Waterstof

“Sleutelrol voor waterstof in energietransitie”, aldus de kop boven een interview met René Schutte, Programmanager Waterstof bij Gasunie, in Technisch magazine Henk & Fred april 2021. Je komt veel ronkende koppen tegen boven artikelen over waterstof. Op de website van de KVGN, de organisatie van bedrijven die de inzet van gasvormige energiedragers promoten, kunnen we lezen: “Het gas van de toekomst: waterstof“. Alle gasleveranciers willen ons doen geloven dat waterstof dé oplossing voor de energietransitie is. Want door aardgas te vervangen door waterstof kan het voor hen ‘business as usual’ blijven. Hoe zit het nu écht?

Is waterstof duurzaam?

Bij verbranding van waterstof komt alleen water en zuurstof vrij. De schone verbranding schept een beeld dat waterstof duurzaam is. Waterstof is echter een gas, dat niet zo maar in de natuur voorkomt. Waterstof is geen energiebron, maar een energiedrager. Het moet gemaakt worden, en daar zitten een aantal grote knelpunten. Waterstof kan duurzaam maar ook via minder duurzame manieren geproduceerd worden.

Grijze waterstof

Vrijwel alle waterstof die wereldwijd wordt geproduceerd is zogenaamde grijze waterstof. De productie vindt plaats via de techniek van Steam Methane Reforming (SMR). Hoge druk stoom (H2O) van zo’n 850 graden reageert met aardgas (CH4) met als resultaat waterstof (H2) en het broeikasgas CO2. Het proces vraagt behoorlijk veel energie. In Nederland wordt zo ongeveer 10 miljard kuub H2 per jaar geproduceerd. 20% daarvan ontstaat als bijproduct uit de chemische industrie, 80% wordt gemaakt uit aardgas. Daarvoor wordt vier miljard kuub aardgas gebruikt en zorgt voor een CO2-emissie van zo;n 13 miljoen ton (!). Dat is evenveel CO2 als de jaarlijkse CO2-uitstoot van alle Nederlandse huishoudens door het gebruik van elektriciteit in huis (cijfers 2018 – bron: Milieucentraal).

Blauwe waterstof

Het waterstof gas dat vrijkomt bij het productieproces waarbij de CO2 die vrijkomt wordt afgevangen wordt ‘blauwe waterstof’ of ‘low carbon hydrogen’ genoemd. De CO2 die vrijkomt in het proces van grijze waterstof wordt grotendeels (80 tot 90%) afgevangen en opgeslagen. Dit wordt ook wel CCS: Carbon Capture & Storage genoemd. Dat zou kunnen gebeuren in lege gasvelden onder de Noordzee, of in ‘zoutcavernes’ zoals de Gasunie van plan is. Dit zijn sigaarvormige holtes in zoutbergen die vooral langs de Duits-Nederlandse grens liggen. De zoutcavernes of zoutkoepels zijn volgens de Gasunie bestand tegen de hoge druk die waterstof kan veroorzaken.

Blauwe waterstof kent een lagere zuiverheid, die wel voldoende is voor industriële toepassing. In tuinbouwkassen kan CO2 worden gebruikt als grondstof. Op dit moment wordt nog nergens in de wereld blauwe waterstof op grote schaal geproduceerd. Blauwe waterstof staat wel ter discussie. Blauwe waterstof is in feite grijze waterstof, voor de productie wordt nog altijd aardgas gebruikt, waardoor het geen duurzame oplossing is. Door het afvangen en opslaan van CO2 kan blauwe waterstof 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 duurder dan het maken van grijze waterstof, maar is op dit moment goedkoper dan de productie van groene waterstof.

Groene waterstof

Huidig gebruik

Waterstof wordt in Nederland vooral als grondstof voor chemische stoffen gebruikt, waaronder voor het maken van ammoniak (37%), waarvan onder andere kunstmest wordt gemaakt. Waterstof wordt ook gebruikt bij de raffinage van aardolie. Op dit moment zijn er op kleine schaal allerlei (vooral nog experimentele) toepassingen, zoals gebruik van waterstof als brandstof in waterstofvoertuigen, brandstofcellen, toepassingen voor verwarming, enzovoorts.

We hebben gezien dat niet alle waterstof duurzaam is. Groene waterstof, geproduceerd met groene stroom, is duurzaam maar vooralsnog schaars. Voordat we verder gaan bekijken of voor waterstof een belangrijke rol is weggelegd in de energietransitie, gaan we in op een aantal eigenschappen.

