## Productie van waterstofgas

Waterstofgas kan men grofweg op de volgende drie manieren produceren:

- Via reforming van methaan
- Via elektrolyse
- Via kunstmatige fotosynthese

De reforming van methaan is hierbij veruit de meest gebruikte manier om waterstofgas te produceren. Meer dan 95% van het wereldwijd geproduceerde waterstof wordt op deze manier geproduceerd.

De koolstofmonoxide kan vervolgens nogmaals met water reageren om zo nog meer waterstof te produceren. Deze reactie is als volgt:

CO (g) + H2O (g) -> H2 (g) + CO2 (g)

Zoals je ziet komt er bij deze reactie koolstofdioxide vrij. Ook zijn er hoge temperaturen nodig om waterstofgas te produceren. Om deze te kunnen bereiken worden ook fossiele brandstoffen gebruikt. Deze manier van waterstofproductie is dus niet echt duurzaam te noemen en levert een substantiële bijdrage aan de wereldwijde productie van koolstofdioxide. Vandaar dat er alternatieven worden gezocht voor de productie van waterstof.

Een andere manier om water te splitsen is elektrolyse. In de figuur zie je wat er gebeurt bij elektrolyse. Twee elektroden worden in water geplaatst. Deze worden met een batterij verbonden. Hierdoor ontstaat aan de negatieve elektrode (kathode) een overschot aan elektronen en aan de positieve elektrode (anode) juist een tekort aan elektronen.

Bij de watersplitsingsreacties worden elektronen uitgewisseld. Dit is een redoxreactie die bestaat uit twee halfreacties, een reductiereactie en een oxidatiereactie. De ene vindt plaats aan de kathode en de andere aan de anode.

Aan de anode vindt bij voldoende hoge spanning en in een aangezuurde oplossing de volgende halfreactie plaats:

2 H2O -> O2 + 4H+ + 4e-

Aan de kathode vindt de volgende halfreactie plaats:

2H+ + 2e- -> H2

Dit is het absolute minimum waarbij deze reactie kan lopen. In de praktijk is dit echter bij lange na niet voldoende. Zo ontstaan er bubbels waterstofgas en zuurstof op de beide elektroden, deze zorgen ervoor dat er minder elektrodeoppervlak beschikbaar is voor de halfreacties, waardoor er een hogere spanning nodig is om deze in de praktijk te laten verlopen. Er zijn meer van dit soort praktische problemen, die ervoor zorgen dat er meer dan 1,23V nodig is voor elektrolyse van water. Het verschil tussen de 1,23V en de spanning die nodig is voor elektrolyse noemen we overpotentiaal. Om een zo efficiënt mogelijke elektrolyse mogelijk te maken moeten we er dus voor zorgen dat deze zo laag mogelijk is. Energie die nodig is om deze overpotentiaal te produceren is immers in feite weggegooide energie. Deze wordt niet direct gebruikt om waterstof te produceren.

Het produceren van 1 mol H2 uit water kost 474 kJ aan energie. Een andere eenheid voor energie is de electronvolt (eV). Dit is de energie die nodig is om een deeltje met lading -1 een potentiaalverschil van 1 volt te laten overbruggen. Deze eenheid wordt in de natuurkunde vaak gebruikt om te rekenen met zeer kleine energiehoeveelheden. 1eV staat gelijk aan 1,602 176 565 × 10–19 J.

De constante van Avogadro beschrijft hoeveel deeltjes er in een mol stof zit. De constante heeft een waarde van 6,02 x 1023 mol-1. 1 mol stof bevat dus altijd 6,02 x 1023 deeltjes (moleculen of atomen).

Dit is gelijk aan de spanning die nodig is om water te splitsen in waterstof en zuurstof!

Bij het verbranden van waterstof komt de in waterstof opgeslagen energie weer vrij. Bij het verbranden van 1 mol waterstofgas komt 286kJ energie vrij. Dit is fors minder dan de 474kJ die het kost om 1 mol waterstofgas te maken uit water. Het verschil is een verlies.

Als we alle vrachtwagens in Nederland op waterstofgas geproduceerd door elektrolyseapparaten willen laten rijden is, moet er 117,35PJ extra elektrische energie worden opgewekt.

De benodigde energie kan duurzaam worden opgewekt met zonnecellen. Gemiddeld bereikt 200 W/m2 aan zonne-energie het aardoppervlak. Dit is een gemiddelde voor de hele wereld. Rondom de evenaar zal dit getal hoger zijn dan bij de polen en in Nederland bereikt in de zomer meer energie het aardoppervlak dan in de winter, omdat de zon in de zomer langer schijnt.

In werkelijkheid heb je natuurlijk veel meer oppervlakte nodig. Een auto die 100% efficiënt rijdt is natuurlijk niet realistisch. 60% efficiëntie is een realistischere waarde voor een auto met een brandstofcel. Ook een elektrolyseapparaat is natuurlijk niet 100% efficiënt. Daarnaast hebben we geen rekening gehouden met energieverliezen die optreden bij het transport van waterstofgas. Ook lekt waterstofgas weg, wat een efficiëntieverlies oplevert.