Waterstof kun je maken uit water en is een heel geschikte energiedrager. Als je waterstof gebruikt voor transport of industrie, komt daar geen kooldioxide bij vrij. Om waterstof te maken heb je wel elektriciteit nodig. Maar als je hiervoor duurzaam opgewekte elektriciteit gebruikt, dan is waterstof een heel schone brandstof.
Waterstof maak je door elektrische stroom door schoon water te leiden: dat heet elektrolyse. Je kunt waterstof opslaan en gebruiken voor zeer veel doelen. Er zijn bijvoorbeeld veel toepassingen in de industrie, en voor transport (vrachtwagens, treinen, auto’s, zelfs vliegtuigen). Waterstof kan getransporteerd worden met tankerschepen die nu nog vloeibaar aardgas vervoeren (LNG), of via pijpleidingen over duizenden kilometers lang.
Op dit moment wordt waterstof, H2, toegepast in de industrie, maar dat is waterstof die gemaakt is via fossiele brandstoffen. En daar willen we juist vanaf. Dit noem je grijze waterstof. Ook is er soms sprake van blauwe waterstof. Dat is grijze waterstof, waarbij de uitstoot van CO2 onder de grond wordt opgeslagen. Maar in dit verhaal gaat het om groene waterstof, die is gemaakt met energie uit schone, duurzame energiebronnen.
Waarom waterstof?
Het gebruik van waterstof heeft veel voordelen:
· Het is een energiedrager zoals olie of aardgas, maar bij verbranding ontstaat er uitsluitend schoon water.
· Het is geschikt voor tijdelijke opslag van energie.
· Het kan voor vele doelen gebruikt worden, bijvoorbeeld voor auto’s en schepen, en als grondstof in de industrie.
· Het laat zich goed transporteren over duizenden kilometers.
Hoe maak je groene waterstof van elektriciteit?
Het principe om uit water waterstof te maken, is al meer dan een eeuw bekend. Laat een elektrische gelijkstroom lopen door een bakje water, en de watermoleculen splitsen in waterstof en zuurstof. Bijvoorbeeld in het toestel van Hofmann, zie de tekening in figuur 1. Dat proces heet elektrolyse. Het wordt tegenwoordig in het groot toegepast met zogenaamde elektrolysers van bijvoorbeeld 50 MW. Door er een aantal op een rij te plaatsen (foto in figuur 1) kan op grote schaal waterstofgas gewonnen worden. Op de Maasvlakte bij Rotterdam wordt op dit moment een waterstoffabriek gebouwd die een deel van de elektrische stroom van de windparken op de Noordzee om zal zetten in groene waterstof. Men verwacht dagelijks 60.000 kilogram waterstof te kunnen maken via elektrolysers van 200 MW. Op dit moment wordt veel onderzoek gedaan om het rendement van deze omzetting nog hoger te krijgen.
Toepassingen waterstof
Groene waterstof kan op een groot aantal manieren gebruikt worden. Hieronder noemen we er een paar. Te beginnen met de toepassingen die het meest veelbelovend zijn voor het hoofddoel: het terugdringen van de uitstoot van CO2.
Industrie
Bij de staalproductie in de hoogovens in IJmuiden (Tata Steel) wordt nu nog veelal met kolen gewerkt. Waterstof kan daar echter gebruikt worden om direct het ruwe ijzererts (FeO2) te reduceren tot ijzer (Fe). Dat levert een grote besparing op. Bij dit proces komt alleen water vrij. Onder grote druk van het Nederlandse parlement heeft Tata Steel beloofd dit te gaan doen, en ook in de omringende landen zijn die plannen er. Ook in de kunstmestproductie, en bij andere grote bedrijven zoals Yara in Zeeuws-Vlaanderen, kan veel CO2-uitstoot vermeden worden. Ook hier wordt waterstof ingezet als grondstof.
Transportsector
Motoren op benzine en diesel kunnen vervangen worden door brandstofcellen. In een brandstofcel, of fuel cell (zie figuur 2) wordt waterstof op een speciale manier verbrand met zuurstof uit de lucht. Je kunt ook dit filmpje YouTube bekijken. Deze verbranding levert direct e lektriciteit op waarmee je een elektromotor kunt laten draaien. Het enige dat uit de uitlaat komt is zuiver water. Een auto op waterstof is dus een elektrische auto, maar zonder accu’s. De bezwaren van de huidige grote aantallen accu’s vervallen hier dus.
