Waterstof in elk huis

Hoe Japanners proberen hun energiegebruik en CO2 -uitstoot drastisch te verminderen – met brandstofcellen in achtertuinen.

De warmtekrachtkoppeling

[su_row]
[su_column size=”2/3″]
Yasushi Kawamori heeft een elektriciteitscentrale in zijn achtertuin. Niet zo eentje die grote wolken CO2 de lucht in blaast, maar een die klein is (ongeveer even groot als een koelkast), stil (slechts een licht gebonk) en maar een fractie van de koolstofdioxide-uitstoot die een kolencentrale heeft. Het systeem gebruikt een waterstof-brandstofcel om aardgas om te zetten in elektriciteit; de warmte die bij deze omzetting vrijkomt, zorgt voor warm water voor hemzelf, zijn vrouw en hun twee kinderen. Het heet een op brandstofcellen gebaseerde micro-warmtekrachtkoppeling, en Kawamori is er meer dan blij mee. ‘We kunnen nu thuis elektriciteit opwekken, en ook de restwarmte van het proces wordt gebruikt, dus het is heel efficiënt’, zegt hij. ‘Ik vind het fijn dat het goedkoper is en ook nog goed voor het milieu.’
[/su_column]
[su_column size=”1/3″]
Yasushi Kawamori toont zijn nieuwe warmtekrachtcentrale.
[/su_column]
[/su_row]

De warmtekrachtkoppeling – ook wel warmtekrachtcentrale genoemd – bij het huis van Kawamori maakt deel uit van een experiment door Osaka Gas, waar Yasushi werkt. Het bedrijf test sinds 2005 brandstofcellen die door Toshiba en Eneos gemaakt zijn; tot nu toe doen 224 huishoudens mee. Bij proeven van andere bedrijven, zoals Panasonic, Ebara Ballard en Toyota, zijn nog eens drieduizend gezinnen uit heel Japan betrokken, en Korea, Duitsland en Denemarken zijn voorbeelden van landen die ook met de techniek experimenteren.

Tot voor kort werd waterstof alleen nog maar gebruikt om systemen van de Space Shuttle aan te drijven. Inmiddels worden brandstofcellen ook gebruikt in auto’s. En met de huidige brandstofceltechnologie zouden zelfs huishoudens volledig in hun eigen energiebehoefte kunnen voorzien.

Waterstof

‘Waterstof is een energiedrager – de energie ligt opgeslagen in zijn chemische verbindingen’, zegt John Turner, hoofdwetenschapper bij het Amerikaanse National Renewable Energy Lab’s Center. ‘We weten dat we genoeg waterstof kunnen produceren om heel onze maatschappij van energie te voorzien. In de toekomst zou waterstof dé energiebron kunnen worden.’ Met een in 2010 geplande grootscheepse commerciële marktintroductie en de inmiddels opgezette samenwerkingsverbanden tussen gasbedrijven, producenten en overheden, behoort Japan tot een aanjager van de wereldwijde inspanningen om waterstof-brandstofcellen op grote schaal in huishoudens te krijgen.

[su_row]
[su_column size=”2/3″]
De Kawamoris, die wonen in een comfortabel twee verdiepingen tellend huis in een rustige woonwijk van Osaka, lijken niet echt de milieuactivisten die je zou verwachten bij een familie die zulke vooruitstrevende technologie test.

Yasushi’s vrouw, Kumiko, schrijft voor de lokale krant en tennist graag; de negentienjarige Moeko hoopt in de cosmetica-industrie te gaan werken; en de zeventienjarige Shogo gaf onlangs baseball op om zich te kunnen richten op zijn nieuwste obsessie: de elektrische gitaar. Maar ze zijn precies het type familie waarop Japanse bedrijven rekenen om waterstof mainstream te maken.

[/su_column]
[su_column size=”1/3″]
De Kawamori-familie.
[/su_column]
[/su_row]

Volgens Kumiko zorgden haar tienerkinderen ervoor dat de familie de nieuwe technologie ging uitproberen. ‘We hoorden dat het bedrijf op zoek was naar gezinnen die dit moderne systeem wilden testen’, zegt ze, terwijl haar ellebogen rusten op de gepolijste eettafel. ‘De kinderen begonnen geïnteresseerd te raken in milieuvriendelijke producten, vooral onze zoon – hij vond mensen die zich bezighielden met het milieu cool.’

