Waterstof. Waar gebruik je het voor?

Waterstof is in de eerste plaats een energiedrager, dus een vehikel om energie in op te slaan en van A naar B te verplaatsen. In een wereld waar elektriciteit wordt opgewekt uit wind en zon, is met weinig inlevingsvermogen voor te stellen dat het een keer windstil of bewolkt is. Op het moment dat de zon wel schijnt en de wind waait, en er zelfs meer elektriciteit wordt opgewekt dan nodig is, kan het overschot worden opgeslagen in waterstof.

De waterstof zelf kan worden opgeslagen in tanks (in een auto) of bijvoorbeeld in zoutkoepels onder de grond. Later, op een bewolkte of windstille dag, kan de waterstof met een brandstofcel worden omgezet in elektriciteit of warmte. Voordat de waterstof wordt omgezet in nieuwe energie, kan waterstofgas ook worden getransporteerd, bijvoorbeeld via pijpleidingen of tanks op schepen en vrachtwagens.

Is energie uit waterstof efficiënt?

De vraag waar waterstof het beste kan worden ingezet, hangt samen met de discussie over waar de efficiency het grootst is. Als we elektriciteit omzetten in waterstof - en vice versa - spreken we van conversie. En bij deze conversie gaat veel energie verloren, althans, dat is een veelgehoord argument als het om waterstof gaat. Toch lijkt dit in de praktijk wel mee te vallen. In het proces van elektrolyse - waarbij elektriciteit wordt omgezet in waterstof - wordt 80 procent van de energie behouden. De rest is geen energieverlies, maar warmte van zo’n 60 tot 80 graden. Deze warmte kan je voor het grootste gedeelte opvangen en elders gebruiken, omennabij 10 tot 15 procent. Dus is het totale rendement van de benutbare elektriciteit ongeveer 90 tot 95 procent.

Bekijk ook: Explainervideo: alles over de kleuren van waterstof

Als de waterstof niet direct voor gebruik nodig is en bewaard moet worden, kan het onder hoge druk worden opgeslagen in bijvoorbeeld een ondergrondse zoutcaverne. Voor een druk van 200 bar kost dat in het geval van waterstof ongeveer 2 procent. Wil je de waterstof er vervolgens uithalen, dan kan daar ook weer energie uit worden gehaald. Ter vergelijking: de opslag van elektriciteit in een batterij gaat ook gepaard met een energieverlies van 2 procent. Wil je de energie weer uit de batterij halen, dan komt hier nog eens 2 procent verlies bij.

Bij de laatste conversiestap, waar de waterstof in een brandstofcel wordt omgezet in elektriciteit, blijft zo’n 60 procent over. De overige 40 procent bestaat wederom uit warmte die kan worden opgevangen en gebruikt, bijvoorbeeld voor de verwarming van een auto. Daartegenover staat dat een verbrandingsmotor in een benzineauto, benzine omzet in mechanische energie met een rendement van zo’n 30 procent.

Procesindustrie

Jaarlijks worden duizenden tonnen waterstof geproduceerd met fossiele brandstof waarbij CO2 vrijkomt. Deze waterstof wordt nu voornamelijk gebruikt in de kunstmestindustrie om met stikstof ammoniak te maken, een grondstof voor kunstmest. Maar ook door raffinaderijen om zwavel uit olie te verwijderen of door de chemische industrie om de bouwsteen methanol te maken.

In de toekomt zijn er echter nog veel meer toepassingen voor waterstof denkbaar in de industrie. De chemische industrie kan het gebruiken bij de productie van waterstofperoxide, azijnzuur, oxo-alcohol en kleurstoffen. De voedingsindustrie zet er eetbare oliën mee om in vetten. De plasticindustrie kan er nylons, polyesters en polyolefinen van maken of zet het in om gebruikte plastics te kraken waarna het gerecycled kan worden. De metaalindustrie onttrekt met waterstof zuurstof uit ijzer, magnesium, nikkel en andere metalen. De petrochemische industrie maakt met waterstof synthetische brandstoffen zoals synthetische kerosine of diesel. Daarnaast kent waterstof toepassingen in de elektronische industrie (solderen), de glasindustrie (snijden en polijsten) en niet te vergeten de ruimtevaart (brandstof). Wat dat betreft is waterstof veelbelovend.

