Waterstof als de sleutel voor een duurzame scheepvaartsector

Duurzaamheiddoelstellingen voor de transportsector zijn niet alleen beperkt tot het wegvervoer. Ook de scheepvaart gaat er nu mee aan de slag. En hoewel de CO2-uitstoot per vervoerde container misschien wel meevalt, zijn schepen onmiskenbaar een aanzienlijke bron van ongewenste emissies, van NOx tot fijnstof. TU Delft-onderzoeker en oud-marineman Ir. Klaas Visser ziet volop kansen om hier verandering in aan te brengen. “Er is een grote vraag naar duurzamere technieken voor de scheepvaart. Niet alleen vanuit consumenten die het liefst een groene ferry-overtocht boeken maar ook van verladers, scheepsbouwers en reders die hun verantwoordelijkheid willen nemen en competitief willen blijven.” De maritieme sector leent zich er volgens Visser bij uitstek voor om een voorloper te zijn in het reduceren van emissies in de transportsector. Dankzij veelbelovende doorbraken in de toepassing van waterstof voor emissieloze voortstuwing leven we “in een jongensboek”, aldus een enthousiaste Visser.

Verduurzamen van de scheepvaart
De scheepvaart, die bekend staat als een behoudende sector, als voortrekker? Jazeker, zegt Visser. Hij somt een aantal redenen op: “De brandstoflogistiek die nodig is voor het verduurzamen van de scheepvaart is niet zo fijnmazig als die van auto’s. Daarnaast zijn op grote schepen grootschalige technische installaties niet zo’n probleem. Doordat schepen in kleine oplages gebouwd worden, is er ook een continu ontwerpproces gaande. Dit betekent een snelle time to market. En tot slot hebben we de keuze uit zeer uiteenlopende typen vaartuigen met ieder eigen kansen, van relatief kleine binnenvaartschepen tot gigantische cruiseschepen en baggervaartuigen. Kortom, het is nu tijd om met kracht de mogelijkheden aan te grijpen die de maritieme sector ons biedt.

Waterstof als brandstof
Er is flink wat energie nodig om een groot schip in beweging te brengen. Een accu is voor veel maritieme toepassingen vanwege het relatief hoge gewicht en de relatief beperkte energieinhoud niet praktisch. Een krachtige energiebron is nodig op basis van een efficiënte brandstof. Veel experts zien, net als Visser, waterstof (H2) als zo’n brandstof. Maar opslagtanks vol licht ontvlambare waterstof, dat schrikt af. Er zijn technische oplossingen die een veilige opslag mogelijk maken –die zijn ook gevonden voor het gebruik op het water van vloeibaar aardgas– maar het certificeringstraject is lang en moeizaam. Daarom zoeken wetenschappers naar alternatieven waarbij niet waterstof zelf maar een ongevaarlijke grondstof wordt opgeslagen en chemisch wordt omgezet in waterstof wanneer de brandstofcel erom vraagt. Deze vorm van opslag zou een waterstofrevolutie teweeg kunnen brengen. 

Waspoeder
Natriumboorhydride (NaBH4), een chemische verbinding waar waterstof uit gewonnen kan worden, kan dat gezochte alternatief zijn. Het materiaal is een wit poeder en een bekend ingrediënt van waspoeders. Amerikaanse onderzoekers keken al eerder naar het chemische proces om waterstof te winnen uit natriumboorhydride. Ze concludeerden toen dat de vrijgave van het waterstof uit de verbinding niet efficiënt genoeg was. Een Nederlandse uitvinder nam daar echter geen genoegen mee en ontwikkelde een alternatieve benadering. In deze benadering wordt natriumboorhydride in contact gebracht met zeer zuiver water en een katalysator. Het resultaat: meer dan 95% van de theoretisch haalbare hoeveelheid waterstof wordt ook daadwerkelijk gewonnen. Een groot succes dat inmiddels gepatenteerd is en door startupbedrijf H2Fuel Systems BV verder wordt ontwikkeld, in samenwerking met universitaire partners waaronder de TU Delft. 

