Waterstof

Meisje Vader Muur (2)
In het verduurzamen van de energievoorziening in Nederland kan waterstof een belangrijke rol gaan spelen. Waterstof is geen energiebron, maar kan een energiedrager zijn: een stof waarin energie is opgeslagen, die bij verbranding weer vrijkomt. Milieu Centraal legt uit wat waterstof is, zet de voor- en nadelen op een rij en beschrijft welke rol het in de toekomst kan spelen.

Waterstof (met als scheikundige afkorting H2) is een geurloos en kleurloos gas. Om waterstof te gebruiken, het moet altijd eerst gemaakt worden. Daarbij wordt energie opgenomen in de waterstof. Het is een stof die energie kan herbergen: een energiedrager. Geen enkele stof kan per kilogram meer energie bevatten dan waterstof. Bij verbranding geeft waterstof de energie vrij en kan deze gebruikt worden.

Naast energiedrager wordt waterstof gebruikt als bouwsteen in de industrie. Het wordt dan gebruikt om andere stoffen mee te maken. Ammoniak bijvoorbeeld, waarmee vervolgens kunstmest wordt gemaakt. Op dit moment gebruiken we in Nederland waterstof vooral in de industrie en nog weinig als energiedrager. Lees meer over het gebruik van waterstof.

De productie van waterstof

Waterstof kan niet uit de natuur gewonnen worden, zoals aardgas of – olie. Het moet altijd eerst gemaakt worden. Daar zijn verschillende manieren voor. Om waterstof te maken is een grondstof nodig, bijvoorbeeld aardgas of water. In combinatie met energie (bijvoorbeeld aardgas of elektriciteit) kan waterstof worden gemaakt.

Welke manier en welke energie er ook wordt gebruikt om waterstof te maken, het resultaat is altijd hetzelfde: een kleurloos en geurloos gas. Toch wordt er gesproken over groene, grijze en blauwe waterstof. Die kleurbenamingen zeggen niets over de waterstof zelf, maar zeggen iets over het soort energie waarmee de waterstof is gemaakt.

De productiewijzen van waterstof in het kort

Grijze waterstof

Vrijwel alle waterstof die in Nederland wordt gemaakt is grijs. Dat betekent dat er bij de productie CO2 vrijkomt, die in de atmosfeer terecht komt. Het wordt gemaakt met fossiele brandstoffen.

In Nederland wordt ongeveer 80 procent van de geproduceerde waterstof gemaakt uit aardgas. Het voordeel van deze methode is dat het goedkoop is. Ook kan er in korte tijd relatief veel waterstof worden geproduceerd. De overige 20 procent van de in Nederland geproduceerde waterstof ontstaat als bijproduct in de chemische industrie.

Een nadeel is dat met aardgas gemaakte waterstof voor een heel klein deel verontreinigingen bevat. Dat is voor gebruik in de industrie geen probleem, maar voor gebruik in een waterstofauto moet de grijze waterstof extra gezuiverd worden. 

Groene waterstof

Om groene waterstof te produceren is een duurzame energiebron nodig, zoals wind- of zonne-energie of waterkracht. Met deze groene elektriciteit kan groene waterstof gemaakt worden. De methode om met behulp van elektriciteit water om te zetten in waterstof, heet elektrolyse.

Bij de productie van waterstof via , wordt elektriciteit gebruikt om water te splitsen. Die splitsing vindt plaats in een elektrochemische cel. Daarin wordt water met behulp van elektrische lading omgezet in waterstof en zuurstof. Er komt geen CO2 vrij bij dit proces. 

De kosten van het produceren van groene waterstof liggen op dit moment hoger dan waterstof geproduceerd uit aardgas.

In Nederland wordt op dit moment op zeer kleine schaal groene waterstof gemaakt. Dit gebeurt bijvoorbeeld in een installatie in Zuidwending in de provincie Groningen. De elektrische energie voor deze waterstof komt van zonnepanelen. Er zijn meer projecten aangekondigd waarbij groene waterstof gemaakt gaat worden. Lees meer over de toekomst van waterstof.

