In dit artikel lees je wat waterstof is, welke soorten waterstofproductie er zijn en welke toepassingen er mogelijk zijn.
Wat is waterstof?
Waterstof is het lichtste element dat we kennen. Het staat helemaal links boven in het periodiek systeem, met atoomnummer 1, zie figuur 1. Het is een reactief atoom. Daarom vind je het op aarde alleen in verbinding met andere atomen. Als je twee waterstofatomen bij elkaar brengt reageren ze tot H2. Dat is een gas. Maar ook dat waterstofgas is erg reactief, het komt niet vrij voor op aarde. Het reageert bijvoorbeeld graag met zuurstof of met koolstof. De meest voorkomende vorm daarvan ken je vast: H2O oftewel water. Een andere verbindingsvorm ken je vermoedelijk ook: aardgas, dat grotendeels bestaat uit methaan (CH4). We gebruiken dat thuis bijvoorbeeld als brandstof voor onze verwarming. Methaan is een koolwaterstofverbinding. Ook aardolie en steenkool bestaan uit (lange) koolwaterstofketens. Van aardolie maken we weer brandstoffen zoals benzine, diesel en kerosine, maar ook kunststoffen als plastics.
Energiesysteem
Dat waterstof zo reactief is, maakt het interessant voor ons energiesysteem. Immers, daarvoor zoek je een brandstof met een hoge energiedichtheid die gemakkelijk (maar gecontroleerd) tot ontbranding te brengen is. Dat energiesysteem is nu nog vooral gebaseerd op het verbranden van aardgas, aardolie en steenkool. We noemen dat fossiele brandstoffen. Die hebben tal van voordelen, maar ook een heel belangrijk nadeel. Bij dat verbranden reageren de koolwaterstoffen met zuurstof. De waterstof wordt dan water (H2O) en de koolstof wordt kooldioxide (CO2). En daar zit het probleem.
Broeikasgas
Kooldioxide is een broeikasgas. Eenmaal in de atmosfeer werkt het als een soort warme deken om de aarde heen. We hebben de afgelopen honderdvijftig jaar zo enorm veel fossiele brandstoffen verbrand dat de hele aarde er langzaam door opwarmt. Dat levert grote problemen op, zoals zeespiegelstijging en verdroging van voedselproductiegebieden, om er maar een paar te noemen. Daarom is wereldwijd afgesproken om te gaan stoppen met het in de atmosfeer lozen van CO2 uit fossiele brandstoffen. Dat brengt ons weer terug bij waterstof, omdat bij verbranding van waterstof geen CO2 ontstaat. Wat nou als je puur waterstofgas zou kunnen maken, dus zonder die fossiele koolstof, en dat waterstofgas gebruikt als brandstof in het energiesysteem?
Verschillende ‘kleuren’ waterstofgas (H2)
Je kunt waterstofgas op verschillende manieren maken. Die productiemethoden geven we aan met een kleur, om ze makkelijk te kunnen onderscheiden. Zo hebben we het over grijze, blauwe en groene waterstof. De kleuren hebben niets te maken met de kleur van de waterstof zelf, die is bij alle vormen hetzelfde (waterstofgas is kleurloos).
a. Grijze waterstof
Je weet het wellicht niet, maar je gebruikt eigenlijk al heel veel waterstof. Alleen niet direct, het wórdt voor je gedaan. De industrie in Nederland gebruikt namelijk veel waterstof. We noemen dat grijze waterstof. Grijze waterstof wordt geproduceerd uit fossiele brandstof, in Nederland gebruiken we daarvoor aardgas (methaan). In chemische fabrieken wordt het methaan uit het aardgas gesplitst in waterstofgas en CO2. Het grootste deel van de CO2 wordt de atmosfeer in geblazen, het gaat om het waterstofgas.
De industrie in Nederland produceert bijvoorbeeld kunstmest. Bij die kunstmestproductie wordt waterstof gebruikt. Kunstmest wordt vervolgens gebruikt bij het verbouwen van jouw voedsel. Ook olieraffinaderijen gebruiken waterstof, als ze in de raffinaderij de lange koolwaterstofketens uit aardolie opknippen in de kortere ketens van benzine, diesel en kerosine. Dus als je in een auto rijdt die benzine gebruikt, of als er een vrachtauto spullen voor je vervoert, of als je in een vliegtuig stapt: steeds is er waterstof gebruikt om de benodigde brandstoffen te maken voor de auto, de vrachtauto of het vliegtuig. Tot nu toe is dat grijze waterstof, dus geproduceerd uit fossiele brandstof, waarbij de CO2 de atmosfeer in wordt geblazen.
b. Blauwe waterstof
Je kunt de CO2 die bij de productie van grijze waterstof uit de schoorsteen komt afvangen en daarna ondergronds opslaan, bijvoorbeeld in een leeg aardgasveld. Als je die CO2 netjes afvangt en opslaat komt er dus geen fossiele CO2 in de atmosfeer. We noemen de waterstof die zo wordt geproduceerd dan blauwe waterstof. Wel gebaseerd op een fossiele brandstof dus, net als grijze waterstof, maar zonder het klimaatprobleem van fossiele brandstoffen, omdat er bij de productie (bijna) geen CO2 meer in de atmosfeer wordt geblazen.
