Met waterstofverbranding naar een schone toekomst voor scheepvaart

Waterstof is in theorie de ideale brandstof. Het is relatief gemakkelijk te maken en levert geen CO2 op bij verbranding of toepassing in brandstofcellen. Zeker bij motoren in zwaar materieel, zoals bij de scheepvaart, is waterstof als brandstof een goed alternatief. Maar dat is de theorie. De praktijk blijkt weerbarstiger. Een veilig gebruik van waterstof is ingewikkeld, het produceren van het gas vergt veel energie terwijl de energiedichtheid van waterstof minimaal een factor vier lager is dan van diesel, waardoor de brandstof veel minder geschikt is voor lange intercontinentale vaarroutes.

TNO doet samen met partners uit het bedrijfsleven onderzoek naar waterstofverbranding in zwaar materieel, waaronder scheepsmotoren. Op steeds meer plekken in de wereld gaan de eerste proeven met waterstofverbranding in de scheepvaart nu van start.

“Een van de uitdagingen is dat de scheepvaart zo divers is. Een binnenschip is anders dan een internationaal vrachtschip”

Een must om klimaatdoelstellingen te halen

Waar het wegvervoer qua CO2-uitstoot de grootste vervuiler is, lijkt het aandeel van het transport over water maar klein. Toch is het belangrijk om de emissie van schepen aan te pakken. Het is namelijk een van de snelst groeiende bronnen van luchtvervuiling. De uitstoot van internationale scheepvaart is de afgelopen twee decennia met bijna 31% gegroeid, vooral door de sterke toename van de handel. Daarnaast is in Nederland, vanwege de grote havens, de gebunkerde brandstofhoeveelheid voor schepen zelfs nog wat groter dan voor wegtransport.

Het verduurzamen van de scheepvaart wordt zodoende als must gezien om de klimaatdoelstellingen van Parijs te halen. Voor de scheepvaart zijn doelstellingen vastgesteld door de International Maritime Organization. Doel is in 2030 te komen tot een 40% CO2-reductie per schip en 50% reductie voor al het scheepvaartverkeer wereldwijd in 2050. Waterstof is daarbij een belangrijk speerpunt van onderzoek dat TNO nu doet.

Eerste stap in verduurzaming

“We kijken naar verschillende mogelijkheden,” vertelt Jack Bloem, programmamanager traffic and transport/sustainable vehicles bij TNO. “Een eerste stap is het bijmengen van 20 tot 30 procent waterstof bij diesel, maar mogelijk zelfs 60 tot 70 procent. Het voordeel is dat je de bestaande dieselmotoren daarvoor maar beperkt hoeft aan te passen. Deze technologie zou snel commercieel toegepast kunnen worden.

Maar daarmee blijf je weliswaar CO2-uitstoot houden en als de scheepvaart zo sterk blijft groeien, is de klimaatwinst minder groot dan je zou wensen. Deze dual-fuel motoren zien wij daarom als een eerste stap in de verduurzaming van het transport over water, bijvoorbeeld voor relatief nieuwe scheepsmotoren. Die gaan namelijk zo'n dertig jaar mee en blijven dus, zo mag je verwachten, nog decennia in de vaart.”

“Waterstof is een zeer kansrijke duurzame brandstof voor de toekomst”

Gebrek aan ruimte voor een grote tank

Het ideale scenario is een scheepsmotor die volledig op waterstof loopt. Ook daar doet TNO onderzoek naar. “We weten nog niet wat de beste oplossing is en daarom onderzoeken we een aantal opties”, vertelt Bloem. Een van de uitdagingen is dat de scheepvaart zeer divers is. De binnenvaart en kustvaart zijn andere vormen van transport dan de internationale zeevaart en visserij. Een nadeel van waterstof is dat je er, in vergelijking met diesel, veel van nodig hebt (in volume). Een tank van een waterstofmotor is zo'n zeven keer groter dan die van een dieselmotor. Op de huidige schepen ontbreekt de ruimte voor zo'n grote tank.