Waterstof met het stroomnet: een mengvorm

Als je dat doet met stroom uit het huidige energienet, is het resultaat een mengvorm van groen-grijze waterstof. Het elektriciteitsnet in Nederland bevat namelijk stroom uit zowel fossiele bronnen als uit duurzame bronnen. De waterstof die op deze manier ontstaat is dus niet volledig grijs of groen. Er komt bij de productie van deze soort waterstof dus wel CO2 vrij, namelijk bij het opwekken van grijze stroom.

Het is niet verstandig om bijvoorbeeld aardgas eerst in elektriciteit om te zetten en er daarna waterstof mee te produceren. Door de extra tussenstap gaat energie verloren, waardoor de opbrengst aan energie lager is dan wanneer aardgas direct wordt gebruikt om waterstof te maken.

Blauwe waterstof

Als de CO2 die vrijkomt bij de productie van grijze waterstof niet in de lucht terecht komt, maar wordt opgeslagen of gebruikt, spreken we van blauwe waterstof. Het opslaan van CO2 kan bijvoorbeeld gebeuren in een leeg gasveld. Lees meer over het opslaan van CO2. In tuinbouwkassen kan CO2 worden gebruikt als grondstof. Doordat de CO2 niet in de atmosfeer terecht komt, draagt het niet bij aan de opwarming van de aarde.

Om de CO2 op te slaan en te transporteren is energie nodig, waardoor de opbrengst van de waterstofproductie als geheel lager wordt. Ook ontsnapt een deel van de CO2 vaak wel: zo’n 10 procent komt alsnog in de lucht terecht. Het is een dure techniek, die in Nederland nog niet wordt toegepast. Er worden in Nederland wel verschillende mogelijkheden voor opslag en gebruik van de CO2 onderzocht.

Bron van discussie

Rondom blauwe waterstof bestaat veel discussie. Blauwe waterstof is in feite grijze waterstof, voor de productie wordt nog altijd aardgas gebruikt. Het is daarom geen duurzame oplossing. Van grijze waterstof blauwe waterstof maken door het afvangen en opslaan van CO2 kan op korte termijn wel bijdragen aan het behalen van klimaatdoelstellingen. Het wordt gezien als tussenoplossing op weg naar groene waterstof, waarvoor nu nog te weinig groene stroom beschikbaar is. Blauwe waterstof-productie is op dit moment bovendien goedkoper dan de productie van groene waterstof.

Geld steken in de productie van blauwe waterstof wordt door sommige mensen gezien als een rem op de ontwikkeling van groene waterstof. Bij de productie van groene waterstof komt geen CO2 vrij en bovendien is het hernieuwbaar, in tegenstelling tot blauwe waterstof.

Er zijn verschillende technieken om dit te doen. De twee meest voorkomende zijn Alkaline Elektrolyse (AE) en Proton Exchange Membrane (PEM).

Opslag van waterstof

Waterstof is goed op te slaan over lange tijd. Het verliest weinig energie, minder dan wanneer energie voor lange tijd in een batterij wordt opgeslagen. Dat maakt het opslaan van waterstof interessant voor seizoensopslag: het voor langere periodes opslaan van waterstof die gemaakt is in tijden van een overschot aan energie, voor een periode waarin een gebrek aan energie is. Door waterstof in de toekomst op te slaan in lege zoutkoepels of gasvelden, kan op die manier een energiebuffer worden opgeslagen.

Opslag onder hoge druk

Waterstof is een gas met een heel lage dichtheid. Een kilo waterstof neemt daardoor erg veel ruimte in. Door waterstof onder hoge druk (700 bar) te brengen, kan de stof in kleinere ruimtes worden opgeslagen. Het kan ook vloeibaar worden opgeslagen. Waterstof wordt vloeibaar door het af te koelen tot extreem koude temperatuur (-253 °C). Er past bijna twee keer zoveel vloeibare waterstof in een opslagvat dan gasvormige waterstof. Omdat het vloeibaar maken van waterstof erg veel energie kost, wordt dit bijna nooit gedaan. Het maken van vloeibaar waterstof zorgt voor 10% meer CO2-uitstoot dan het gebruik van waterstof als gas.

