Het is het meest voorkomende element in het universum. Waterstof. Vele denken dat waterstof een belangrijke rol gaat spelen in de energietransitie. Elke keer dat ik dit hoor vraag ik mezelf een beetje onbenullig af, hoe dan? Om er toch maar eens achter te komen, ben ik wat dieper in de materie gedoken. Met de vraag is waterstof de vervanger van fossiele brandstoffen. Om u mijn moeite en tijd te besparen heb ik geprobeerd mijn bevindingen door middel van een hopelijk logisch verhaal op een rijtje te zetten.
Productie van waterstof
Om te kijken of waterstof kan dienen als vervanging van gas en elektriciteit leek het mij verstandig te beginnen bij de productie van waterstof. Ondanks dat het het meest voorkomende element is in het universum, blijkt de productie van waterstof nog niet zo eenvoudig.
Waterstof is het eerste element op de periodieke tafel, wat ook betekend dat het het lichtste element is. Door de zeer lage massa van waterstof stijgt het gas simpelweg op naar de ruimte. Waardoor het element waterstof op zichzelf op aarde zeer schaarst is. Wel is waterstof in overvloed aanwezig als onderdeel van andere chemische verbindingen, zoals water (H2O) of methaan (CH4).
Om waterstof te verkrijgen zal het element waterstof (H2) moeten worden afgesplitst van het andere element waarmee het verbonden is. Bijvoorbeeld het element zuurstof (O2) in de chemische verbinding water. Dit splitsingsproces kan in verschillende manieren worden gedaan, maar ze hebben allen één ding gemeen. Dat is dat deze processen veel energie kosten. Welk proces gebruikt wordt voor de productie van waterstof, wordt door middel van een nomenclatuur weergeven. In eenvoudigere woorden, de spreekwoordelijke kleur van de waterstof geeft aan wat voor soort proces is gebruikt voor de productie van waterstof.
Grijze waterstof
Bijna 80% alle waterstof geproduceerd in Nederland is grijs van kleur (bron: Mileucentraal). Deze kleur waterstof wordt geproduceerd door het proces genaamd steam-methane reforming (SMR). Bij dit proces wordt stoom (H2O) onder hoge druk en temperatuur in aanraking gebracht met methaan (CH4). Als eindproduct van deze chemische reactie krijg je waterstof (H2) en kooldioxide (CO2). Dit laatste product is gemakkelijk te herkennen als één van de beruchte broeikasgassen. Hierdoor verdient deze waterstof ook haar kleur grijs, omdat de productie niet milieuvriendelijk is.
Blauwe waterstof
Blauwe waterstof verschilt in productie niet van grijze waterstof. Het enigste verschil is dat het bijproduct kooldioxide, wat vrijkomt bij de productie van waterstof, wordt afgevangen en opgeslagen wordt onder de grond. Hierdoor komt het niet vrij in de atmosfeer en zal het de aarde niet opwarmen.
Groene waterstof
Bij groene waterstof wordt waterstof (H2) gesplitst van zuurstof (O2) van de oorspronkelijke chemische verbinding water (H2O) door middel van elektrolyse. Alleen wanneer hier groene opgewekte stroom voor wordt gebruikt, spreek men van groene waterstof. Bij deze productie vorm van waterstof komen dus geen broeikasgassen vrij. Naast elektrolyse zijn er ook nog andere productiemethode van groene waterstof, maar elektrolyse is toch wel de meest gangbare.
Naast grijze, blauwe en groene waterstoffen zijn er tegenwoordig nog meer kleuren, zoals paarse, witte en gele waterstof. Alleen bij de productie van groene waterstof komen dus geen schadelijke bijproducten vrij. Daarom is deze vorm van waterstof ook als enigste echt duurzaam.
De opwekking van groene waterstof
Omdat de hoofdvraag van dit artikel is, is waterstof de vervanging van fossiele brandstoffen, kijk ik vanuit een duurzaam perspectief naar deze vraag. Met andere woorden, ik kijk hoe groene waterstof een rol kan spelen in de energietransitie. Want om fossiele brandstoffen te vervangen met waterstof die d.m.v. van fossiele brandstoffen is geproduceerd is ook een beetje omslachtig.