Meer uitleg over blauwe waterstof vind je hier.
Het simpele verhaal bij blauwe waterstof is dat het grijze waterstof is (dus gemaakt uit een fossiele brandstof), waarbij de CO2 die daarbij vrijkomt wordt afgevangen bij de schoorsteen, en daarna ondergronds wordt opgeslagen in bijvoorbeeld een leeg aardgasveld. Klimaatneutrale waterstof dus. In werkelijkheid wordt bij ‘blauwe waterstof’ weliswaar het grootste deel (meer dan 90%) van de geproduceerde CO2 afgevangen, maar niet alles. De reden is dat het afvangen van CO2 kosten met zich meebrengt. Hoeveel er precies wordt afgevangen is afhankelijk van de kosten van die CO2-afvangtechnieken én van de kosten die de overheid bij industrieën in rekening brengt voor het in de atmosfeer lozen van CO2.
c. Groene waterstof
Je kunt ook waterstof maken uit water, simpelweg door de chemische reactie om te keren waarbij dat water ooit is ontstaan uit twee atomen waterstof en 1 atoom zuurstof. Dat kan door twee elektrodes in een bekerglas met water te hangen en daar een elektrische spanning op te zetten. Dan ontstaat aan de ene elektrode waterstofgas (H2) en aan de andere zuurstofgas (O2). Als je daarvoor elektriciteit uit een duurzame bron gebruikt, zoals uit windenergie of zonne-energie, dan noemen we dat groene waterstof. En dat doe je dan niet in een bekerglas, maar op heel grote schaal in een fabriek voor groene waterstof. Het principe blijft echter hetzelfde. Zoals bij alle energie-omzettingen is ook deze omzetting niet 100%, ongeveer 40% van de energie van de elektriciteit komt bij dit proces vrij als warmte en niet als waterstof. Dit noemen we conversieverliezen. Er wordt veel onderzoek uitgevoerd om de conversieverliezen te verminderen.
Waarvoor wordt waterstof gebruikt, nu en in de toekomst?
Waterstof wordt nu dus vooral gebruikt voor productie van kunstmest en in olieraffinaderijen. Ook bij de productie van biobrandstoffen zoals biodiesel wordt waterstof gebruikt, om dezelfde reden als bij aardolieraffinage: langere koolwaterstofketens worden daarbij opgeknipt in kortere. Hieronder staat uitgelegd waarvoor waterstof in de toekomst óók gebruikt kan gaan worden.
a. Energieopslag
Waterstof is een goede kandidaat om een belangrijke rol te spelen in de toekomstige klimaatneutrale energie- en grondstofvoorziening. De wereldwijde afspraak is dat dat energiesysteem in 2050 nagenoeg klimaatneutraal is. Een deel van die energievoorziening kan met duurzame elektriciteit, uit bijvoorbeeld wind- en zonne-energie. Omdat het niet altijd waait en de zon niet altijd schijnt, op de momenten dat elektriciteit nodig is, is er ook opslag nodig. Batterijen en accu’s zijn voorbeelden van elektriciteitsopslag. Elektriciteit laat zich echter slecht opslaan in heel grote hoeveelheden en gedurende lange tijd (maanden). Hier kan waterstof een rol gaan spelen. Bij waterstof is opslag een stuk makkelijker. Dat kan bijvoorbeeld door waterstofgas op te slaan in gastanks, of door het waterstofgas heel koud te maken waardoor het vloeibaar wordt en het dan op te slaan als vloeistof. Ook kan het waterstofgas ondergronds worden opgeslagen. In perioden dat er weinig wind en zon is, maar wel elektriciteitsvraag, kan de waterstof weer worden omgezet in elektriciteit.
b. Brandstof
Verder is er een rol mogelijk voor waterstof wanneer elektriciteit als energiedrager geen optie is. Denk bijvoorbeeld aan de intercontinentale scheepvaart en luchtvaart. Die gaan geen elektriciteit ‘tanken’. De kolossale accu’s die daarvoor nodig zouden zijn, zijn veel te zwaar en te groot, en het ‘tanken’ duurt veel te lang. Waterstof kan wel als brandstof worden gebruikt. Hetzelfde geldt voor hoge-temperatuurprocessen in de industrie, en zelfs voor het verwarmen van gebouwen. Bedenk daarbij bijvoorbeeld ook dat de omvang van het transport van aardgas in onze binnenlandse energienetten tien keer zo groot is als het transport van elektriciteit. Een gas als energiedrager laat zich gemakkelijker en tegen lagere kosten vervoeren – en opslaan - dan elektriciteit.
