4.1.1 Gebruik van waterstof voor conventionele gastoestellen
Waterstof kan worden gebruikt als brandstof in gasbranders. De verbrandings-snelheid van waterstof is echter aanzienlijk hoger dan die van methaan met mogelijk vlaminslag en beschadiging van de brander als gevolg . Dit betekent dat bestaande gasverbruikstoestellen niet eenvoudig (zoals door aanpassing van de diameter van de inspuiters, of door een nieuwe afregeling van de gas/lucht-verhouding) geschikt gemaakt kunnen worden voor waterstof.
De huidige toestellen gebruiken het principe van de ionisatie stroom voor de vlambeveiliging. Bij een waterstofvlam is deze ionisatiestroom praktisch gesproken afwezig en moet er een ander beveiligingsprincipe (bijvoorbeeld thermisch) worden gebruikt. Dit betekent dan ook dat de branderautomaat van het toestel zal moeten worden aangepast. Of dit zonder verdere aanpassingen van het toestel mogelijk is, is nu nog onbekend. Op dit moment zijn op waterstof aangepaste branderautomaten nog niet commercieel beschikbaar.
Waterstofvlammen zijn onzichtbaar, hetgeen het gebruik van open vlammen (zoals in de huidige kooktoestellen) onaantrekkelijk maakt. Voor zover men wenst te blijven
GT-170272
© Kiwa N.V. - 31 -
koken op gas, zullen de toestellen met gesloten branders moeten worden uitgevoerd (bijvoorbeeld katalytische branders).
Kortom, het bestaande toestelpark zal moeten worden vervangen of ten minste zullen de toestellen moeten worden voorzien van nieuwe branders en/of besturing.
4.1.2 Gebruik van waterstof voor brandstofcellen
Brandstofcellen worden gebruikt om met behulp van waterstof (en zuurstof uit de lucht) elektriciteit te produceren. In combinatie met een elektrisch aangedreven compressiewarmtepomp kan een efficiënte verwarming van woningen en gebouwen worden gerealiseerd [9].
Via deze route kan een hoger rendement worden gerealiseerd dan met de
conventionele verbranding van waterstof. Brandstofcellen stellen echter veel hogere eisen aan de zuiverheid van de waterstof dan conventionele branders.
De kosten van het bedrijven van een brandstofcel worden in belangrijke mate bepaald door de levensduur van de katalysator. Deze levensduur wordt op zijn beurt weer in belangrijke mate bepaald door de zuiverheid van de brandstof. In bijlage II wordt een overzicht gegeven van de huidige (gas)kwaliteitseisen, die aan waterstof worden gesteld.
De in deze bijlage genoemde PEMFC (Polymeer-Elektrolyt Membraan)
brandstofcellen zijn een type, dat vooral interessant is voor mobiliteitstoepassingen. SOFC (vaste-oxide) brandstofcellen zijn veel minder kritisch voor wat betreft de kwaliteit van de waterstof die wordt gevraagd. SOFC brandstofcellen komen vooral in aanmerking voor toepassing in stationaire opstellingen, zoals in gebouwen. Door de waterstof te transporteren door het bestaande aardgasnetwerk zal de waterstof (zeker in de beginperiode) “vervuild” worden met aardgascomponenten, die aan de buiswand van het gasnet kleven. Na verloop van tijd zullen deze “oude gasresten” echter verdwijnen, omdat de leidingen schoongespoeld worden. In figuur 4-1 zijn de kritische componenten voor SOFC en PEMFC brandstofcellen afgebeeld en
vergeleken met mogelijk aanwezige componenten uit het aardgas. De componenten in de groene cirkel worden genoemd in de “Aanvullende
Voorwaarden RNB Groen Gas Invoeders” [10] voor het invoeden van groengas in distributienetten, opgesteld door de regionale netbeheerders (later vervangen door de MR-Gaskwaliteit). De componenten in de blauwe cirkel zijn de toegestane
componenten in PEM brandstofcellen voor motorvoertuigen, waarbij de maximum concentraties van deze componenten worden gegeven in ISO 14687-2 (2012) (zie bijlage II).
