Schepen zijn wereldwijd een aanzienlijke bron van ongewenste emissies, niet alleen van CO2, maar ook van NOx en fijnstof. Met de steeds strengere milieueisen kan dit niet meer. Het roer moet nu echt om in de scheepvaartsector. In de binnenvaart, zeevaart en havens worden nu de eerste stappen gezet richting zero-emissie vervoer. Dennis Lensing weet er alles van. “Het moet en kan duurzamer. De eerste belangrijke stap naar veilig varen op waterstof is nu gezet.”
Eerste stap gezet richting veilig varen op waterstof
Nog een maand te gaan en dan presenteert Port of Amsterdam het ontwerp van een nieuw schip van bijna 20 meter lang dat compleet emissie loos vaart en circulair gebouwd is. Lensing werkte intensief mee aan het ontwerp. Hij ontwikkelde een technologie die waterstof aan boord van een schip produceert uit de stof natriumboorhydride, een grondstof die zowel schoon als ongevaarlijk is om op te slaan. Een veelbelovende ontwikkeling en een mijlpaal voor de scheepvaart.
“Het is een spannende tijd in de scheepvaart”, zegt Dennis Lensing, Junior Researcher Marine Technology aan de TU Delft. “Veel wetenschappers zijn druk in de weer met verduurzaming. Niemand kan meer ontkennen dat duurzame technieken de norm zullen zijn in de toekomst. Fossiele verbranding bij schepen is nu echt op zijn retour. Door de strengere klimaateisen ziet iedereen de noodzaak om de hele sector schoner te maken en daarmee oude tradities en werkwijzen vaarwel te zeggen. Daar waar uitstoot en vervuiling kunnen worden voorkomen moeten we op zijn minst proberen de huidige situatie te verbeteren. Dit gedachtegoed en de ambitie om in 2050 emissieloze schepen te realiseren is een gamechanger voor de hele scheepvaartsector.”
“Ik ben als onderzoeker aan de TU Delft precies op het goede moment aanwezig en in de unieke positie om dit van dichtbij mee te maken; alles komt hier langs. Het fascineert mij dat technieken die nu bedacht worden en nog in de kinderschoenen staan, in de toekomst waarschijnlijk de normaalste zaak van de wereld zijn. Het is spannend om te zien welke kant het precies op gaat. Ik ben heel nieuwsgierig naar de toekomst.”
Klimaatdoelen
De klimaatdoelen van Parijs moeten gehaald worden en ook moeten schepen aan de verplichtingen van de IMO (International Maritime Organization) voldoen. De eis van de IMO is dat in 2030 de uitstoot per kg/per zeemijl is afgenomen met 40% ten opzichte van 2008; en in 2050 moet dit oplopen tot 70%. De industrie beseft nu al dat het halen van de normen van 2050 niet mogelijk is met de (fossiele) brandstoffen die we nu kennen. Een groot schip op batterijen gaat niet lukken, die zijn daarvoor niet energiedicht genoeg (te groot en te zwaar). We zien dat de industrie in de nabije toekomst, tot 2030, waarschijnlijk gebruik gaat maken van LNG (Liquid Natural Gas) als een soort van transitie-brandstof; dat heeft een hoge efficiëntie en is aanzienlijk schoner dan diesel. Maar het blijft natuurlijk wel een fossiele brandstof, dus je blijft met CO2-uitstoot zitten.”
Varen op waterstof
“Op de lange termijn moet je volgens mij altijd naar waterstof”, zegt Lensing. “Dat kan via brandstofcellen die op waterstof lopen of via een synthetische brandstof, die je uiteindelijk ook moet fabriceren vanuit waterstof. Waterstof in schepen is hoe dan ook een hot issue maar we misten tot voor kort nog wel een stukje van de puzzel. Het probleem bij varen op waterstof is namelijk dat grote opslagtanks vol licht ontvlambare waterstof nogal afschrikken. Dit kan gevaarlijk zijn. Er zijn wel technische oplossingen die een veilige opslag mogelijk maken maar het certificeringstraject daarvan is lang. Daarom zoek ik, net als vele andere wetenschappers, naar veilige en energiedichte alternatieven waarbij niet waterstof zelf, maar een ongevaarlijke grondstof wordt opgeslagen en chemisch wordt omgezet in waterstof wanneer de brandstofcellen erom vragen. NaBH4 (natriumboorhydride) biedt daarvoor interessante mogelijkheden.”
“Waterstof als toekomstige brandstof is momenteel erg populair in de scheepsvaart maar we misten tot voor kort nog wel een stukje van de puzzel. De grote opslagtanks vol licht ontvlambare waterstof schrikken af. Ik zoek, net als vele andere wetenschappers naar alternatieven voor veilige opslagmethodes. Het gebruik van Natriumboorhydride als waterstofdrager is een interessante optie.”
Op de lange termijn moet je volgens mij altijd naar waterstof.