In Nederland rijden nu ruim 500 personenauto’s op waterstof. Er zijn op dit moment, in 2024, zeventien waterstoftankstations, maar men werkt hard aan uitbreiding. De waterstoftank van de auto biedt ruimte aan bijvoorbeeld 6 kilo (men rekent hier in kilo’s, niet in liters), de energiedichtheid van waterstof is groter dan die van benzine. Een kilogram is voldoende voor ongeveer 100 kilometer. De druk in de tank is zo’n 700 bar. Het tanken onderweg is snel gebeurd, in tegenstelling tot het laden van de elektrische auto’s die op accu’s rijden. Voor de snellaadstations voor accu-auto’s zijn bovendien zware elektriciteitskabels nodig, en extra uitbreiding van het elektriciteitsnet. Waterstof is een heel geschikt medium voor opslag van energie. Dus bij de tankstations komt er in de toekomst in plaats van een vrachtwagen met benzine en diesel, een vrachtwagen langs met waterstof.
Hier zie je een interview met professor Ad van Wijk over autorijden.
Veiligheid
Vaak vragen mensen zich af: is waterstof wel veilig, het is toch super-brandbaar? Oudere mensen hebben vaak nog de zeppelin-luchtschepen voor ogen, die ook gevuld waren met waterstof, en waarmee grote ongelukken zijn gebeurd. De huidige technieken zijn anders. In dit filmpje op YouTube is de brandbaarheid getest van een auto op waterstof naast die op benzine. Let op wat er te zien is na 3, na 60, en 90 seconden. Het blijkt dat de benzineauto na een paar minuten totaal uitgebrand, terwijl van de waterstofauto vrijwel alleen de tank kapot is.
Zwaar transport
Diesel is veel vervuilender dan benzine dus is het slim om de beschikbare groene waterstof in de toekomst eerst te gebruiken bij schepen, vrachtwagens, bussen en treinen die nu nog op diesel werken. In de wat verdere toekomst gaan ook vliegtuigen over op waterstof. Volgens vliegtuigbouwer Airbus kan dat vanaf 2028. Zie ook figuur 3.
Bestaand gasnet
Ten slotte het idee dat waterstofgas gebruikt kan worden in huis: ‘waterstof als het nieuwe aardgas’. In principe kan dat. Het enorm uitgebreide gasnet van Nederland kan grotendeels omgebouwd worden om waterstof te transporteren, en de verwarmingsketel thuis zou kunnen branden op waterstofgas. Maar om verschillende redenen is het op dit moment verstandiger om, als groene waterstof ruim beschikbaar gaat komen, allereerst in te zetten in industrie en transport.
Transport van waterstof
Hoe krijg je waterstof dat in de nabije toekomst geproduceerd wordt door de windmolenparken in de Noordzee naar het vasteland? Om waterstof over relatief kleine afstanden (100 kilometer) te transporteren naar het vaste land, wil men bestaande pijpleidingen gebruiken of soms nieuwe aanleggen. Zie figuur 4. Het plan is om waterstof door een dikke pijpleiding direct vanuit de windmolenparken naar het vasteland te transporteren, waar het vervolgens verspreid wordt naar industrie en consumenten.
Transport over grote afstanden
De ontwikkelingen gaan snel. Tegen 2030 zal er in de wereld grote vraag zijn naar groene waterstof. Er zijn twee manieren van transport over lange afstand: via schepen of via pijplijnen, zie figuur 5.
Schepen
Direct transporteren in vloeibare vorm per schip is te lastig. Je zou het moeten koelen tot - 253 oC (!), want het kookpunt van waterstof is 20 Kelvin. Daarom is een tussenstap bedacht. H2 kan omgezet worden door het te binden met stikstof uit de lucht tot NH3 (ammoniak). Ammoniak heeft een kookpunt van - 33 0C, en kan in vloeibare vorm goed getransporteerd worden. Dat kan met de bestaande tankervloot van ruim honderd schepen, die nu voortdurend LPG (vloeibaar fossiel gas) over de aardbol vervoert.
Eenmaal aangekomen in de haven van bestemming, bijvoorbeeld Rotterdam of Eemshaven, kan NH3 weer omgezet worden in H2. Natuurlijk brengt deze omweg verliezen met zich mee, het rendement wordt dus lager.
Ook is het mogelijk om waterstof chemisch te binden met andere elementen tot een poeder. Bijvoorbeeld NaBH4. In dat geval heb je een vaste stof als brandstof, die zich makkelijk laat vervoeren. Onderzoek moet nog uitwijzen of dat goed gaat werken.
Pijpleidingen
Rond de Middellandse Zee zijn op dit moment 74 grote zonne-energieprojecten aangekondigd, waarvan er 70 groene waterstof gaan leveren. Zie overzichtskaartje in figuur 6.
Een recent rapport van ‘World Pipelines’ verwacht dat er in 2030 al een netwerk van 33.000 kilometer aan pijplijn zal liggen, deels op de zeebodem, die landen en continenten met elkaar zal verbinden. Zie overzichtskaartje in figuur 7.