Volgens ASUE [11] is de SOFC brandstofcel veel minder kritisch voor vervuilingen in waterstof dan een PEM brandstofcel. SOFC brandstoftoestellen worden nu al
gebruikt in combinatie met aardgas. Om de waterstof uit het aardgas te halen vindt er in een vóór de brandstofcel geplaatste reinigingsstap gelijktijdig een omzetting van aardgas plaats, waarbij waterstof wordt afgesplitst en naar de brandstofcel wordt geleid. Omdat deze brandstofcellen inclusief een reinigingsstap op de markt worden gebracht, zijn de eisen die aan de waterstof “sec” worden gesteld echter niet bekend. Het aardgas, dat aan een dergelijke brandstofcel wordt toegevoerd, mag in het algemeen geen zwavel bevatten. Volgens DVGW wordt op dit moment in 25% van de Duitse aardgasdistributienetten een zwavelvrij odorant toegepast.
De meeste stoffen, die in de het aardgasnet geabsorbeerd zijn, zullen na
overschakeling op de distributie van waterstof na verloop van tijd vanzelf verdwijnen. De componenten O2 en N2 zullen, vanwege permeatie, echter niet vanzelf uit het netwerk verdwijnen. Het fenomeen permeatie wordt nader toegelicht in bijlage VI.
GT-170272
© Kiwa N.V. - 32 -
4.1.2.1 Consequenties voor het gasnet als brandstofcellen de eindtoepassing zijn
Het gebruik van het bestaande gasnet voor waterstofvoeding naar brandstofcellen kan leiden tot overschrijding van de grenswaarden voor bepaalde gascomponenten. In het bijzonder vormen stofdeeltjes, stikstof (N2) en zuurstof (O2) een bedreiging bij de toepassing van PEMFC brandstofcellen.
Zelfs indien zeer schoon waterstofgas met het bestaande gasdistributienet wordt gedistribueerd, zullen O2 en N2 altijd aanwezig zijn. Dit is het gevolg van permeatie vanuit de omgeving (lucht) via de wand van kunststofleidingen in het gasnet.
Afhankelijk van de stroomsnelheid van het gas (en daarmee de verblijftijd van het gas in de leiding) kunnen de kritische concentraties voor PEMFC brandstofcellen al binnen een paar uur overschreden worden.
Dit houdt in, dat er voor stationaire PEMFC brandstofcellen een reinigingsstap direct vóór de brandstofcel nodig is. Voor voertuigen, die met PEMFC brandstofcellen worden aangedreven, zal het gas stroomopwaarts van het waterstoftankstation gereinigd moeten worden. De beschikbaarheid en betaalbaarheid van een dergelijke technologie om verontreinigd waterstof voldoende schoon te maken is een punt van aandacht.
De aanwezigheid van stofdeeltjes in de lange leidingen van het distributienet is nagenoeg onvermijdelijk. Ze worden geïntroduceerd bij de aanleg of bij
werkzaamheden, maar zijn met een filter relatief eenvoudig af te vangen.
De aanwezigheid van zwavel, indien - zoals bij aardgas - THT (Tetra HydroThiofeen) als odorant wordt toegepast, is een probleem. Er bestaan als alternatief echter ook zwavelvrije odoranten, die dit probleem kunnen oplossen. Bij de introductie van een dergelijk zwavelvrij odorant moet wel rekening worden gehouden met het feit, dat het bestaande gasnetwerk is verzadigd met THT. Dit is nu in evenwicht met de in het aardgas aanwezige THT (en andere aardgascomponenten), maar zal na
omschakeling naar schoon waterstof langzaam uitdampen. Op termijn zullen de zwavelcomponenten verdwenen zijn. Op dit moment is het nog onbekend hoe lang het duurt om een net schoon te spoelen. Dit is zeker afhankelijk van lokale
Figuur 4-1. Overzicht van kritische vervuilingen voor SOFC en PEMFC brandstofcellen.
GT-170272
© Kiwa N.V. - 33 -
omstandigheden, maar op voorhand moet met een periode van minstens enkele maanden rekening worden gehouden. Indien THT als odorant toegepast wordt, zal bij het toepassen van brandstofcellen een reinigingsstap voor de brandstofcel
overwogen moeten worden.