‘Eigenlijk,’ legt Shogo uit, ‘maakte ik maar een grapje toen ik zei dat we het moesten proberen, maar mijn moeder nam me serieus. Het is de eerste keer dat onze familie zoiets doet.’ Het Toshiba-systeem werd ongeveer een jaar geleden geïnstalleerd en ‘sindsdien is onze elektriciteitsrekening plotseling erg laag geworden’, zegt Kumiko, wijzend op het keurige lijstje waarop ze de maandelijkse nutskosten bijhoudt. De energierekening van de Kawamoris is met ongeveer dertig euro per maand gedaald – omdat de warmtekrachtcentrale dertig tot veertig procent efficiënter is dan conventionele warmte- en elektriciteitssystemen.

Huishoudelijk energiegebruik

Huishoudelijk energiegebruik bedraagt een kwart van de totale wereldwijde energieconsumptie, aldus een studie door het economische onderzoeksbureau McKinsey Global Institute. Daarom kunnen besparingen op dit gebied leiden tot een aanzienlijke daling van het energiegebruik, en dus ook van de CO2 -uitstoot. Maar de huidige op brandstofcellen gebaseerde warmtekrachtkoppelingen zijn afhankelijk van aardgas om elektriciteit op te wekken – en produceren dus enige koolstofdioxide. En ze kunnen met een gemiddelde capaciteit van een kilowattuur niet voorzien in de volledige elektriciteitsbehoefte van huishoudens; zo kan bijvoorbeeld een wasdroger tot vijf kilowatt verbruiken, en komt zelfs een broodrooster tot een kilowatt. Dit zorgt ervoor dat de huidige technologie meer een eerste stap in de richting van een waterstofeconomie is dan een eindstation. Maar voorstanders zeggen dat in de toekomst waterstof uit duurzamere bronnen betrokken kan worden – zoals biomassa, afvalgas van vuilstortplaatsen of zelfs water.

Hoewel waterstof het simpelste en meest voorkomende element op aarde is, wordt het zelden aangetroffen in zijn elementaire vorm. In plaats daarvan bindt het zich meestal met andere elementen om zo talrijke andere stoffen te vormen, van water tot koolwaterstoffen. Wanneer de verbindingen tussen deze elementen verbroken worden, of die tussen twee gasvormige waterstofatomen (H2), komt er energie vrij – energie die wordt omgezet in elektriciteit in de op brandstofcellen gebaseerde warmtekrachtkoppeling van Toshiba en vergelijkbare systemen. De vraag is: hoe komen we aan de waterstof?

‘De schoonste manier is het te halen uit water en zonlicht; dat is de ultieme oplossing’, zegt Peter Pintauro, hoofd van de afdeling technische en biomoleculaire scheikunde van de Amerikaanse Vanderbilt Universiteit. Een methode daarvoor maakt gebruik van zonne- en windenergie om, met behulp van een simpel apparaatje dat een elektrolyser heet, water te splitsen in zuurstof en gasvormige waterstof. De vrijgekomen energie kan vervolgens worden opgeslagen en gebruikt voor toepassingen in huishoudens, auto’s en industrie. De mogelijkheid om de infrastructuur van vervoer en elektriciteit te combineren, maakt waterstof extra aantrekkelijk; Honda werkt samen met de Amerikaanse brandstofcelproducent Plug Power aan een brandstofcel die energie kan opwekken voor zowel de auto’s als de huizen van gezinnen. En Osaka Gas onderzoekt of systemen mogelijk zijn die zonne-energie combineren met waterstof.

Maar voorlopig maken bijna alle brandstofcellen voor huishoudens gebruik van aardgas. Het werkt als volgt. Het aardgas – dat vooral uit methaan, een koolwaterstof, bestaat – stroomt door een leiding naar het huis, waar het in een apparaat terechtkomt dat een reformer heet. In de reformer zorgt een chemische reactie met stoom ervoor dat het aardgas gesplist wordt in gasvormige waterstof en koolstofmonoxide (CO). De giftige CO reageert vervolgens met zuurstof om koolstofdioxide te vormen en vrij te komen; de gasvormige waterstof gaat de stapel brandstofcellen in en splitst zich in twee protonen en twee elektronen. De energiedragende elektronen worden vervolgens elektrische gelijkstroom, die in het huis gebruikt wordt alvorens terug te keren naar de brandstofcel. Het Toshiba-systeem genereert 700 watt; andere systemen produceren een kilowatt. De elektronen binden zich vervolgens weer aan de waterstofprotonen en de zuurstof om water te vormen.

Slechts een gedeelte van de energie die opgeslagen ligt in de moleculaire verbindingen wordt omgezet in elektriciteit. De rest – 60 procent of meer – ontsnapt als warmte. Maar in plaats van deze warmte te verspillen, zoals de meeste conventionele elektriciteitscentrales doen, gebruiken huishoudelijke brandstofcelsystemen haar om water te verwarmen.

