Waterstof

Om opwarming van de aarde te beperken zoals afgesproken in het Klimaatakkoord van Parijs zullen emissies wereldwijd teruggebracht moeten worden naar netto-nul. Waterstof kan hier een belangrijke rol in spelen. De redenen hiervoor zijn divers:

• Waterstof en elektrolysers kunnen flexibiliteit leveren om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen en zo wind- en zonne-energie beter in te kunnen passen in het energiesysteem;
  Niet alle energietoepassingen zijn te elektrificeren via het net of met behulp van batterijen . Flexibiliteit van het energiesysteem

• Voor die toepassingen zijn ook hernieuwbare en bij voorkeur koolstofloze energiedragers nodig, zoals waterstof;
  Een aanzienlijk deel van de fossiele bronnen (met name aardolie en aardgas) wordt niet-energetisch ingezet als grondstof in de chemische industrie voor de productie van kunststoffen. Voor vervanging van fossiele bronnen voor deze toepassing is onder andere hernieuwbare waterstof nodig;

• De potentie van zon en wind is onevenredig verdeeld over de wereld en niet overal voldoende aanwezig of te benutten. Waterstof, en daarvan afgeleide energiedragers, kunnen een rol spelen in de export en import van zon en wind, zoals dat nu gebeurt met fossiele bronnen.

De energietransitie gaat in essentie over de verschuiving van het gebruik van fossiele energiebronnen naar het gebruik van hernieuwbare energiebronnen. Van de beschikbare hernieuwbare energiebronnen is wereldwijd zonne-energie veruit de grootste. Voor Nederland is windenergie de belangrijkste bron, met name wind op zee, hoewel ook het potentieel van zonne-energie aanzienlijk is. Deze bronnen worden voornamelijk gewonnen met technologie die in eerste instantie elektriciteit oplevert. Naast de bijdrage die dit levert aan verduurzaming van de productie van elektriciteit, sluit dit goed aan bij de trend van elektrificatie van de energievoorziening, bijvoorbeeld als gevolg van het gebruik van elektrische auto’s, de inzet van elektrische warmtepompen in woningen en elektrische boilers in de industrie. Het aanbod van zon en wind is echter variabel en onzeker waardoor bij toenemende afhankelijkheid van deze bronnen aanbod en vraag steeds lastiger op elkaar zijn af te stemmen.

Door met hernieuwbare elektriciteit water via elektrolyse te splitsen in waterstof en zuurstof kunnen wind- en zonne-energie worden vastgelegd (als chemische energie) in waterstof. Hierdoor zijn vraag en aanbod van elektriciteit te ontkoppelen en ontstaan mogelijkheden voor grootschalige opslag van wind- en zonne-energie. De snelle regelbaarheid van elektrolysers biedt hierbij een belangrijke bron van flexibiliteit om variabel aanbod van hernieuwbare elektriciteit gecontroleerd in te kunnen passen, en de stabiliteit van het elektriciteitssysteem op een tijdschaal van seconden en minuten te ondersteunen. Waterstof zelf biedt flexibiliteit op langere tijdschaal doordat het op afroep weer is te gebruiken voor productie van elektriciteit bij onvoldoende aanbod. Daarnaast biedt het flexibiliteit in toepassing van energie van zon en wind. Door de veelzijdige toepassingsmogelijkheden van waterstof is het via waterstof mogelijk om op veel grotere schaal gebruik te maken van zon en wind dan alleen via de elektriciteitsroute. Flexibiliteit van het energiesysteem

Het huidige gebruik van fossiele energiebronnen (met name aardolie en aardgas) vindt grotendeels plaats via vloeibare en gasvormige brandstoffen. Die kunnen niet altijd worden vervangen door elektriciteit. Vloeibare en gasvormige energiedragers zullen nodig blijven voor toepassingen waar elektriciteit niet toereikend is. Hierbij kan worden gedacht aan brandstof voor de luchtvaart en scheepvaart, zwaar wegtransport en productie van hoge temperatuur warmte in diverse industriële processen. Waterstof kan direct worden ingezet als brandstof voor de vervanging van aardgas bij de productie van warmte voor industrie en de gebouwde omgeving, voor elektriciteitsproductie in gascentrales, of voor de productie van elektriciteit met brandstofcellen aan boord elektrische voertuigen waarvoor batterijen niet toereikend zijn. Indirecte inzet betreft het gebruik van waterstof in combinatie met duurzame vormen van koolstof voor de productie van synthetische brandstoffen.

