Vloeibaar waterstof (ook wel aangeduid als LH2) is waterstofgas dat zo ver is afgekoeld dat het in vloeibare vorm bestaat. Dat gebeurt bij een temperatuur van ongeveer min 253 graden Celsius, net iets boven het absolute nulpunt. Op die temperatuur neemt waterstof veel minder ruimte in dan in gasvorm, wat het interessant maakt voor opslag en transport van grote hoeveelheden energie.
Waterstof is op zichzelf het lichtste element dat bestaat. In gasvorm is het enorm volumineus, wat transport lastig maakt. Door het te koelen tot vloeibare toestand, krimpt het volume met een factor van ongeveer 800. Dat maakt vloeibaar waterstof aantrekkelijk voor toepassingen waarbij je veel energie in een kleine ruimte wilt opslaan.
Hoe wordt vloeibaar waterstof gemaakt?
Het productieproces heet liquefactie, ofwel vloeibaar maken. Waterstofgas wordt daarvoor stapsgewijs gekoeld met behulp van speciale koelinstallaties. Eerst wordt het gas gecomprimeerd en vervolgens meerdere keren uitgebreid, waarbij het steeds verder afkoelt. Dit proces vergt veel energie: naar schatting kost het liquefaceren van waterstof zo’n 30 tot 40 procent van de energieinhoud van het waterstof zelf. Dat is een van de grootste nadelen van deze technologie.
Omdat waterstof zo koud moet zijn, stelt dat hoge eisen aan de apparatuur. Tanks en leidingen moeten extreem goed geïsoleerd zijn om te voorkomen dat warmte van buitenaf het vloeibare waterstof laat verdampen. Dit heet boil-off: het onvermijdelijk verdampen van een deel van de vloeistof door inkomende warmte. Bij grote industriële tanks is de boil-off klein, maar bij kleinere systemen of langdurige opslag kan er een aanzienlijk deel verloren gaan.
Eigenschappen van vloeibaar waterstof
Vloeibaar waterstof heeft een dichtheid van ongeveer 70 kilogram per kubieke meter. Ter vergelijking: water heeft een dichtheid van 1000 kilogram per kubieke meter. Vloeibaar waterstof is dus zeer licht. Die lage dichtheid is enerzijds een voordeel bij toepassingen in de luchtvaart, maar maakt anderzijds grote opslagtanks noodzakelijk om voldoende brandstof mee te nemen.
De vloeistof is kleurloos en reuk- en smakeloos. Bij contact met lucht verdampt het onmiddellijk en het gas vermengt zich snel met de omgevingslucht. Waterstof is brandbaar in een breed concentratiebereik in de lucht, tussen 4 en 75 procent volumepercentage. Dat vraagt om strikte veiligheidsmaatregelen bij opslag, transport en gebruik.
Toepassingen van vloeibaar waterstof
De bekendste toepassing is in de ruimtevaart. Raketmotoren gebruiken vloeibaar waterstof als brandstof, gecombineerd met vloeibare zuurstof als oxidator. De NASA gebruikte dit al voor de Saturn V-raket die de Apollo-missies naar de maan bracht, en ook moderne raketten van bedrijven als SpaceX en Ariane Group maken er gebruik van. De hoge energiedichtheid per kilogram maakt het voor raketten bij uitstek geschikt.
In de transportsector groeit de interesse in vloeibaar waterstof voor vrachtschepen en vliegtuigen. Voor deze voertuigen is het volume van een brandstoftank een beperkende factor, en vloeibare waterstof pakt compacter uit dan gecomprimeerd waterstofgas. Voor zware vrachtwagens over lange afstanden en voor de scheepvaart zijn er serieuze pilots en demonstratieprojecten gaande, al zijn de meeste toepassingen op dit vlak naar schatting pas na 2030 op bredere schaal beschikbaar.