Serieuze optie
Uit onderzoek blijkt dat de hoeveelheid energie die gewonnen kan worden uit een liter brandstof in droge pure vorm ongeveer vergelijkbaar is met die van dieselbrandstof. “En dan wordt het interessant,” aldus Visser. Hij tekent daar wel bij aan dat er geen lege tank overblijft, maar een restproduct (natriumbooroxide) dat uiteraard ook opslagcapaciteit vereist. Maar juist aan boord van een schip kan dit adequaat in het ontwerp verwerkt worden. “Dit betekent dat natriumboorhydride een serieuze optie aan het worden is om in combinatie met brandstofcellen gebruikt te worden voor veilige, stille, emissieloze en misschien zelfs onderhoudsvrije voortstuwing. Het zou wel eens een game changer kunnen blijken.”

Gedegen onderzoek
Als universitaire partner bij de ontwikkeling van waterstofalternatieven voor de scheepvaart kijkt Visser vooral naar de integratie van de techniek in het grotere systeem van een schip, en de brandstoflogistiek. “Wat ik merk, is dat er een grote behoefte aan kennis is vanuit overheden, werven, verladers, rederijen etc. Welke systemen zijn er? Hoe efficiënt zijn ze? Wat wordt de onderhoudsbehoefte? Dit vraagt om gedegen onderzoek. Onderzoek dat uiteindelijk weer door andere instellingen opgepakt kan worden om producten verder te ontwikkelen.” Visser noemt het de kracht van het Nederlandse kennisecosysteem: de afstanden in de driehoek kennisinstellingen – industrie – overheid zijn klein.Bij de TU Delft, een universiteit die al meer dan honderd jaar maritieme expertise biedt, is een accentverschuiving waar te nemen naar brandstofcellen en alternatieve brandstoffen. “Maar we nemen zeker geen afscheid van onze kennis over verbrandingsmotoren,” zegt Visser stellig.

Stand van zaken
Begin 2018 kwam H2Fuel in het nieuws vanwege de veelbelovende eerste testresultaten. Wat is nu de stand van zaken? Visser: “Na de proof of concept wordt er nu hard gewerkt aan het opschalen van het proces. Er wordt gemikt op 100-200 kW. Da’s al een heel interessant powerpack voor gebruik in de binnenvaart of voor elektrische installaties aan boord van schepen.” Daarnaast wordt onderzoek gedaan naar het proces waarmee het restproduct van de waterstofproductie geregenereerd kan worden. Op de vraag wat een kleine startup kan betekenen bij zulke mondiale uitdagingen antwoordt Visser: “Het is bij grote omwentelingen altijd de vraag of het de grote industrieën zijn die transitie trekken of juist de kleine startups. Kleine bedrijven kunnen het spits afbijten en veranderingen in gang zetten.

Energietransitie
Visser en zijn collega’s aan de TU Delft zijn nu een jaar betrokken bij het onderzoek naar natriumboorhydride en de ontwikkelingen gaan snel. “Niche of golden bullet? De tijd zal het leren. We moeten nu deuren openen voor potentiële toepassingen.” Het onderzoek naar andere duurzame oplossingen voor de scheepvaart gaat ondertussen onverminderd door. Visser verwacht in de komende jaren meer demonstrators, bijvoorbeeld voor de binnenvaart. “De energietransitie, die gaat er komen. Maar de manier waarop, hoe we uiteindelijk brandstofcellen tot een betaalbaar en haalbaar alternatief kunnen maken, dat is de uitdaging voor de hele sector. Daar zullen we zeker uitkomen,” aldus Visser. “De maritieme sector is allang geen conventionele sector meer. We staan midden in de frontlinie van innovaties. Er wordt spannend onderzoek gedaan en spannende kennis opgedaan.”


