Waterstofverdamper: hoe vloeibare waterstof weer gas wordt
Waterstof kun je op twee manieren vervoeren en opslaan: als gas onder hoge druk, of als vloeistof bij extreem lage temperatuur. Die vloeibare vorm, in vakjargon LH2 genoemd (van het Engelse liquid hydrogen), is dan minus 253 graden Celsius koud. Dat is kouder dan welke plek op aarde dan ook van nature wordt. Voordat je die vloeistof kunt gebruiken, bijvoorbeeld in een brandstofcelauto, een raketmotor of een gasleiding, moet hij eerst weer gas worden. Dat omzetten van vloeistof naar gas heet verdampen, en het apparaat dat dat doet is de waterstofverdamper.
Een vergelijkbaar, herkenbaarder voorbeeld is de LNG-terminal in de Rotterdamse haven (Gate terminal). Daar komt vloeibaar aardgas per schip aan en wordt het weer omgezet in gas voordat het de leiding in gaat. Een waterstofverdamper doet in wezen hetzelfde, maar dan met waterstof en bij een nog veel lagere temperatuur. Het is dus geen futuristische techniek op zich, maar een toepassing van bestaande cryogene technologie (technologie voor extreem lage temperaturen) op een nieuwe brandstof.
Wat is het precies?
Vloeibare waterstof kookt al bij -253°C. Dat betekent dat vrijwel alles om hem heen, van de buitenlucht tot een glas water, in vergelijking loeiheet is. Zodra je de vloeistof in contact brengt met iets warmers, neemt hij warmte op en gaat hij koken, precies zoals water dat doet op een fornuis. Een verdamper is dus eigenlijk een warmtewisselaar: een apparaat dat warmte uit de omgeving overdraagt aan de vloeibare waterstof, zodat die verandert in gas.
De meest gebruikte uitvoering is de "ambient air vaporizer": een stel verticale, van vinnen voorziene buizen waar de vloeistof doorheen stroomt, terwijl gewone buitenlucht er langs stroomt of blaast. De lucht is al warm genoeg (zelfs bij vorst) om de waterstof te laten koken. Voor grotere hoeveelheden gebruikt men ventilatoren om meer lucht langs de buizen te jagen, of een waterbad-verdamper, waarbij een spiraal met vloeibare waterstof in een bak verwarmd water hangt. Bij industriële installaties wordt soms stoom als warmtebron gebruikt.
Een lastig neveneffect is ijsvorming. Omdat de buizen zoveel warmte aan de lucht onttrekken, bevriest het vocht in die lucht op de vinnen, net als bij de achterkant van een ouderwetse koelkast. Daardoor werkt een verdamper na verloop van tijd minder goed. Grote installaties gebruiken daarom vaak twee of meer verdampereenheden die om beurten draaien, zodat de ene kan ontdooien terwijl de andere werkt.
Ten slotte levert een verdamper het gas meestal ook op de juiste druk. Bij raketten en sommige industriële toepassingen wordt een deel van de vloeistof bewust verdampt en teruggevoerd naar de opslagtank om daar de druk op peil te houden, terwijl de rest van de vloeistof wordt afgetapt. Dat heet autogene drukopbouw.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is simpel: vloeibare waterstof vervoeren en opslaan is compacter en vaak praktischer dan waterstofgas, maar het eindgebruik vraagt bijna altijd om gas. Vloeibare waterstof is per volume ongeveer driemaal dichter dan waterstofgas onder de druk die in trucks en pijpleidingen gangbaar is (rond 700 bar). Voor lange afstanden of grote volumes, zoals scheepstransport tussen continenten, is vervoer als vloeistof daardoor efficiënter dan vervoer als samengeperst gas.
Brandstofcellen in auto's, bussen en vorkheftrucks werken echter op gasvormige waterstof, niet op de cryogene vloeistof. Hetzelfde geldt voor de meeste industriële processen, zoals raffinaderijen die waterstof gebruiken om zwavel uit brandstof te halen. De verdamper is daarmee de schakel die een keten van "vloeibaar vervoeren, gasvormig gebruiken" mogelijk maakt.
Dit is precies de reden waarom verdampers een grotere rol krijgen in plannen om groene waterstof (geproduceerd met zon- of windenergie) over lange afstanden te importeren: het schip vervoert de waterstof vloeibaar, en pas bij de ontvangstterminal wordt hij teruggebracht naar gas voor distributie. Ook bij ruimtevaart is de vaporizer onmisbaar: cryogene raketmotoren draaien op vloeibare waterstof en zuurstof, maar de tanks moeten tijdens de vlucht onder druk blijven met gasvormige waterstof.