Er zijn een paar locaties in Nederland waar auto's waterstof kunnen tanken. In figuur 2 en 3 zie je enkele van de eerste waterstoftankstations.
c. Transport van energie over de wereld
Ook kan de energiedrager waterstof goed wereldwijd getransporteerd worden. Nu worden de fossiele energiedragers aardolie, steenkool en aardgas op grote schaal over de wereld getransporteerd, met schepen en met leidingen. De reden is dat de plekken waar die fossiele energiedragers op de wereld in de aardkorst voorkomen niet dezelfde plekken zijn als waar ze worden gebruikt. In de periode tussen nu en 2050 is de verwachting dat die rol vervangen wordt door transport van waterstof, of van ‘waterstofdragers’ zoals bijvoorbeeld ammoniak of methanol. Je kunt je voorstellen dat die waterstof bijvoorbeeld wordt geproduceerd in het Midden-Oosten met grote zonnecelcentrales in de woestijnen en dat die waterstof vervolgens met schepen over de wereld wordt vervoerd, net zoals nu gebeurt met aardolie. Dat klinkt wellicht als een heel verre toekomst, maar dat is het niet. Japan en Australië hebben er bijvoorbeeld al afspraken over gemaakt en ook de Nederlandse havenbedrijven zijn daar mee bezig.
d. Grondstof industrie
Naast die verschillende rollen in het energiesysteem zal waterstof ook worden ingezet als grondstof. Naast gebruik in de chemische industrie is een belangrijke daarvan ook de productie van staal. Voor de productie van staal uit ijzererts wordt nu koolstof uit steenkool gebruikt als chemische ‘reductor’. In de toekomst kan dat ook met waterstof, de eerste proeffabrieken worden inmiddels gebouwd.
Hoe zeker is de toekomst?
Hoeveel groene en blauwe waterstof we uiteindelijk gaan gebruiken, voor welke toepassingen, waar en hoe het precies wordt geproduceerd en in welke vorm het wordt getransporteerd, dat weten we allemaal nog niet precies. Het hangt af van de prijs van waterstof, van hoe serieus de wereld het klimaatprobleem van fossiele brandstoffen gaat aanpakken en ook van de kostprijs van alternatieven. Waterstof is immers wel een oplossing, maar niet de enige oplossing. Wetenschappers en beleidsmakers verwerken dat soort onzekerheden in scenario’s. Die scenario’s laten zien dat waterstof een serieuze kanshebber is om de bovengeschetste rollen te gaan vervullen. Om waterstof die rollen te laten vervullen is er wel overheidsbeleid nodig, zodat de ketens (productie – infrastructuur – gebruik) tot wasdom komen en het kip-eiprobleem wordt opgelost. Het is een kip-eiprobleem, omdat de vraag niet tot stand komt als er geen zekerheid is dat er voldoende productie is en wat de prijs wordt. Maar die investeringen in productie - en infrastructuur – worden pas gedaan als er voldoende zekerheid is over de vraag.
Wat zijn de voor- of nadelen van gebruik van waterstof?
De belangrijkste voordelen van waterstof zijn dat er bij verbranding geen CO2 vrijkomt en dat het – ten opzichte van elektriciteit - gemakkelijk en tegen lage kosten kan worden getransporteerd en opgeslagen.
De belangrijkste nadelen zijn:
- Waterstof komt niet vrij voor in de natuur, maar moet worden geproduceerd. Hierbij treden altijd conversieverliezen op.
- Het waterstofsysteem nog moet worden opgebouwd (kip-eiprobleem).
- Waterstof scoort weliswaar goed op kosten als energiedrager in een klimaatneutrale toekomst, maar die kosten liggen wel hoger dan de productiekosten van de huidige fossiele energiedragers.
Laten we over 5 jaar en over 10 jaar de vraag aan het begin nog eens stellen: hoeveel waterstof gebruik jij eigenlijk, gemiddeld op een dag? Ben benieuwd of je het antwoord dan weet, en wat dat antwoord dan is!
