er vrijkomt als het reservoir geleegd wordt. De verhouding tussen beide heet het cyclusrendement.

Ijzerpoeder als energierijke en roest als energiearme fase
IJzer brandt uitstekend als het maar heel fijn verdeeld is. Dat poeder is de energierijke fase. De vlam kan 1800°C halen. Op het eind is de energiearme fase bereikt en die heet ijzeroxide, in de volksmond roest. Het systeem is o.a. geschikt om hele hete stoom te maken, iets wat in de industrie vaak gevraagd wordt.
Als die roest weer kan worden teruggebracht naar ijzerpoeder, is er een opslagsysteem gecreëerd. En dat kan door er waterstof langs te leiden. En als die waterstof duurzaam is, is de buffer dat ook.

Waterstof
Nu is dit gemakkelijker gezegd dan gedaan.
Bijna alle waterstof op aarde wordt momenteel gemaakt uit aardgas en is dus niet duurzaam (de huidige waterstofauto’s zijn dat dus misschien ook niet). Duurzame waterstof kan ook gemaakt worden door water te splitsen in waterstof en zuurstof (hydrolyse). Dat is een oude, bekende techniek, die echter nog niet groot genoeg opgeschaald is. Daaraan wordt druk gewerkt, o.a. op de TU/e.
Als de hydrolyse plaatsvindt met stroomoverschotten van windturbines en zonneparken, is de ontstane waterstof wel duurzaam. Dat is een gewild goedje: iedereen wil in dezelfde duurzame waterstof-vijver vissen, terwijl die vijver er nog niet is.

Het cyclusrendement is nu ongeveer een kwart (4J zonnestroom wordt ongeveer 1J ijzerpoeder). Dat zegt prof. Deen, die aan het proces meewerkt.

Metalot, Cranendonck en de provincie Noord-Brabant
Op 04 februari 2019 maakte de provincie Noord-Brabant bekend dat ze 1,0 miljoen subsidie gaf ten behoeve van een proeffabriek. Die moet uiteindelijk komen op wat vroeger het Duurzaam Industrieterrein Cranendonck (DIC) heette, en nu Metalot (met een knipoog naar Chemelot dat nu zit op de plak van wat vroeger de DSM heette). DIC/Metalot ligt binnen het hek van de zinkfabriek Nyrstar in Budel-Dorplein (onderdeel van de gemeente Cranendonck).
Het moet een bescheiden proeffabriek worden van 100kW, die vooral het onderzoek dient.