Zoals als eerder vermeld, wordt groene waterstof geproduceerd door waterstof af te splitsen van zuurstof d.m.v. elektrolyse. Wanneer men logisch nadenkt lijkt het ook een beetje omslachtig om met duurzame stroom waterstof op te wekken om er later weer elektriciteit of een andere energievorm van te maken. Dan kun je toch net zo goed die elektriciteit direct gebruiken voor de gewenste toepassing.
Het kost ongeveer 50 kWh elektrische energie en 9 liter water om 1 kg waterstof te maken (bron: IEN). De energiedichtheid van waterstof is 33 kWh per kg. Wanneer je deze waterstof bijvoorbeeld wilt gebruiken om te tanken in je personenauto, kost het ook nog eens 5-17% om de waterstof de comprimeren (bron: Renewableh2). Dus neem als aanname dat het ongeveer 55 kWh kost om 1 kg waterstof te tanken. De waterstof aangedreven auto de Toyota Mirai reed op 1 kg waterstof ongeveer 116 km volgens Toyota (bron: Toyota). De Volkwagen ID 3 heeft een verbruik van 180 Wh per km, inclusief 10% laadverliezen. Wanneer deze auto dus 55 kWh aan elektriciteit laadt, kan hij hier een ruime 300 km aan range behalen. Dit is bijna drie keer zoveel als de Toyota Mirai. Dus de productie van waterstof is momenteel nog een vrij inefficiënt proces.
Waterstof wordt veelal gezien als een energiebron, net als aardgas of diesel. Echter moet je het eerder zien als een energiedrager, net als een accu. Nederland heeft met de Noordzee een zeer goede uitgangspositie voor de productie van duurzame energie. De Noordzee is relatief ondiep, waardoor er vrij kosteneffectief windmolen geplaatst kunnen worden. De Nederlandse overheid heeft plannen om in de komende twee decennia een windenergie opwekking van 70 GW op de Noordzee te realiseren (Bron: Rijksoverheid).
Een argument wat vaak gebruikt wordt voor waterstof is dat het bedoeld is voor het balanceren van het elektriciteitsnet. Wanneer de energievraag kleiner is dan de totaal opgewekte windenergie, zou de overtollige elektriciteit worden gebruikt voor de elektrolyse van water. Wanneer de vraag kantelt en er een grotere elektriciteitsvraag is, dan beschikbare windenergie, dan kan het tekort worden opgevuld met waterstof.
Belangrijk is dat, in dat geval, alleen waterstof wordt geproduceerd en opgeslagen, wanneer het aanbod van duurzame energie groter is dan de vraag. Dit omdat wanneer bijvoorbeeld warmtepompen of het laden van een elektrische auto wel voorrang moet krijgen op duurzame stroom. Het is natuurlijk altijd vele malen efficiënter om apparaten direct te laden met duurzame stroom dan de stroom eerst om te zetten in waterstof en dan weer terug naar elektriciteit. En wanneer er bijvoorbeeld een x aantal GW aan elektriciteit momentaan wordt gebruikt voor de productie van waterstof, terwijl de Nederlandse huishoudens allemaal hun elektrische warmtepomp hebben aan staan. Dit zorgt ervoor dat er een elektriciteit tekort is, waardoor er tijdelijk op fossiele brandstoffen moeten worden overgeschakeld op het gat te overbruggen. Dit is vanzelfsprekend zeer tegendraads.
Gebruik van waterstof
Net als elektriciteit, gas en diesel kan waterstof voor verschillende applicaties gebruikt worden. Denk aan brandstof voor auto’s, waterstofboilers en ook industrieprocessen die zeer hoge temperaturen vereisen. Waterstof wordt in deze applicaties voornamelijk op twee verschillende manieren gebruikt. Eén is om elektriciteit te generen met een elektrochemische reactie, die plaats vindt in een Fuel Cell, denk aan de Toyota Mirai. Een andere manier is om waterstof te laten reageren met lucht door het te verbranden. Dit wordt in gebruikt in waterstofverbrandingsmotoren, waterstofboilers en in sommige industrieprocessen.