Inzet van waterstof

Grijze en blauwe waterstof zijn niet duurzaam. De productie van groene waterstof is nu niet alleen duur, maar er gaat ook veel energie bij verloren. Bij het omzetten van elektriciteit in waterstof gaat zo’n 25 procent van de energie verloren. En bij het omzetten van waterstof naar elektriciteit is er ook sprake van een flink energieverlies van zo’n 40 procent. Het energetisch rendement is dus erg laag. Dat geldt zowel voor gebruik van waterstof in vervoersystemen als bij residentieel gebruik (in de woning).

Het uitgangspunt dat we via het produceren van waterstof als buffer de energievoorziening via hernieuwbare energie kunnen stabiliseren is nog ver weg. Het idee daarbij is dat er momenten zijn van overschotten van zon- en/of windenergie: er wordt meer opgewekt dan op dat moment verbruikt wordt. Dit overschot benut je dan om groene waterstof te produceren zodat je op momenten dat er nauwelijks tot geen aanbod is van zon- en/of windenergie de buffer van waterstof weer kunt inzetten om elektriciteit te produceren. Er is nu niet alleen nog te weinig aanbod van hernieuwbare energie, ook de kostprijs (o.a. door het geringe energetische rendement) is nog veel te hoog.

Rendabel produceren van groene waterstof

Een waterstoffabriek om met elektrolyse waterstof te produceren kun je niet bouwen om alleen op momenten van piek-aanbod van hernieuwbare energie in bedrijf te zijn. Dat is geen haalbaar business model, aandeelhouders zullen dat niet pikken. Het aanbod van groene waterstof is derhalve nog erg klein en het is de vraag of dit op korte termijn zal toenemen.

De bedrijven, aangesloten bij het KVGN, doen er nogal gemakkelijk over: het aanpassen van de infrastructuur aan waterstof. Terwijl de kosten daarvan aanzienlijk zijn. Zo werden de aanpassingen aan het gasnet in eerste instantie geraamd op zo’n € 700 miljoen, maar is inmiddels door de Gasunie bijgesteld naar € 1,5 miljard. Elke energietransitie kent zo zijn slachtoffers en profiteurs. Beiden zijn belanghebbenden, dus het is van belang om de ronkende koppen in de blogs en de persberichten op hun waarde te schatten.

Veiligheid van waterstof

Waterstof is een gemakkelijk ontvlambare brandstof, en kan al bij kleine hoeveelheden ontbranden in de lucht. Omdat het veel energie bevat, kan een explosie erg krachtig zijn. Waterstof is als molecuul een stuk kleiner als aardgas en kan dus gemakkelijker weglekken. Het is kleurloos en geurloos en kan zich gemakkelijk ongemerkt opeenhopen in een ruimte. Er zijn dus veiligheidssystemen nodig.

Waterstof is een gas met een heel lage energetische dichtheid. Door waterstof gas onder hoge druk (700 bar) te brengen, kan de waterstof in kleinere ruimtes worden opgeslagen. Dit vereist natuurlijk ook extra veiligheidssystemen. 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 onder druk. Het vloeibaar maken van waterstof kost erg veel energie en zorgt gemiddeld voor zo’n 10% meer CO2-uitstoot dan het gebruik van waterstof als gas.

De rol van waterstof in de energietransitie

Als we willen inzetten op een duurzame energievoorziening, zullen we kritisch moeten kijken naar de productie van waterstof. Het elektriciteitsnet in Nederland bevat nu nog stroom uit zowel fossiele bronnen als uit duurzame bronnen. Als je met deze stroom waterstof maakt is deze dus niet volledig grijs of groen.

Waterstof heeft wel een aantal eigenschappen, waardoor deze energiedrager in de toekomst een interessante rol kan gaan vervullen:

• als energiedrager kan waterstof veel energie opslaan (onder druk of vloeibaar gemaakt)
• opslag: waterstof kan ook worden opgeslagen (in lege aardgasvelden of zoutkoepels). Dat is beter dan er CO2 in op te slaan. De opslag van waterstof zorgt voor minder energieverlies dan opslag van energie in batterijen of accu’s
• waterstof is goed te vervoeren, waardoor het importeren van duurzame elektriciteit in de vorm van groene waterstof goed mogelijk is
• het verduurzamen van zwaar vervoer (vrachtauto’s) kan door de energiedichtheid van waterstof (onder druk) via waterstof gebeuren.
• ook de industrie kan waterstof inzetten voor verduurzaming van (chemische en energievretende) processen
• waterstof kan als gasvormige energiedrager ook worden toegepast als duurzame verwarming in huizen die niet goed geïsoleerd kunnen worden en waar Lage Temperatuur verwarming niet mogelijk is. Gezien de schaarste van waterstof is dat alleen een verstandige keuze, wanneer er geen enkel alternatief is. 