[su_row]
[su_column size=”2/3″]
Het Toshiba-systeem heeft een tank waarin tweehonderd liter water met een temperatuur van zestig graden Celsius opgeslagen kan worden – genoeg voor de dagelijkse behoefte van een gemiddelde Japanse familie van vier personen. (Er zit ook nog een back-up-gasboiler in het systeem.) Dat een enkele energiebron zowel zorgt voor warm water als elektriciteit, is ook de belangrijkste reden waarom het systeem zo efficiënt is.

Maar het is lastig om de vraag naar warm water en elektriciteit zo te balanceren dat maximale efficiëntie bereikt wordt. Osaka Gas gebruikte het apparaat in de tuin van de Kawamoris vooral als een betere manier om warm water te leveren; daarom schakelt het normale elektriciteitsnet in als de watertank vol is. Met twee televisies, twee computers, drie elektrische airconditioners en alle standaard-keukenapparaten , gebruiken de Kawamoris genoeg elektriciteit om de tank snel te vullen.
[/su_column]
[su_column size=”1/3″]
De monitor op de muur van de keuken van de Kawamori’s vertelt hen hoeveel energie hun huishoudelijke apparaten gebruiken.
[/su_column]
[/su_row]

Sommige industriële warmtekrachtcentrales gebruiken het warme water dat ze produceren zowel voor verwarming als voor koeling, maar deze technologie heeft de Japanse huishoudens nog niet bereikt. Maar met twee tieners maakt de familie de watertank meestal wel leeg, en moet ze terugvallen op de gasboiler terwijl het reservoir zich hervult. ‘Als de kinderen thuis zijn, is het opgeslagen water op voordat je het weet’, zegt Kumiko. ‘Ik weet nog niet wat de beste manier is om het systeem te gebruiken; bijvoorbeeld wat ik aan moet passen als we tegelijkertijd elektriciteit en warm water nodig hebben.’

De voordelen

Ondanks deze nadelen heeft het systeem ervoor gezorgd dat de familie zonder enige moeite haar energiegebruik drastisch heeft kunnen verminderen. Het ter plekke opwekken van elektriciteit verhoogt de efficiëntie van micro-warmtekrachtkoppelingen met ongeveer 10 procent, aangezien er geen elektriciteit verloren gaat onderweg van de centrale naar het huis. Het krachtstation staat immers meteen naast het huis. Tokyo Gas schat dat vergeleken met een gebruikelijke combinatie van gasboiler en elektriciteitsnet, hun systemen van een kilowatt zesentwintig procent minder energie verbruiken en 40 procent minder CO2 uitstoten – wat neerkomt op een jaarlijkse besparing van zesduizend autokilometers. ‘Het is duidelijk dat we iets goeds doen voor het milieu’, zegt Shogo. ‘Het is leuk te zien hoeveel energie we besparen. Ik denk dat deze technologie geweldig nieuws is voor de toekomst.’

Pintauro, van de Vanderbilt Universiteit, die onderzoek doet naar manieren om brandstofcellen nog efficiënter te maken, wijst erop dat de voordelen van gedecentraliseerde energieopwekking groter zijn dan alleen een lagere uitstoot. ‘Steeds meer mensen zijn tegen elektriciteitskabels in hun achtertuin’, zegt hij. ‘Het komt goed uit dat de meeste huizen aangesloten zijn op aardgas. De infrastructuur is er al. Het is redelijk eenvoudig om op brandstofcellen gebaseerde warmtekrachtkoppelingen bij mensen thuis te installeren.’ De systemen zijn meestal ook betrouwbaarder dan het normale elektriciteitsnet, aangezien de meeste gasnetwerken nauwelijks storingen hebben.

Maar voor Kumiko Kawamori is het grootste voordeel van het systeem het kleine schermpje dat op haar keukenmuur hangt: ‘Je kunt precies zien hoeveel elektriciteit je gebruikt en hoeveel er wordt opgewekt’, door de brandstofcel. Ze demonstreert hoe het werkt, door de magnetron aan te zetten; na enkele seconden schiet het getal op de monitor van 0,5 kilowatt naar 1,7 kilowatt. Kawamori merkte nu pas dat de airconditioning en – verrassend genoeg – de stofzuiger energieslurpers zijn. ‘Ik dacht: wow, wat gebruik ik veel energie!’, zegt ze. ‘Dat was iets waar ik voorheen helemaal niet op lette.’