Voorbeelden uit de praktijk
Kobe, Japan (2021-2022): In het HySTRA-project (een samenwerking tussen Japanse en Australische partijen, waaronder Kawasaki Heavy Industries) werd voor het eerst vloeibare waterstof per schip over zee vervoerd, van Hastings in Australië naar Kobe in Japan. Het schip Suiso Frontier loste zijn lading bij een ontvangstterminal op het kunstmatige eiland Kobe Airport Island, waar verdampers de vloeistof omzetten naar gas voor verdere opslag en gebruik.
Kennedy Space Center, VS: Bij lanceringen van raketten die op vloeibare waterstof draaien, waaronder NASA's SLS-raket voor het Artemis-programma, gebruikt de grondinfrastructuur al decennia waterbad- en luchtverdampers om gasvormige waterstof te maken voor het onder druk houden van de brandstoftanks tijdens het tanken en de lancering.
Waterstoftankstations voor zware voertuigen, Californië: Sommige tankstations voor waterstoftrucks en -bussen, zoals die van het voormalige True Zero-netwerk, slaan waterstof op als vloeistof en gebruiken verdampers om er samengeperst gas van 700 bar van te maken voor het tanken. Dit maakt hogere dagcapaciteiten mogelijk dan opslag als gas alleen.
Industriële gasinstallaties wereldwijd: Bedrijven als Air Products en Linde gebruiken al sinds de jaren zestig en zeventig ambient-verdampers bij fabrieken die vloeibare waterstof produceren voor de chemische en petrochemische industrie, vaak als back-up of aanvulling naast pijpleidingnetwerken.
Hoe ver is de techniek?
De verdamper zelf is geen nieuwe uitvinding. Het basisprincipe, een warmtewisselaar tussen omgevingslucht of water en een cryogene vloeistof, wordt al tientallen jaren toegepast in de industriële-gassensector en de ruimtevaart. Op dat vlak is de techniek volwassen en betrouwbaar.
Wat wél in ontwikkeling is, is de opschaling en integratie binnen nieuwe waterstofketens. Naarmate landen groene waterstof willen importeren via schepen, groeit de vraag naar grotere, energiezuinigere verdampers die minder gevoelig zijn voor ijsvorming en die goed samenwerken met opslagtanks en compressoren op importterminals. Hier lopen nog relatief weinig grootschalige, commerciële voorbeelden, HySTRA in Kobe is vooral een proefproject geweest.
De grootste knelpunten in de keten liggen overigens niet bij de verdamper zelf, maar elders: het vloeibaar maken van waterstof (liquefactie) kost veel energie, doorgaans wordt een aanzienlijk deel van de energie-inhoud van de waterstof daarbij verbruikt, exacte percentages verschillen per bron en installatie. Daarnaast verdampt er tijdens opslag en transport altijd een beetje waterstof vanzelf door warmte-instroom (boil-off), en zijn er wereldwijd nog maar weinig gespecialiseerde LH2-schepen en terminals. De verdampertechniek zelf vormt dus zelden de bottleneck.
Wie werken eraan?
De grote industriële-gassenbedrijven Linde, Air Liquide en Air Products bezitten het merendeel van de bestaande infrastructuur voor het vloeibaar maken, opslaan en verdampen van waterstof, en bouwen die uit richting de opkomende waterstofeconomie. Gespecialiseerde fabrikanten van cryogene apparatuur, zoals Chart Industries in de Verenigde Staten, leveren de vaporizers en bijbehorende tanks aan deze bedrijven en aan tankstationexploitanten.
In Japan trekken Kawasaki Heavy Industries en de HySTRA-samenwerking de ontwikkeling van internationale LH2-scheepvaartketens, met steun van de Japanse overheid, die waterstofimport ziet als onderdeel van haar energiestrategie. In de Verenigde Staten doet het National Renewable Energy Laboratory (NREL) onderzoek naar efficiëntere waterstofopslag- en verdampingssystemen, en houdt het Amerikaanse ministerie van Energie zich bezig met normen en subsidies voor waterstofinfrastructuur.
In Nederland en de rest van Europa ligt de nadruk bij importplannen, zoals in de Rotterdamse haven, vooralsnog vaker op ammoniak als drager (waarbij waterstof chemisch wordt gebonden en later weer vrijgemaakt) dan op vloeibare waterstof zelf. Vloeibare-waterstofverdampers spelen daardoor in de Nederlandse context nu nog een beperkte rol, al kan dat veranderen als LH2-scheepvaart internationaal verder groeit.