Buffer?

Het inzetten van waterstof als buffer voor de energievoorziening (aangezien er ook dagen zonder zon en wind zijn), is pas haalbaar als deze waterstof duurzaam en economisch haalbaar kan worden geproduceerd.

Elektriciteit vormt overigens maar 20% van de totale energievraag, voor de rest (verwarming, industrie) wordt nog zwaar op aardgas geleund. In het vervoer zijn fossiele brandstoffen nog steeds het belangrijkste. Waterstof kan in principe hiervoor een rol gaan spelen, maar als je bijvoorbeeld vrachtwagens op waterstof laat rijden is het vervoer zelf misschien verduurzaamd maar als je geen duurzaam geproduceerde waterstof hiervoor gebruikt, is dit geen vooruitgang.

Recordproductie

Op de website Energieopwek.nl, een samenwerkingsverband van onder meer Tennet, de Gasunie en Netbeheer Nederland, wordt bijgehouden hoeveel energie er vanuit welke bronnen wordt opgewekt. Op 26 maart 2021 werd volgens de cijfers voor korte tijd 77% van de stroom op hernieuwbare wijze opgewekt. Een momentopname, over de gehele maand maart was dit cijfer 32%. De meeste stroom komt dus nog altijd uit fossiele bronnen zoals kolen en gas, en voor een relatief klein deel uit de kerncentrale van Borssele. En dan moeten we erbij aantekenen dat onder ‘hernieuwbaar’ ook biomassa valt. Het gebruik van biomassa is zeer omstreden, omdat bij de verbranding ook CO2 vrijkomt en de herkomst van de biomassa eveneens omstreden is.

Kortom, we zijn er nog lang niet. Dat men hier en daar experimenteert met toepassingen van waterstof is prima. De diverse (markt)partijen moeten immers de techniek rondom waterstof in de vingers krijgen. Maar de claims die men legt op “de oplossing voor de energietransitie” zijn meer ingegeven door het willen veiligstellen van de eigen rol in het energielandschap dan dat het wezenlijke bijdragen zijn aan verduurzaming in ieders belang. Ook moeten we kritisch zijn op de kosten, want subsidiëring betekent dat wij allemaal voor de kosten opdraaien.

Energievoorziening als verdienmodel

Waterstof kan als energiedrager alleen ingezet worden via industriële installaties in een keten van productie- en verwerkingsinstallaties. Het toepassen van waterstof kan dan wel in een kleinschalige toepassing zoals een brandstofcel, maar in zijn totaliteit is waterstof een gasvormig product dat zorgt voor een energievoorziening die lijkt op de huidige aardgasinfrastructuur. Een structuur die vooral wordt gedomineerd door het verdienmodel van Gasunie, KVGN-bedrijven, producenten en netbeheerders en waar de overheid ook nog eens energiepolitiek overheen bedrijft. Als burgers hebben wij meer te winnen bij decentrale energievoorzieningen, zoals productie-installaties met zon en wind, die in eigendom zijn van energiecoöperaties waarin burgers participeren en mee kunnen profiteren van de opbrengsten.

Links

Waterstofpact Via deze link kun je het Waterstofpact downloaden, vanaf de website van Greenpeace. Maar ook op de site van Gasunie kun je de verwijzing naar dit pact vinden. Kortom, organisaties van verschillende allure ondersteunen dit pact: de Waterstofcoalitie is een initiatief van 39 netbeheerders, industriepartijen, energiebedrijven, overheden, natuur- en milieuorganisaties en wetenschappers. Het pact is een pleidooi voor een in Nederland op te tuigen waterstofketen.

Ook Marjan Minnesma van Urgenda ziet een belangrijke rol voor waterstof, getuige dit interview.

Waterstof in de gebouwde omgeving Download van Working paper van Stedin, een genuanceerde beschouwing over waterstof. Aanrader!

Over de waterstofauto Milieucentraal over milieu-impact, kosten, gebruikersgemak van de waterstofauto versus de elektrische auto

Vijf mythes over waterstof ontkracht – Natuur & Milieu

Waterstofladder – Natuur & Milieu

Webinar over waterstof – Natuur & Milieu FAQ over waterstof