Op brandstofcellen gebaseerde warmtekrachtkoppelingen zouden in Japan uiteindelijk 46 miljoen huishoudens kunnen bereiken, aldus een woordvoerder van de Canadese brandstofcelproducent Ballard Power Systems, die de leverancier is van enkele Japanse systemen. Het belangrijkste obstakel op weg naar dat doel is volgens de meeste experts de kostprijs. Producenten zeggen dat families jaarlijks ongeveer vierhonderd tot zeshonderdvijftig euro kunnen besparen op hun energierekening, maar de apparatuur zelf kost naar schatting achtduizend euro, hoewel dit zal variëren per fabrikant.

Zelfs met een levensduur van tien jaar zijn de aanschafkosten te hoog vergeleken met de maandelijkse besparingen. Leveranciers werken aan het verlengen van de levensduur, maar totdat er een grootschalige, concurrerende productie-infrastructuur is, zullen de prijzen waarschijnlijk hoog blijven. Overheidssteun kan een manier zijn om die tijd te overbruggen. Het systeem in de achtertuin van de Kawamoris wordt grotendeels betaald met overheidssubsidies; het budget van Japan voor brandstofcellen bedraagt ongeveer driehonderdveertig miljoen euro in 2009.

In de tussentijd dragen micro-warmtekrachtkoppelingen bij aan de ontwikkeling van de technologie, de productie-infrastructuur, en het publieke bewustzijn dat essentieel is voor een gezonde waterstofeconomie. De Kawamoris, en de meer dan drieduizend andere huishoudens die betrokken zijn bij de proeven, delen hun ervaringen met familie en vrienden, en terwijl ze dat doen neemt de interesse in waterstof-energie toe. ‘Er komen veel vrienden op bezoek die vragen naar de brandstofcel, dus dan leg ik uit hoe het werkt’, zegt Kumiko. ‘Eindelijk raken de mensen in onze wijk beetje bij beetje bewust van milieuvraagstukken.’

‘Het zorgt ervoor dat mensen beginnen na te denken over het thuis opwekken van energie’, zegt Turner van het National Renewable Energy Lab. ‘Je hebt een mini-energiecentrale in je kelder – “Kijk, ik wek hier mijn eigen energie op!” De volgende stap is, “Nou, waarom niet, ik installeer zonnepanelen op mijn dak, koop een elektrolyser en dan doe ik alles helemaal thuis!”’ Hij is ervan overtuigd dat met de politieke wil om de overgang te maken, een duurzaam en op waterstof gebaseerd energiesysteem binnen bereik is: ‘We hebben de technologie. We kunnen dit doen. Als we dit pad kiezen, kunnen we alleen maar slagen.’

Het waterstofcentrum van Japan

Terwijl micro-warmtekrachtkoppelingen voor huishoudelijk gebruik in april van dit jaar op de markt komen, is één gebied in Japan al een voorloper in het promoten van waterstof. De regio Fukuoka, op het zuidelijke eiland Kyushu, is de thuisbasis van een gigantisch project dat overheden, academici en industrie samenbrengt om een op waterstof gebaseerde gemeenschap te bouwen. ‘Wij geloven dat waterstof de beste manier is om onze energiecrisis op te lossen’, zegt Hiroyasu Tashiro van het Departement voor Nieuwe Technologie en Industrie, een afdeling van de regionale overheid van Fukuoka. ‘Wij willen dat zoveel mogelijk mensen brandstofceltechnologie gaan gebruiken.’

In februari werden micro-warmtekrachtkoppelingen die gebruikmaken van vloeibaar aardgas geïnstalleerd in honderdvijftig woningen in Maebaru – bijnaam: Fukuoka’s Waterstofstad. De apparaten worden gebruikt om data te verzamelen voor een onderzoek dat erop gericht is de kosten van de technologie te verlagen en de levensduur te verlengen. Het is het grootste project op dit gebied ter wereld. ‘Dit is de eerste keer dat zoveel huishoudelijke brandstofcellen in een gebied geconcentreerd zijn’, zegt Tashiro. Volgens hem zijn veel deelnemende families op Maebaru niet alleen blij met de lagere elektriciteitsrekeningen, maar ook trots dat ze hun CO2 -uitstoot reduceren.

Ondertussen werken onderzoekers van het nieuwe waterstof-onderzoekscentrum van de Universiteit van Kyushu aan het oplossen van de technologische problemen die momenteel een barrière vormen voor een wijdverspreid gebruik van waterstof in industrie en auto’s. Zo heeft waterstof, het kleinste element dat er is, de neiging weg te lekken in metalen en andere materialen wanneer het onder grote druk opgeslagen wordt. Dit kan voorraadtanks en auto-onderdelen aantasten, wat de levensduur van de waterstofinfrastructuur beperkt.