De voor- en nadelen van waterstof

Waterstof heeft zowel voor- als nadelen. De voordelen van waterstof zijn:

  • Waterstof kan erg veel energie opslaan, meer dan elke andere stof op aarde.
  • Het kan worden opgeslagen in bijvoorbeeld lege aardgasvelden of zoutkoepels. Dit is beter dan opslag van energie in batterijen of accu’s, omdat de opslag van waterstof voor minder energie verlies zorgt.
  • De opslag van waterstof zorgt ervoor dat het een buffer voor het elektriciteitsnet kan vormen. Op momenten dat het aanbod groene energie uit zonne- of windenergie laag is, kan opgeslagen waterstof worden ingezet om aan de elektriciteitsvraag te voldoen.
  • Waterstof is goed te vervoeren, waardoor het importeren van duurzame elektriciteit in de vorm van groene waterstof mogelijk is. Het kan bovendien gebruikt worden in het bestaande gasnet.
  • Het kan vrachtauto’s en ander zwaar vervoer verduurzamen.
  • Waterstof kan worden gebruikt om huizen die niet goed te isoleren zijn duurzaam te verwarmen.
  • Groene waterstof kan processen in de (chemische) industrie verduurzamen.

De nadelen van waterstof zijn:

  • Bij het maken van waterstof gaat energie verloren. Bij het omzetten van elektriciteit in waterstof gaat zo’n 25 procent van de energie verloren. Ook bij het omzetten van waterstof naar elektriciteit is er sprake van energieverlies: zo’n 40 procent.
  • Groene waterstof is duurzaam, maar de productie is erg duur, kost veel tijd en is ingewikkeld. Grijze waterstof is makkelijker te maken, maar niet duurzaam.
  • Het aanleggen van een goede infrastructuur voor waterstof (bijvoorbeeld het aanpassen van het bestaande gasnet) kost veel geld. Voor andere alternatieven, zoals groen gas, zijn zulke dure aanpassingen niet nodig.
  • Er is op dit moment een zeer klein aanbod van groene waterstof. Een belangrijk discussiepunt is hoe dat gebruikt gaat worden. Niet voor elke toepassing zal genoeg duurzame waterstof beschikbaar zijn.

Hoe veilig is waterstof?

Net zoals bij alle brandstoffen, brengt het gebruik van waterstof risico’s met zich mee. Om die risico’s in te perken zijn verschillende veiligheidssystemen nodig. Een aantal van de risico’s van waterstof zijn:

  • Waterstof is moeilijk waar te nemen, omdat het kleurloos en geurloos is. Het kan zich daarom ongemerkt ophopen in ruimtes.
  • Waterstof kan ontbranden bij kleine hoeveelheden in de lucht.
  • Er is weinig energie nodig om waterstof te laten ontbranden.
  • Waterstof kan erg veel energie bevatten, waardoor een explosie erg krachtig kan zijn.
  • In tanks wordt waterstof opgeslagen onder hoge druk, wat ook risico’s met zich meebrengt. 

In de industrie wordt waterstof al lang gebruikt en is veel kennis over veiligheid. Deze kennis kan gebruikt worden om het gebruik van waterstof in bijvoorbeeld vervoer of woningen veiliger te maken. Verschillende partijen werken samen aan een Waterstof Veiligheid Innovatie Programma (WVIP) waarin duidelijke regels en voorschriften worden vastgelegd voor het gebruik van waterstof. De verwachting is dat waterstof dan ook in de maatschappij veilig gebruikt kan worden.

Hoe wordt waterstof nu gebruikt?

In Nederland wordt zo’n 10 miljard kubieke meter waterstof per jaar geproduceerd. Hiervan wordt 80% gemaakt van aardgas (grijze waterstof), wat zorgt voor zo’n  De overige 20 procent van de waterstof ontstaat als bijproduct in de chemische industrie.

Waterstof wordt in Nederland vooral als grondstof voor chemische stoffen gebruikt. Het grootste gedeelte voor het maken van ammoniak (37%), waarvan onder andere kunstmest wordt gemaakt. Waterstof wordt ook gebruikt bij de raffinage van aardolie.

Waterstof is ook te gebruiken als brandstof in waterstofauto’s, maar dat gebeurt nog op kleine schaal.

Dat is evenveel CO2 als de jaarlijkse CO2-uitstoot van alle Nederlandse huishoudens door het gebruik van elektriciteit in huis (cijfers 2018).