Een vaak voorkomende misvatting is dat het omzettingsproces van waterstof in energie altijd resulteert in enkel water als bijproduct. Dit is wel het geval wanneer waterstof wordt omgezet in elektriciteit door een Fuel Cell, maar niet altijd wanneer waterstof wordt verbrand. Dit is wel mits de waterstof duurzaam is geproduceerd. Ander is de uitstoot simpelweg al eerder en op een andere plek geëmitteerd
Bij de verbranding van waterstof kunnen zeer hoge temperaturen ontstaan. Bij temperaturen boven de 1300 °C reageert de aanwezige zuurstof (O2) met de stikstof(N2) in de atmosfeer, wat leidt tot stikstofoxides (NOx). Stikstofoxides zijn schadelijk voor de gezondheid en het milieu.
Echter is het relatief eenvoudig om de technische aanpassingen die nodig zijn om waterstof te verbranden als een directe vervanging van fossiele brandstoffen te realiseren. Hierdoor zullen vele industrieën kiezen voor de verbranding van waterstof.
Mijn mening is dat groene waterstof gebruikt moet worden in procesindustrieën waar hoge temperaturen een rol spelen, zoals de staalindustrie. Dit wordt nu doorgaans al gedaan door middel van grijze waterstof.
In de mobiliteitssector zal waterstof misschien een rol spelen voor voertuigen, in de vorm van synthetische brandstoffen, die lange afstanden zullen afleggen zoals vrachtwagens, bussen, of vliegtuigen. Hierbij zal eerder een Fuel Cell gebruikt worden, omdat deze beduidend meer efficiënter zijn als een verbrandingsmotor, zelfs een verbrandingsmotor op waterstof. Tevens is bij een Fuel Cell het enigste bijproduct wel daadwerkelijk alleen water. Echter zal de ontwikkelingen op het gebied van batterijen er ook toe leiden dat in de toekomst ook elektrische vrachtwagens voldoende range zullen hebben.
Wij als burgers zullen zelf niet snel in onze thuissituatie te maken krijgen met waterstof. Ondanks dat de eerste waterstofboilers al wel geplaatst zijn in sommige woningen, zie ik niet snel voor me dat deze techniek bijvoorbeeld een warmtepomp gaat vervangen.
De totale end-to-end efficiëntie van het verwarmen van een woning met groene waterstof, geproduceerd met behulp van hernieuwbare elektriciteit, bedraagt ongeveer 46%.
Een warmtepomp daarentegen heeft een rendement van bijna 300%. Dit leidt ertoe dat een warmtepomp ongeveer zes keer meer warmte kan realiseren dan een waterstofboiler met dezelfde hoeveelheid elektriciteit (bron: Sience Coalition).
Opslag van waterstof
Waterstof heeft vele voordelen, alleen heeft het ook vele nadelen. Doordat waterstof het kleinste element is, is het zeer moeilijk op te slaan. Het gevaar voor lekkages is zeer groot. Een voorbeeld hiervan is de in 2000 gelanceerde BMW Hydrogen 7. In deze BMW wordt de waterstof opgeslagen als een vloeistof, zodat het makkelijker in de tank op te slaan is dan wanneer het gasvormig is. Dit is een moeilijke prestatie, want waterstof wordt al gasvormig bij –253 °C. Ondanks de dubbelwandige, roestvrijstalen tank die de vloeistof onder hoog vacuüm opslaat met aluminium reflecterende folie, begint de vloeibare waterstof in de tank van 8 kilogram na 17 uur te koken als de auto geparkeerd blijft staan. Na ongeveer 10 tot 12 dagen is de tank volledig leeg (Bron: WIRED).