Naast bron voor vloeibare brandstoffen zal op termijn ook aardolie als grondstof voor kunststoffen en andere producten van de chemische industrie moeten worden vervangen door duurzame varianten. Ook dit is mogelijk met processen op basis van waterstof en duurzame vormen van koolstof. Dit kan circulaire koolstof zijn van afval, koolstof van biomassa en koolstof van CO₂ uit de lucht.

De ijzer- en staalindustrie is een andere toekomstige grote afnemer van waterstof. Door de huidige hoogovens te vervangen door het Direct Reduced Iron (DRI) proces kunnen steenkool en cokes worden vervangen door waterstof voor de reductie van ijzererts tot ruwijzer. Reductie in DRI-processen vindt nu nog plaats met mengsels van koolmonoxide en waterstof geproduceerd op basis van aardgas of steenkool, maar is in principe mogelijk met alleen waterstof. Verdere verwerking tot staal vindt plaats in Electric Arc Furnaces waarmee dus in feite het hele proces is te elektrificeren.

Los van toekomstig gebruik wordt ook nu al op grote schaal waterstof gebruikt in de industrie, met name in de chemische industrie voor de productie van ammoniak en methanol, en voor de raffinage van aardolie. Deze waterstof wordt op het ogenblik voornamelijk geproduceerd op basis van aardgas. Vervanging van deze waterstof door waterstof geproduceerd via elektrolyse van water met hernieuwbare elektriciteit is een vorm van indirecte elektrificatie, en is een van de mogelijkheden voor de industrie om op kortere termijn al reductie van CO₂-emissies te realiseren.

Om voor de blijvende behoefte aan vloeibare en gasvormige brandstoffen, en voor de behoefte aan grondstof voor de industrie niet alleen afhankelijk te zijn van de schaarse bron duurzame biomassa, is het cruciaal om voor deze opgave ook gebruik te kunnen maken van zonne- en windenergie. Dit is mogelijk via waterstof.

Lees hier meer over de energietransitie in de industrie >> Industrie

Het aanbod van zonne- en windenergie is niet gelijk verdeeld over de aardbol, en er is geografische onbalans tussen het praktisch en economisch potentieel aan hernieuwbare energie en de behoefte aan deze energie. Net als nu met fossiele energiebronnen zal er naar verwachting straks dan ook behoefte zijn aan import van energie van zon en wind. Via elektriciteit is dit lastig zeker bij intercontinentaal transport. Ook hier biedt conversie naar waterstof uitkomst. Voordeel van waterstof, of energiedragers op basis van waterstof, is dat het relatief eenvoudig in grote hoeveelheden en over grote afstanden is te transporten via pijpleidingen en tankers. Daardoor kan duurzame energie worden geïmporteerd uit verafgelegen gebieden met grote potentiëlen en gunstigere condities voor het winnen van duurzame energie dan bijvoorbeeld in Nederland. Aardgas, kolen en olie

Meerdere manieren voor import van hernieuwbare energie via waterstof zijn mogelijk. Bij pijpleidingen zal import plaatsvinden als gasvormig waterstof op een druk vergelijkbaar met transport van aardgas. Voor vervoer per schip is echter een hogere energiedichtheid nodig. Dit kan door waterstof te transporteren als vloeibaar waterstof (LH2). Een andere mogelijkheid is om waterstof te koppelen aan een zogenaamde Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC). Voordeel hiervan ten opzichte van LH2 is dat bestaande schepen en havenfaciliteiten voor olieproducten zijn te gebruiken, maar koppelen en ontkoppelen van waterstof aan de verbinding gaat gepaard met verliezen en het kost meer moeite om weer zuivere waterstof te krijgen. Andere opties zijn om eerst waterstof te gebruiken voor de productie van ammoniak of methanol en dan ammoniak of methanol te transporteren. Ook in deze gevallen kan gebruik worden gemaakt van bestaande infrastructuur hoewel die voor ammoniak nog niet zo uitgebreid is als voor olieproducten. Verder zijn beide ook direct in te zetten als halffabricaten in de chemische industrie en is methanol ook in te zetten als brandstof. Naar inzet van ammoniak als brandstof voor zeevaart en elektriciteitsproductie wordt onderzoek gedaan. Conversie terug naar waterstof gaat echter gepaard met verliezen en vergt extra investeringen. Zo hebben alle opties specifieke voor- en nadelen. Analyses laten beperkte verschillen in kosten zien waardoor er nog geen duidelijke winnaar is aan te wijzen. Wellicht zullen er meerdere opties naast elkaar ontstaan afhankelijk van de concrete situatie en toepassingen die worden voorzien.