De toekomst van waterstof

Op dit moment is vrijwel alle waterstof die in Nederland wordt geproduceerd grijs. In de toekomst is de verwachting dat er meer blauwe en groene waterstof bij komt. Groene waterstof is op dit moment nog duur, maar de verwachting is dat de prijs zal dalen zodra er meer gemaakt wordt. Het is de vraag of er op korte termijn genoeg groene stroom is om groene waterstof te kunnen

Blauwe waterstof kan een tussenoplossing vormen. Het afvangen en opslaan van CO2 die vrijkomt bij de productie van grijze waterstof, kan ervoor zorgen dat klimaatdoelen op minder lange termijn gehaald worden. Er zijn ook mensen die investeren in blauwe waterstof een slechte stap vinden: het geld kan volgens hen beter geïnvesteerd worden in productie van groene waterstof. Bovendien is voor de productie van blauwe waterstof nog altijd aardgas nodig. Het is belangrijk dat er zuinig omgegaan moet worden met waterstof. Als er geschikte alternatieven bestaan, hebben die de voorkeur boven waterstof. Bij de keuze tussen elektriciteit of waterstof, is elektrisch veelal de beste keuze.

Hieronder worden 4 toepassingen beschreven waarin waterstof in de toekomst mogelijk een rol kan gaan spelen.

Waterstof in vervoer

Op dit moment zijn er al auto’s die rijden op waterstof te koop. Waterstofauto’s stoten net als batterij-elektrische auto’s tijdens het rijden geen CO2 . Bij de productie van de benodigde waterstof en elektriciteit kan wel CO2 worden uitgestoten. Een elektrische auto gaat veel efficiënter om met energie. Om hetzelfde aantal kilometers te rijden als een elektrische auto heeft een waterstofauto drie keer zoveel energie nodig. 

Op dit moment kunnen waterstofauto’s op één tank nog verder rijden dan de meeste elektrische auto’s. De ontwikkeling van elektrische auto’s met batterij gaat de laatste jaren erg hard. De verwachting is dat het voordeel van een groter bereik voor de waterstofauto in de nabije toekomst wegvalt.

Daarnaast ligt de nieuwprijs van waterstofauto’s op dit moment een stuk hoger dan die van elektrische auto’s. Ook de gebruikskosten van een waterstofauto – voor onderhoud en tanken – liggen hoger dan die bij elektrische auto’s. Het opladen van een elektrische auto op batterij is goedkoper dan het tanken van waterstof. Daarnaast kan waterstof op slechts enkele plekken in Nederland getankt worden, terwijl er door het hele land oplaadpalen voor elektrische auto’s te vinden zijn. De verwachting is dat waterstof voor personenauto’s geen grote rol gaat spelen. Lees meer over waterstofauto's en elektrische auto’s.

Waterstof kan wel een belangrijke rol gaan spelen in de aandrijving en verduurzaming van vrachtauto’s, treinen of bussen. Omdat deze voertuigen groot en erg zwaar zijn, zouden ze een veel grotere batterij nodig hebben dan een personenauto. Zeker in de transportsector, waar de afstanden vaak erg groot zijn. Omdat de afstanden die vrachtauto’s rijden te kunnen dekken met een batterij, zou zo’n grote en zware batterij nodig zijn dat het niet rendabel is. Waterstof is dan een geschikt alternatief. Een andere mogelijkheid is dat accu's zo snel verbeteren dat deze alsnog worden ingezet bij dit soort vervoer.

In de scheepvaart en het vliegverkeer speelt waterstof op dit moment nog geen rol. In de toekomst kan waterstof daar wel een rol gaan spelen. Zo kan waterstof worden gebruikt om synthetische kerosine te maken, wat voor het vliegverkeer kan worden gebruikt.

Waterstof in woningen en andere gebouwen

In het klimaatakkoord is afgesproken dat woningen in Nederland duurzamer moeten worden. Dat betekent verwarmd met duurzame warmte (zoals met een warmtepomp of een warmtenet). Duurzaam verwarmen gebeurt op lage temperatuur, waarvoor huizen goed geïsoleerd moeten zijn. Waterstof kan een rol spelen bij duurzame verwarming. Gezien de schaarste van waterstof is dat alleen een verstandige keuze, wanneer er geen enkel alternatief is. 

