Waterstof - productie

Waterstof komt in vrije vorm nauwelijks voor in de omgevingslucht: 0,5 ppm vol. H2 naast 350 ppm vol. CO₂. Toch wordt op wereldniveau jaarlijks circa 500 miljard Nm³ aan waterstof verbruikt. Dit betekent dat overal ter wereld bij bedrijven waterstof wordt geproduceerd. Actueel wordt waterstof via de volgende processen geproduceerd:

Andere productieprocessen zoals biologische productie met behulp van micro-organismes, via vergassing van biomassa, afvalwaters, … zijn in ontwikkeling.

Bij elektrolyse wordt water door input van elektrische energie bij een elektrische spanning hoger dan 1,23 V gesplitst in waterstof en zuurstof. Dit proces is zeer eenvoudig en erg goed gekend maar hoogwaardige-energie-intensief. Een belangrijk voordeel van elektrolyse is dat de geproduceerde waterstof en zuurstof een zeer hoge zuiverheid hebben.

Momenteel worden maar enkele procenten van de wereldwijde productie van waterstof geproduceerd vanuit elektrolyse. Vooral bij toepassingen waar zeer zuivere waterstof nodig is in relatief kleine volumes is lokale waterstofproductie via waterelektrolyse aangewezen.

De milieu-impact van waterstofproductie door elektrolyse hangt af van het type elektriciteitsproductie nodig voor de elektrolyse. Als deze elektriciteit uit fossiele brandstoffen wordt opgewekt, zijn er natuurlijk emissies van milieubelastende stoffen. Als we echter hernieuwbare energie (bv. windenergie, zonne-energie) aanwenden, is de productie van de waterstof zeer milieuvriendelijk.

Bij elektrolyseurs dient verder onderscheid gemaakt te worden tussen systemen die waterstof en zuurstof op druk kunnen produceren (bv. 30 bar) of systemen die waterstof en zuurstof bij lage overdruk of atmosferisch leveren.

Nadeel is dat waterstofproductie via elektrolyse van water elektriciteit vereist en dat elektriciteit een ‘dure en edele’ grondstof is. Daarom is waterstofproductie via elektrolyse duurder dan andere technologieën en wordt minder dan 5% van de mondiale waterstofproductie gerealiseerd via waterelektrolyse.

Het overgrote gedeelte (> 95%) van de waterstof wordt momenteel geproduceerd uit fossiele brandstoffen via verschillende reformingtechnieken. Reforming is een chemisch proces waarbij een brandstof in aanwezigheid van stoom en/of zuurstof en een katalysator wordt omgezet in een waterstofrijk gasmengsel of reformaat.

De meest toegepaste reformingtechniek is stoomreforming van aardgas. Hierbij wordt aardgas samengevoegd met stoom bij een temperatuur van 850 °C en een druk van 25 bar. Het waterstofrijke gasmengsel dat ontstaat bevat naast CO₂ ook CO dat bij toepassing in lagetemperatuurbrandstofcellen nadelig is voor de levensduur van de anodekatalysator. Door enkele bijkomende chemische processtappen (water-gas-shift-reactie) wordt de CO verwijderd zodat het waterstofgehalte verhoogt.

Belangrijk voor België is dat in oktober 2003 op de site van BASF-Antwerpen door Air Liquide een waterstofproductiefaciliteit met een capaciteit van 100.000 Nm³/h in bedrijf is genomen; deze waterstofproductieplant behoort tot de grootste ter wereld.