Aanpassen van motoren

Een alternatief is vaker brandstof tanken. Daarmee is het gebruik van pure waterstofverbranding geschikter voor de binnenvaart en kustvaart dan voor zeeschepen die weken onderweg zijn zonder een haven aan te doen. Bloem: “De verbrandingsmotor op diesel bestaat meer dan honderd jaar. Die is verregaand geoptimaliseerd. De verbranding van waterstof in een verbrandingsmotor verloopt anders dan bij diesel. Om dit goed te laten verlopen moeten motoren worden aangepast.

De impact op de gebruikte materialen is ook anders. De veiligheid aan boord is daarnaast een serieuze issue en vereist andere maatregelen. Binnen TNO vinden momenteel diverse onderzoeken plaats die werken aan een veilige opslag van waterstof aan boord.”

Waterstof als methanol verpakken

Voor de productie van waterstof is elektriciteit nodig is. Zolang deze niet groen wordt opgewekt, maar met gas of kolen, is waterstof geen echt duurzaam alternatief voor diesel. Ook een uitdaging is de manier waarop je waterstof als brandstof wilt gebruiken. De pure vorm heeft, zoals eerder vermeld, als nadeel dat de energieopbrengst laag is. Door waterstof als methanol of ammoniak te 'verpakken' gaat de energiedichtheid omhoog. TNO onderzoekt momenteel de toepassing van ammoniak in brandstofcellen. Deze cellen kunnen elektromotoren aandrijven en hebben als voordeel dat er geen schadelijke emissie is.

“We zitten nu in de fase dat de eerste praktijkproeven met schepen op waterstof plaatsvinden”

Duurzame bronnen

Bij de toepassing van methanol is de omvang van de tank het voordeel. Een motor op methanol heeft slechts een twee keer zo grote tank nodig als een dieselmotor. “Bij de verbranding van methanol komt wel CO₂ vrij,” vertelt Jorrit Harmsen (consultant duurzame scheepvaart bij TNO). “Maar er is een biovariant die CO₂-neutraal is. Methanol kun je ook synthetisch maken met duurzame CO₂-bronnen.” TNO deed mee aan het Green Maritime Methanol Project.

Daarbij heeft een consortium van 30 partijen heel breed onderzoek gedaan, onder meer naar het ombouwen van motoren en het veilig opslaan van methanol. Ook zijn er diverse ontwerpen gemaakt van scheepstypen waar methanolmotoren kansrijk lijken te zijn. De bedoeling is dat het Green Maritime Methanol Project nu een vervolg krijgt in de vorm van pilotprojecten.

Pilots met schepen op waterstof

Harmsen: “We zitten nu in de fase dat de eerste praktijkproeven met schepen op waterstof plaatsvinden. TNO is betrokken bij twee nautische dienstverleners, die met een waterstofboot varen in de grachten van Amsterdam. Er vaart, buiten Nederland, ook al een veerboot op methanol. Er zijn enkele kleinere binnenvaartschepen op elektriciteit waarbij de accu's in containers zitten die bij het laden en lossen verwisseld worden.

En er zijn proeven met de op- en overslag van waterstof. Maar er is nog veel onderzoek nodig. Omdat de scheepvaart in toepassing heel versnipperd is, zal de industrie zelf minder in nieuwe duurzame motortechnieken investeren dan bijvoorbeeld de auto-industrie heeft gedaan. Daarom is het belangrijk dat partijen als TNO onderzoek initiëren en samen met het bedrijfsleven aan commerciële toepassingen werken.”

Nederland koploper op gebied van waterstof

Jack Bloem: “Waterstof is een zeer kansrijke duurzame brandstof voor de toekomst. Maar het is niet alleen een brandstof. Je kunt waterstof ook gebruiken om noodzakelijke duurzame energiebuffers aan te leggen. Dat kan in de vorm van waterstof (of methanol, DME of ammoniak) in combinatie met duurzame energieopwekking. Voor TNO heeft onderzoek naar waterstof daarom topprioriteit. Het is belangrijk dat Nederland koploper wordt in deze technologie. We hebben veel dieselmotoren en er is dus een grote afzetmarkt. Het is voor de BV Nederland goed deze technologie in huis te hebben.”

Wilt u meer weten over waterstofverbranding in de scheepvaart? Of wilt u meedenken of meewerken aan de totstandkoming? Neem dan contact op met Jack Bloem of Jorrit Harmsen.