Ook bij de opslag van hernieuwbare energie speelt vloeibaar waterstof een rol. Overschotten van zonne- en windenergie kunnen worden omgezet in waterstof via elektrolyse, waarna het waterstof vloeibaar wordt gemaakt voor langdurige opslag of transport over grote afstanden. Japan en Zuid-Korea importeren op die manier al waterstof vanuit Australië en andere landen.
Voordelen en nadelen op een rij
Vloeibaar waterstof heeft een hoge energiedichtheid per kilogram, een klein volume vergeleken met gasvormig waterstof en is geschikt voor transport over grote afstanden. Het is de enige vorm waarin waterstof per schip economisch te vervoeren is over oceanen.
Aan de andere kant zijn de nadelen aanzienlijk. Het liquefactieproces verbruikt veel energie, de benodigde infrastructuur is kostbaar, de tanks zijn technisch complex en de onvermijdelijke boil-off zorgt voor verliezen bij langere opslag. Vloeibaar waterstof is ook alleen zinvol als het wordt geproduceerd met schone energie; bij gebruik van aardgas als bron voor de waterstof verdwijnt het klimaatvoordeel grotendeels.
Veiligheid bij vloeibaar waterstof
De omgang met vloeibaar waterstof vraagt specifieke voorzorgen. De extreem lage temperatuur kan direct contact met de huid ernstig beschadigen, vergelijkbaar met verbrandingen maar dan door vrieskou. Daarnaast is waterstofgas onzichtbaar en reukloos, wat lekdetectie lastiger maakt dan bij aardgas. Professionele installaties gebruiken speciale sensoren en werken met geventileerde ruimtes om ophoping van waterstofgas te voorkomen.
Toch wordt vloeibaar waterstof al decennialang veilig gebruikt in de ruimtevaart en de industrie. De risicos zijn beheersbaar met de juiste protocollen en apparatuur. Vergelijk het met vloeibaar aardgas (LNG): ook dat is een cryogene vloeistof met bijbehorende risicos, maar ook LNG is een geaccepteerde en breed gebruikte brandstof geworden.
Veelgestelde vragen over vloeibaar waterstof
Op welke temperatuur wordt waterstof vloeibaar?
Waterstof wordt vloeibaar bij ongeveer min 253 graden Celsius (20 Kelvin), bij atmosferische druk.
Wat is het verschil tussen vloeibaar waterstof en gecomprimeerd waterstof?
Gecomprimeerd waterstof blijft gasvormig maar staat onder hoge druk, meestal 350 tot 700 bar. Vloeibaar waterstof is door afkoeling omgezet in een vloeistof en heeft bij atmosferische druk al een veel kleiner volume dan gecomprimeerd gas. Vloeibaar waterstof biedt daardoor een hogere energiedichtheid per liter, maar vraagt om complexere en duurdere opslagapparatuur.
Is vloeibaar waterstof duurzaam?
Dat hangt af van hoe het wordt geproduceerd. Waterstof gemaakt via elektrolyse op basis van groene stroom (groene waterstof) is duurzaam. Het liquefaceren kost echter extra energie, wat het totale rendement verlaagt. Voor toepassingen waarbij hoge energiedichtheid echt noodzakelijk is, zoals lucht- en scheepvaart, wegen de voordelen vaak op tegen dit nadeel.
Wordt vloeibaar waterstof al gebruikt in auto’s?
Ja, maar spaarzaam. BMW experimenteerde al in de jaren 2000 met vloeibare waterstof in verbrandingsmotoren. De meeste moderne waterstofauto’s, zoals de Toyota Mirai, gebruiken gecomprimeerd waterstof in combinatie met een brandstofcel. Vloeibaar waterstof in personenauto’s is vooralsnog een niche.
Vloeibaar waterstof is een veelbelovende maar technisch veeleisende energiedrager. Voor toepassingen waar volume bepalend is, zoals raketten en oceaanvaart, is het voorlopig moeilijk te vervangen. Voor dagelijks gebruik op kleinere schaal zijn gecomprimeerd waterstof of batterijen vaak praktischer. De komende jaren zal duidelijk worden in welke sectoren vloeibaar waterstof echt doorbreekt.