Groene waterstof is de meest duurzame vorm van waterstof. Groene waterstof wordt geproduceerd via elektrolyse met energie uit duurzame bronnen zoals zonne- en windenergie. Op dit moment wordt de meeste waterstof nog geproduceerd op basis van aardgas of kolen. Als de CO₂ die daarbij wordt gevormd het proces verlaat via de schoorsteen naar de lucht dan wordt er gesproken van grijze waterstof. In het geval van steenkool soms ook van zwarte waterstof.

Als de CO₂ die wordt gevormd bij productie van waterstof op basis van fossiele bronnen wordt afgevangen en opgeslagen dan wordt er gesproken van blauwe waterstof. Volledige afvang van CO₂ lukt niet. Afvangpercentages van ca. 60% tot meer dan 90% zijn mogelijk afhankelijk van het type proces. In alle gevallen wordt er gesproken van blauwe waterstof.  Waterstof geproduceerd op basis van fossiele bronnen – met name restgassen uit de industrie en raffinaderijen, en aardgas – in combinatie met afvang en opslag van CO₂ biedt een mogelijke tussenoplossing op weg naar duurzame waterstof. Het is een manier om inzet van waterstof voor nieuwe toepassingen te introduceren tegen vooralsnog lagere kosten dan voor groene waterstof, en hoewel nog niet echt duurzaam, de CO₂-uitstoot ondertussen wel te reduceren.

Naast groen, blauw en grijs zijn er meerdere kleuren in omloop zoals turquoise voor waterstof geproduceerd door kraken van aardgas of methaan waarbij geen CO₂ wordt gevormd maar vaste koolstof; paarse waterstof voor waterstof via elektrolyse met elektriciteit van kernenergie; gele waterstof voor waterstof geproduceerd met zonne-energie uit de Sahara; en oranje waterstof voor waterstof van Nederlandse bodem. Voor marketingdoeleinden wellicht aardig maar het leidt af van waarom het nu zo veel over waterstof gaat, en waarom het van belang is voor de energietransitie en het kunnen halen van klimaatdoelen.

De essentie is het splitsen van water via elektrolyse met hernieuwbare elektriciteit. Dit biedt ondersteuning aan vergaande inpassing van variabel aanbod van hernieuwbare energie als elektriciteit. Het biedt daarnaast een extra route voor nóg verdergaande benutting van die energie door het gebruik van waterstof als hernieuwbare brandstof, voor de productie van synthetische brandstoffen, en voor tal van niet-energetische toepassingen (als industrieel gas en grondstof) in onder andere de metallurgische industrie en de chemische industrie.

Uitgeschreven tekst

Offshore wind, onshore wind en zon-PV bieden elektriciteit aan het elektriciteitsnet. Het elektriciteitsnet wisselt elektriciteit uit met andere landen, en slaat energie op. Energiecentrales halen elektriciteit uit het net en voeden de energie aan waterstofcentrales. Waterstofcentrales bieden op hun beurt waterstof aan Nederland via waterstofinfrastructuur, dat weer terugloopt naar energiecentrales. Waterstof komt Nederland ook binnen via import via pijplijn of schip. Waterstof kan ook tijdelijk worden opgeslagen. De toepassingen van waterstof in Nederland (zouden kunnen) zijn:

• Brandstof voor transport
• Bouwstenen voor bio- en synthetische brandstoffen
• Olieraffinage, chemische industrie
• Bouwstenen groene chemie, bijv. plastics en meststoffen
• Productie en bewerking van staal
• Industrieel gas voor diverse toepassingen
• Brandstof voor hoogwaardige warmte in de industrie
• Brandstof voor ruimte- en tapwaterverwarming