Waterstof is dus zeer moeilijk op te slaan, al helemaal langdurig. Dit zal denk ik leiden tot een dilemma. Zoals ik eerder vermelde, is waterstof op papier geschikt als langdurige energiedrager van bijvoorbeeld gegeneerde zonne- of windenergie. Alleen is dus blijkbaar de opslag van waterstof voor langere termijn een beduidend probleem.
Je kunt waterstof op verschillende manieren opslaan, onder zeer hoge druk (700 bar), als vloeistof (-253°C) of je bindt het aan een element waar het later makkelijk van te ontbinden is. Echter kost deze procedures vanzelfsprekend ook energie. Zo is kost het ongeveer 3.3 kWh aan energie om één kilogram waterstof af te koelen naar -253°C (bron: Energy.gov). Als je er dan vanuit gaat dat één kilogram ongeveer 33.6 kWh aan energie bevat, wanneer het 100% effectief gebruikt wordt. Dan leert een snelle rekensom ons dat het ongeveer 10% van de energiecapaciteit van de waterstof kost om dit thermisch proces te volbrengen.
Misschien denk je wel waarom slaan we waterstof niet gewoon op als een gas onder atmosferische druk en omgevingstemperatuur. Nou dit komt omdat één kilogram waterstof een volume heeft van 11.2 m3. Met andere woorden je hebt dus een zeer grote tank nodig voor het opslaan van één kilogram waterstof onder normale omstandigheden. Dit is voornamelijk een probleem wanneer de waterstof gebruikt zal worden als brandstof voor personenwagens. Dit is, naast het lage rendement, ook een belangrijke factor waarom waterstof aangedreven personenwagens niet veel rond zullen rijden.
Voor de zware industrie ligt dit wat anders. Daar is het ruimtegebrek minder een probleem. Verder heeft de Gasunie het project HyStock leven in geblazen. Met dit project willen ze een viertal zoutcavernes ontwikkelen voor de opslag van maar liefst 20 kton waterstof. Deze zoutcavernes zullen zich gaan bevinden rondom Zuidwending, in Groningen. Een zoutcaverne is een holle ruimte in de zoutlaag, wel 1200 meter, onder de grond. Deze holle ruimte wordt gevormd door het zout uit deze laag te winnen, door middel van loggen. Hierdoor ontstaat een sigaarvormige holte uitermate geschikt voor de opslag van gas. Gasunie heeft vergunning voor 10 van deze cavernes (bron: Hystock). Momenteel zijn er zes cavernes in gebruik voor de opslag van aardgas en zullen er in de toekomst waarschijnlijk vier gebruikt gaan worden voor de opslag van waterstof. Gasunie stelt dat het grote hoeveelheden waterstof kan opslaan in de zoutcavernes met een rendement van 98%.
De opslag van waterstof blijkt dus toch nog wel een lastig ding, door de lage dichtheid en ontvlambaarheid van waterstof. Vooral voor applicaties zoals personenwagens waar ruimte schaar is, is waterstof misschien niet de meest efficiënte oplossing.
Voor de opslag van waterstof die gegenereerd is door duurzame energie, lijken de zoutcavernes een veelbelovende oplossing.
Infrastructuur van waterstof
Momenteel is er een zeer beperkte waterstofinfrastructuur in Nederland. Zo zijn er maar 14 plekken in Nederland waar je waterstof kan tanken. Dit komt omdat er bijna geen waterstofauto’s in Nederland rijden. Maar ja die rijden er weer niet omdat je nergens met zo’n auto kan tanken. Dit is dus een beetje een kip-ei situatie. De overheid is van plan dit te doorbreken door een subsidie te verlenen voor waterstofauto’s, met name bussen en vrachtwagens. Het doel is om met € 22 miljoen euro in 2024 de bouw van 5 tot 10 waterstoftankstations te stimuleren (bron: Rijksoverheid).