Waterstof in zoutkristallen
Natriumboorhydride (NaBH4) is een chemische zoutverbinding waar waterstof uit gewonnen kan worden. Het materiaal is een ongevaarlijk wit poeder en zat vroeger onder meer in waspoeders. ‘Door de auto-industrie is natriumboorhydride als optie al eerder onderzocht. De autofabrikanten begonnen zo rond 2000 echt serieus te kijken naar auto’s op waterstof en in 2004 was er zelfs al een testauto die reed op natriumboorhydride. Maar ze zijn toch met deze onderzoekslijn gestopt. Een van de oorzaken was dat het natriumboorhydride reageert met water om waterstof te produceren. Je zou dat water dus in de auto mee moeten nemen, wat niet praktisch is. In de scheepvaart zitten we echter altijd in een omgeving met veel water, dus dat probleem speelt niet. In de techniek die wij nu gebruiken is het wel essentieel dat het gebruikte water zeer puur is. Daarom moet het water dat je gebruikt aan boord van het schip wel eerst gefilterd worden.’
Een ander bezwaar tegen natriumboorhydride was tot voor kort dat de vrijgave van het waterstof uit de verbinding niet efficiënt genoeg was. Het bedrijf H2Fuel Systems zette een paar jaar geleden een belangrijke stap in de verdere ontwikkeling van natriumboorhydride. In deze benadering wordt natriumboorhydride in contact gebracht met zeer zuiver water en een katalysator. Door deze nieuwe aanpak wordt de efficiëntie van de reactie verhoogd. Dit betekent dat alle NaBH4 wordt omgezet. Voorheen was de reactie niet compleet en werd slechts 80-90% omgezet. Er wordt nu hard gewerkt aan het opschalen van dit proces door H2Fuel Systems, in samenwerking met onder meer de TU Delft.
H2SHIPS
Port of Amsterdam presenteert binnenkort het ontwerp van het eerste schip van bijna 20 meter (vermogen ongeveer 90 kW) dat gaat varen op waterstof met natriumboorhydride. De ontwikkeling van dat schip is onderdeel van het Europese onderzoeksprogramma H2SHIPS, dat concrete pilotprojecten omvat, waar het Amsterdamse schip er eentje van is.
Dennis Lensing: “Het is de eerste keer dat deze technologie wordt toegepast in de maritieme sector. Het schip zal waarschijnlijk eind 2021, begin 2022 gaan varen. Dan zullen er ook metingen en verificaties gedaan worden, bijvoorbeeld over de bespaarde uitstoot en om te bepalen hoe efficiënt de katalysator werkt.Daarna zal het schip 'gewoon' in gebruik genomen als het nieuwe directievaartuig van Port of Amsterdam: De Havenbeheer.”
Het directievaartuig is een representatief schip dat wordt ingezet om potentiële klanten of hoogwaardigheidsbekleders de haven en de stad te laten zien. ‘Het gedetailleerde ontwerp voor het schip komt van Wijk Yacht Creation maar ik ben als onderzoeker betrokken bij allerlei aspecten. Ik en mijn collega’s vervullen de rol van adviseur, bijvoorbeeld over de dimensionering van de brandstofcellen en bij het inpassen van alle verschillende systemen. Het schip is overigens maar een onderdeel van alle plannen. Ideaal gezien wordt er, ook in de buurt van Amsterdam, een productiefaciliteit ontwikkeld. Hiermee zou ook de economische haalbaarheid van deze technologie dichterbij moeten komen.’
Opschaling
‘Bij de opschaling van het proces voor het gebruik van natriumboorhydride is de laatste jaren goed nieuws en wat minder goed nieuws’, zegt Lensing. ‘Heel positief is de werking van de katalysator. In eerste instantie werd uitgegaan van zoutzuur als activator van de reactie, maar dat heb je liever niet. Inmiddels zijn er katalysatoren in onderzoek, onder meer op basis van kobalt, en dat ziet er goed uit.’ ‘Eén van de grootste resterende uitdagingen is het regenereren van het restproduct van de reactie; natriumbooroxide (NaBO2). Op deze manier kan je deze brandstof circulair maken. De recycling van natriumbooroxide is behoorlijk energie-intensief en dus zijn de kosten nog hoog. De TU Delft en de Universiteit van Amsterdam doen momenteel onderzoek naar kosteneffectieve oplossingen met gebruik van hernieuwbare wind- of zonne-energie. Het doel is om een volledig emissie loze, circulaire scheepsbrandstof te realiseren.
Als we in de toekomst een Smart Grid willen hebben voor onze stroomvoorzieningen dan moet er een grote overcapaciteit aan wind -en zonne-energie komen. Deze overcapaciteit kan tijdens stormachtige of extreem zonnige dagen ingezet worden om waterstof te produceren. Daarnaast wordt het interessanter om energie elders op te wekken wanneer deze techniek goedkoper wordt.
Om deze energie gemakkelijk te kunnen vervoeren moet het omgezet worden in E-fuels. Ook deze fuels moeten efficiënt geproduceerd en relatief eenvoudig getransporteerd worden. Natriumboorhydride biedt hiervoor ook een mogelijkheid omdat het door zijn hoge energiedichtheid goedkoop is om te verschepen (als lading).
Er is dan ook veel nieuwsgierigheid naar de optie natriumboorhydride. Er wordt zelfs al gekeken naar de mogelijkheid van grote schepen op natriumboorhydride maar men mikt in eerste instantie op vermogens van 200-400 kW, voor gebruik in de binnenvaart. Ook toepassingen in de short sea sector worden nu heel serieus onderzocht.