Emissiedoelstellingen van de scheepvaartsector
De zeevaart stoot wereldwijd tussen de 2 en 3 procent van alle CO2 en broeikasgassen uit, zo becijferde de Internationale Maritieme Organisatie (IMO), onderdeel van de Verenigde Naties, in 2014. Door het grensoverschrijdende karakter bleef de internationale scheepvaart, net als de luchtvaart, tot dusver buiten alle klimaatafspraken zoals die van Parijs. De achterstand van de scheepvaartsector in het vergroeningsproces werd afgelopen april deels ingelopen toen 173 bij de IMO aangesloten landen afspraken maakten over het fors terugdringen van de CO2-uitstoot door schepen. De IMO-strategie legt vast dat de uitstoot van CO2 in 2030 met 40%, en in 2050 met 70% omlaag moet ten opzichte van referentiejaar 2008. De uitstoot van broeikasgassen zoals methaan moet in 2050 de helft minder zijn dan in 2008. De sector wil daarna zo snel mogelijk volledig klimaatneutraal gaan werken. De Minister van Infrastructuur en Waterstaat, Nieuwenhuizen gaf aan blij te zijn met het akkoord. Zij sprak recent met de Nederlandse binnenvaartsector ook af dat deze in 2050 geheel klimaatneutraal moet zijn. Critici vinden de doelstellingen nog onvoldoende.


H2Fuel: innovatieve waterstofwinning
Partner in het waterstofonderzoek van de TU Delft is het startupbedrijf H2Fuel-Systems BV, dat een proces ontwikkelde waarin waterstof (H2) wordt gewonnen uit natriumboorhydride (NaBH4), een vaste stof in poedervorm, en water (H2O). In chemische termen ziet deze reactie er als volgt uit:

NaBH4 + 2 H2O  4 H2 + NaBO2 + warmte

Om dit proces een handje te helpen, wordt een activator bestaande uit een sterk verdund zuur en/of een katalysator toegevoegd. Daarnaast is het belangrijk dat het water dat gebruikt wordt in de reactie, van een ultrapure kwaliteit is. Sinds kort draait dit proces in een testreactor in Rotterdam – met succes. TNO heeft vastgesteld dat het proces van H2Fuel in de praktijk ca. 98% van de theoretisch haalbare hoeveelheid H2 realiseert, en dat binnen enkele seconden. Dit uitzonderlijke rendement vertaalt zich bij eenzelfde tankinhoud in een grotere actieradius dan andere alternatieven voor fossiele brandstoffen. Bijvoorbeeld, 60 liter puur waterstofgas in een drukvat brengt een personenauto ongeveer 300 tot 350 kilometer ver. De vinding van H2Fuel verdubbelt die actieradius tegen lagere kosten en zonder de noodzaak voor een drukvat. Het restproduct van de reactie, natriumbooroxide (NaBO2), kan gedeeltelijk gerecycled worden. Het rendement van deze regeneratie wordt momenteel onderzocht.


Brandstofcel als alternatief voor verbrandingsmotor
Wat is het verschil tussen een conventionele verbrandingsmotor en een brandstofcel? Een dieselmotor wekt verbrandingswarmte op (thermische energie). Hiermee worden motoronderdelen in beweging gebracht (mechanische energie), ofwel om een voertuig voort te stuwen ofwel om elektriciteit te genereren. Een brandstofcel werkt volgens een fundamenteel ander principe: er vindt een chemische reactie plaats waardoor rechtstreeks elektriciteit wordt opgewekt. De cel wordt daarom ook wel een elektrochemische cel genoemd. De ontwikkeling van de brandstofcel gaan snel, en de prijs daalt. Het rendement van een brandstofcel is hoog en het is een stille techniek. Als brandstof wordt waterstof (H2) het meest gebruikt. Het reageert in de brandstofcel met zuurstof. Als energiedrager kan waterstof duurzaam geproduceerd worden, dat wil zeggen zonder dat er CO2 bij vrijkomt. Groot nadeel is echter dat waterstofgas zeer brandbaar is. Opslag kan alleen onder hoge druk (in gasvorm) of bij extreem lage temperatuur (in vloeibare vorm). Hoewel beide opslagmethoden technisch haalbaar zijn, vormt het veiligheidsaspect een bottleneck voor grootschalig gebruik.