De regering is van plan, naast het stimuleren van de integratie van waterstof in de transportsector, ook de rol van waterstof te vergroten in de procesindustrie. Dit willen ze doen door in samenwerking met Gasunie en TenneT een realistisch plan voor de inrichting van de waterstofinfrastructuur te definiëren (bron: Klimaatakkoord 2019 en Gasunie). Gasunie is van plan een landelijk waterstofnetwerk aan te leggen voor alle industriële regio’s, bestaande uit hergebruikte aardgasleidingen en deels nieuwe infrastructuur. De doelstelling is dat deze vanaf 2025 al deels bruikbaar zijn. Gasunie schat dat zij in staat zijn om 85% van de bestaande aardgasleidingen te hergebruiken voor haar waterstofnetwerk (bron: Gasunie).
Momenteel is er dus een beperkte beschikbaarheid van groene waterstof in Nederland voor zowel particuliere en bedrijven. De overheid ziet waterstof een belangrijke rol vervullen in het halen van de klimaatdoelen. Ze zijn daarom bereid flink te investeren door middel van subsidies.
Wanneer de overheid rationeel samenwerkt met Gasunie en Tennet, zie ik toch wel fiducie in de spoedige opbouw van een landelijk waterstofnetwerk. Wanneer Gasunie daadwerkelijk instaat is 85% van de bestaande aardgasleidingen te hergebruiken kan dit misschien betaalbaar gebeuren. Het is dan belangrijk dat de grote industriële cluster worden aangesloten op deze zogenaamde waterstof back bone. Zodat ze gemakkelijk kunnen worden voorzien van de benodigde groene waterstof. Het lijkt mij wel onnodig om het gasnetwerk ook zo aan te passen, dat wij particulieren ook toegang hebben tot het waterstofnetwerk.
Mijn conclusie
Waterstof blijkt dus een multi-inzetbare energiedrager die voor veel verschillende applicaties geschikt is. Toch denk ik dat haar rol in de energietransitie zwaar overschat wordt. Waterstof is en zal nog lang een moeilijk handteerbare stof te zijn. Het heeft inderdaad een hoge energiedichtheid per kg, maar waterstof produceren, opslaan, transporten en weer om omzetten, zijn toch zeer energie inefficiënte processen. Veel van de startenergie gaat verloren. Er blijft ongeveer 30 tot 40% van de initiële duurzame elektriciteit over wanneer groene waterstof wordt gebruik om elektrische apparaten te voorzien van stroom. Dus je hebt ongeveer 2.5 tot 3 keer zoveel windenergie nodig om een elektrische auto op te laden met stroom van groene waterstof, dan wanneer je dit direct zou doen met duurzame stroom.
Het is dus veel logischer om duurzame energie direct te gebruiken in de plaats van waterstof te produceren. En inderdaad de capaciteit van het energienet is nu nog niet toereikend genoeg om alle potentiële windenergie te verspreiden door het net in Nederland, en de toenemende vraag aan te kunnen. Alleen de vraag en bouw van de windmolens zullen niet van vandaag op morgen gebeuren. Er is dus nog voldoende tijd om te investeren in het verzwaren van het net. Waterstof electrolysers zijn zeer dure installaties, dat geld kan beter besteed worden aan het structureel verzwaren van het energienet.
In 2021 was het 14 procent van alle geconsumeerde elektriciteit in Nederland duurzaam (Bron: CBS). Een klein deel van alle elektriciteit is dus nog maar duurzaam. Het zou daarom totaal niet logisch zijn, om van dit kleine deel waterstof te produceren. Want dan gaat er van die 14 procent nog eens 60 tot 70 procent verloren.
In mijn bescheiden mening moeten we elektrificatie en de productie van groene stroom de hoogste prioriteit geven. Vooral consumentenproducten en voorzieningen moeten worden voorzien van directe duurzame elektriciteit. Voor decarbonisatie van de zware industrie, met name thermische processen, is waterstof beter geschikt dan duurzame elektriciteit. Daarom zal waterstof vooral een rol moeten gaan spelen in deze sector. Echter moet deze industrie, in mijn mening, dan zelf de kosten voor de bouw van windmolens betalen, en niet de huidig opgewekte duurzame elektriciteit verbruiken hiervoor.