Om dergelijke problemen te verhelpen, onderzoeken wetenschappers van de universiteit de eigenschappen van het element. ‘Het creëren van veilige en betaalbare infrastructuren en auto’s is momenteel ons belangrijkste doel’, zegt Yukitaka Murakami, directeur van het Hydrogenius Onderzoekscentrum van de universiteit. Even belangrijk is volgens hem het opleiden van de volgende generatie ingenieurs en het vergroten van het maatschappelijke draagvlak voor waterstof. ‘Als mensen deze technologie niet begrijpen, gaan we het klimaatprobleem niet oplossen.’

[su_row]
[su_column size=”3/4″]

Ballard Power

Het Canadese bedrijf Ballard Power werkt aan het concurrerend maken van brandstofcellen ten opzichte van conventionele energiebronnen.

Deze brandstofcel van Ballard, ontworpen voor een levensduur van tien jaar, voldoet aan de richtlijnen van de Japanse overheid om warmtekrachtkoppelingen in huishoudens te promoten.

Bij Ballard Power, een kleine onderneming aan de rand van Vancouver, rijden zelfs de vorkheftrucks op waterstof-brandstofcellen. Het bedrijf werkt al meer dan vijfentwintig jaar aan het ontwikkelen van brandstofceltechnologie, lang voordat klimaatverandering grote aandacht in de media kreeg en hybride auto’s de opritten vulden. Toen eind jaren negentig waterstof plotseling werd aangeprezen als een ideale milieuvriendelijke brandstof, stegen de aandelen van het beursgenoteerde bedrijf spectaculair en namen de investeringen toe. Maar enkele jaren daarna verschoof het enthousiasme naar elektrische auto’s met batterijen, zoals de Toyota Prius, en viel Ballard uit de gratie.

[/su_column]
[su_column size=”1/4″]
Deze brandstofcel van Ballard, ontworpen voor een levensduur van tien jaar, voldoet aan de richtlijnen van de Japanse overheid om warmtekrachtkoppelingen in huishoudens te promoten.
[/su_column]
[/su_row]

In 2007 besloot Ballard het grootste gedeelte van zijn autodivisie te verkopen aan Daimler en Ford. Het bedrijf ging zich richten op toepassingen voor brandstofcellen die eerder winstgevend beloofden te zijn, zoals back-up-energie-units voor de telecommunicatiemarkt en batterijen voor vorkheftrucks, maar ook de warmtekrachtkoppelingen die het levert aan Japan. Ballard gokt erop dat waterstof met deze toepassingen ingeburgerd zal raken – en winstgevend zal worden – lang voordat waterstofauto’s de snelwegen bereiken. ‘In de publieke opinie, de media en binnen de overheid hebben we nu een omslagpunt bereikt wat betreft de noodzaak voor nieuwe, schone energiebronnen’, zegt John Sheridan, de CEO van het bedrijf.

Marktsucces

Brandstofcellen zodanig goedkoper maken dat ze kunnen concurreren met conventionele energiebronnen is van essentieel belang voor marktsucces. Voor warmtekrachtkoppelingen betekent dit een verlenging van de levensduur tot vijftien jaar en een halvering van de kosten. Om dat te bereiken onderzoekt het bedrijf hoe het kan besparen op het gebruik van het prijzige platina voor de katalysator in de cellen, de productielijn verder kan automatiseren en onderdelen kan vereenvoudigen. ‘Momenteel zijn onze grootste technische uitdagingen het verlagen van de kosten en het slijtvaster maken van de brandstofcellen’, zegt Chris Guzy, hoofd technologie bij Ballard. ‘Maar de techniek ontwikkelt zich nu erg snel.’

Het produceren van energie-units voor bussen – die leiders binnen het bedrijf zien als ideale middelen om het publiek bewuster te maken van brandstofcellen – wordt een steeds groter onderdeel van de activiteiten van Ballard. De technologie zal volgend jaar gebruikt worden om twintig bussen aan te drijven tijdens de Olympische Winterspelen in Vancouver, wat volgens de onderneming ’s werelds grootste op waterstof gebaseerde busvloot zal zijn. ‘Brandstofcellen zijn de enige energiebron die we kennen die volledig schoon is’, zegt James A. Cusumano, een voormalige onderzoeksdirecteur bij de oliemaatschappij Exxon en co-auteur van Freedom from Mid-East Oil . ‘Er gloren momenteel geen andere technologieën aan de horizon die niet een grotere CO2 -uitstoot of meer nucleair afval met zich meebrengen. ’

Foto credit: Makoto Ishida