Door waterstof om te zetten in elektriciteit, kan het een duurzame manier vormen om een warmtepomp te laten werken. Bij het omzetten van waterstof naar elektriciteit ontstaat energieverlies. Omdat een warmtepomp een veel hoger rendement haalt dan een HR-ketel, wordt dat energieverlies gecompenseerd.

Niet alle gebouwen kunnen goed genoeg geïsoleerd worden om op lage temperatuur verwarmd te worden. Historische panden in binnensteden bijvoorbeeld. Ook daarvoor kan waterstof uitkomst bieden. In dat geval kan de waterstof worden verbrand in een ketel. Daarbij komt veel warmte vrij, waardoor ook slecht geïsoleerde huizen goed verwarmd kunnen worden. In dat geval bestaat ook de mogelijkheid om het in het aardgasnet wat al aanwezig is bij te mengen. Er zijn verwarmingsketels die dat aankunnen.

Eind 2020 zijn er een aantal proefprojecten voor waterstof in woningen en gebouwen in Nederland.

Waterstof voor het elektriciteitsnet

Waterstof is te maken met elektriciteit en met behulp van brandstofcellen weer terug om te zetten in elektriciteit. Dat biedt kansen voor de toekomst. Waterstof kan langdurig opgeslagen worden in bijvoorbeeld lege aardgasvelden en zoutkoepels. Daarom kan waterstof een aanvulling zijn op het gebruik van zonne- en windenergie. Wanneer er tekorten ontstaan, bijvoorbeeld in de winter, kan de voorraad waterstof worden gebruikt om het elektriciteitsnet aan te vullen. Wanneer er een overschot aan zonne-energie is, bijvoorbeeld in de zomer, kan die juist worden opgeslagen in waterstof.

De vraag is of het financieel interessant is om alleen groene waterstof te produceren op momenten dat er zon- en windoverschotten zijn. De productie van groene waterstof is het goedkoopst als de installatie in een jaar tijd zoveel mogelijk uren kan draaien. Als zo’n installatie alleen draait op het moment dat er een overschot aan zonne- of windenergie is, wordt de waterstof veel duurder.

Omdat waterstof goed opgeslagen én vervoerd kan worden, is het een energiedrager die de import van groene energie mogelijk maakt. Omdat Nederland een klein en dichtbevolkt land is, is het lastig om alle energie in ons eigen land duurzaam op te wekken. Het importeren van groene (of blauwe) waterstof kan dan uitkomst bieden.

Waterstof in de industrie

Op dit moment wordt waterstof vooral gebruik in de industrie, niet als energiedrager maar als grondstof voor chemische producten. De verwachting is dat waterstof ook als energiedrager een grotere rol gaat spelen.

Grondstoffen en producten waarbij tijdens de productie waterstof wordt gebruikt kunnen met blauwe of groene waterstof verduurzaamd worden. Zo kunnen sommige stoffen met minder of zelfs zonder CO2-uitstoot geproduceerd worden. Ook kan waterstof gebruikt worden voor productieprocessen waar hoge temperaturen voor nodig zijn. Daar wordt nu nog steenkool of aardgas voor gebruikt. Met andere duurzame verwarmingsmethodes zijn die hoge temperaturen niet of nauwelijks te bereiken. Waterstof kan een schoon alternatief zijn.

Een waterstofauto heet ook wel een Hydrogen Fuel Cell Elecric Vehicle (FCEV). Een elektrische auto met batterij is in vaktermen een Battery Electric Vehicle (BEV). Milieu Centraal gebruikt de term elektrische auto voor een auto die werkt op een batterij en de term waterstofauto voor een auto die rijdt op waterstof.

Het aandeel groene stroom was in 2019 18% van het elektriciteitsaanbod in Nederland. In het klimaatakkoord is afgesproken dat in 2030 70% van alle stroom uit hernieuwbare bronnen komt. De productie van groene stroom zal dus jaarlijks met 15% moeten blijven stijgen om aan de 2030 ambitie te voldoen. Wanneer groene stroom gebruikt gaat worden voor de productie van groene waterstof wordt het moeilijker om deze doelstelling te halen.