Toekomstverwachting
Bij iedere energieomzetting bij de productie van waterstof zijn er natuurlijk verliezen. Anders gezegd: het rendement is nooit 100%. En als er meerdere omzettingen achter elkaar komen, spreekt men van ketenrendement, dat bij iedere omzetting dus lager wordt. Vaak wordt als commentaar op de ontwikkelingen rond waterstof gezegd: ‘dat wordt nooit wat, want het rendement is zo laag’. Maar wat uiteindelijk telt is hoe de prijs zich gaat ontwikkelingen. Bij alle duurzame vormen van energie zien we de prijzen steeds verder dalen. Tegenwoordig kost een kWh op groene manier opgewekt nog 2 à 5 eurocent. Dat is al sinds enige tijd concurrerend met de fossiel opgewekte elektriciteit. Deze kosten dalen.
De prijzen van duurzame elektriciteit blijven voortdurend dalen en zijn nu met 2 à 4 eurocent / kWh al lager dan die uit fossiele bronnen.
De groene duurzame energiesector is snel aan het groeien en zeer dynamisch. Bijna wekelijks worden er vernieuwingen gemeld.
Rendementen
Hieronder een lijst van veel voorkomende energie-omzettingen met bijbehorende rendementen en een aantal kengetallen voor beter begrip van de ontwikkelingen in de toekomst.
De getallen hieronder zijn schattingen en vuistregels. Overal ter wereld wordt onderzoek gedaan om deze getallen gunstiger te maken, er gaat in de nabije toekomst nog veel veranderen.
1. Omzetting zonnestraling naar elektriciteit in spiegelcentrales. Enkele voorbeelden.
Hierboven uit de satellietfoto van de zonnecentrale in Marokko kan je opmaken dat je om 600 MW aan elektriciteit op te wekken (dag en nacht, 24/7) ongeveer 20 km2. woestijn nodig hebt.
In Nederland, als het gaat om het opwekken van warmte, is 1.100 m2 genoeg om 500 MWh per jaar gasverbruik te besparen.
Meer hierover vind je in dit artikel.
2. Elektrolyse proces: ca 70%.
3. Transport elektriciteit per HVDC kabel onder zee: 3% verlies per 1000 km. Rendement 97%.
4. Brandstofcel: rendement rond 45%
5 Het rendement van het transport van groene waterstof uit Afrika naar Nederland, in drie stappen:
a. H2 omzetting naar ammoniak: ca 50-60%,
b. Transport per schip 80-90%
c. Van ammoniak weer terug naar H2: 70-80%
Het ketenrendement van het transport van groene waterstof uit Afrika naar Nederland ligt dus tussen 28 en 43%.
Maar het gaat uiteindelijk om de kosten voor de consument. Sommige analyses schatten de kosten dan tussen 6 en 9 €/kg H2. Anderen verwachten daling tot 2 €/kg.
Andere voorspellingen
Autorijden op waterstof gaat goedkoper worden dan benzine. Waterstof heeft een hogere energiedichtheid dan fossiele brandstoffen. Een kilo waterstof levert ca. 33 kWh aan energie (vergelijk benzine, dat per kilo een energie bevat van ca. 12 kWh).
1 kg waterstof is goed voor 100 km. De huidige prijs van ongeveer € 10 à € 20 per kg voor grijze waterstof zal dalen naar € 2 per kg groene waterstof.
Bij het rijden met een waterstof-personenauto is 1 kg goed voor 100 km. Een auto met een brandstoftank van 6 kilo kan er ca 600 kilometer op rijden. De huidige prijs van ongeveer € 10 à € 20 per kg voor grijze waterstof zal dalen naar € 2 per kg groene waterstof. Studenten uit Delft kwamen in 2023 in het Guinness Book of Records door met hun superlichte ‘ecorunner’ bijna 2500 km te rijden op slechts 1 kg waterstof.
In 2030 zal de helft van de elektrische auto’s rijden op accu’s, de andere helft op groene waterstof.
Meer informatie
Meer informatie kun je vinden op de volgende sites:
IRENA.org (Het Internationaal Duurzame Energie Agentschap, gevestigd in Abu Dhabi)
dii-desertenergy.org (Dit is de huidige naam voor Desertec, gevestigd in Dubai.)
helioscsp.com (Spaans-Engelse website met vooral de ontwikkelingen rond de spiegelcentrales)
profadvanwijk.com (Hoogleraar duurzame energiesystemen in Delft.)
zonnekrachtcentrales.nl (Nederlandse vereniging voor zonnekracht centrales, in Gouda)
Arnoud Pollmann, i.s.m. Vereniging ZonneKrachtCentrales