Mobiliteit

Waterstof zal ongetwijfeld een grote rol gaan spelen in de mobiliteit. De vraag is alleen nog even in welke voertuigen we het gaan terugzien. De eerste personenauto’s rijden momenteel al op waterstof. Op de vraag of we deze vorm van aandrijving steeds vaker gaan zien, zijn de meningen verdeeld. Het grote voordeel van waterstof als energiedrager zit onder andere in de snelheid van het tanken. Waar een batterij-elektrische auto soms uren aan de laadpaal ligt, is een waterstofauto binnen enkele minuten volgetankt. Verder is de actieradius van een waterstofauto min of meer gelijk aan een benzineauto en daarmee hoger dan een elektrische auto. De technologiestructuur van een brandstofcel is vergelijkbaar met die van batterijen en zonnecellen. Het zijn brandstofcellen die je stapelt tot een ‘stack’, vergelijkbaar met een module bij zonnepanelen.

Waar een waterstofauto nu nog relatief duur is (een Toyota Mirai kost 65.995 euro), is de verwachting dat door massaproductie van cellen en stacks de waterstofauto in de toekomst goedkoper wordt. Toch kent deze nieuwe aandrijfvorm nog een ander probleem. Hoewel de snelheid van het tanken een voordeel is, is het tanken an sich vooralsnog een groot nadeel. Er zijn op het moment in Nederland maar weinig plekken waar daadwerkelijk waterstof kan worden getankt. Natuurlijk is ook hier de verwachting dat er in de toekomst steeds meer waterstoftankstations bij zullen komen, bovenop de vijf die Nederland nu al telt.

Of de waterstofpersonenauto straks niet meer uit het straatbeeld weg te denken is, blijft nog maar de vraag. Toch zijn er genoeg voertuigen te bedenken waarvoor waterstof hoogstwaarschijnlijk wel een ideale aandrijfvorm is. Zo is de verwachting dat waterstof een kansrijke en schone aandrijfvorm is voor lange-afstand vrachtverkeer. Toyota werkt bijvoorbeeld aan een waterstoftruck die zeshonderd kilometer kan rijden op een volle tank. Maar ook in het Nederlandse Winschoten bouwt Hyzon Motors in samenwerking met Holthausen 1.500 waterstoftrucks voor een order uit Nieuw-Zeeland.

Misschien wel de grootste kanshebber onder de voertuigen voor aandrijving op waterstof is de scheepvaart.

Dan die andere grote fossiele vervuiler: het vliegtuig. Onderzoeksbureau McKinsey becijferde eerder dat directe waterstofverbranding voor vliegtuigen broeikasgassen met 50 tot 75 procent vermindert, ten opzichte van conventionele vliegtuigen. Wanneer waterstof wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken, vermindert de uitstoot zelfs met 75 tot 90 procent. Eind vorig jaar presenteerde Airbus al drie conceptmodellen van emissievrije vliegtuigen aangedreven op waterstof. Het grootste model, de ‘turbofan’, heeft ruimte voor tweehonderd passagiers en een bereik van 2.000 zeemijlen, ongeveer 3.700 kilometer. Niet genoeg voor een vlucht van Amsterdam naar New York (5.863,87 kilometer), maar wel ruim voldoende om elke andere stad in Europa te bereiken.

Lees meer: Zeewater voor de productie van waterstof

Misschien wel de grootste kanshebber onder de voertuigen voor aandrijving op waterstof is de scheepvaart. Vorig jaar concludeerde de International Council on Clean Transportation dat 99 procent van al het scheepsverkeer tussen China en de Verenigde Staten zonder grote aanpassingen op waterstof kan draaien. Voor de grootste schepen moet dan zo’n 5 procent van de laadruimte opgeofferd worden voor extra waterstoftanks. Dan kan het schip driehonderd containers minder vervoeren. Maar 43 procent van de schepen hoeft zelfs dat offer niet te brengen.

Hoezeer het ook nog allemaal toekomstmuziek lijkt, worden op verschillende plekken binnen en buiten Nederland al concrete stappen gemaakt. De eerste waterstofauto’s zijn al een feit op de weg, vrachtwagenfabrikanten Toyota, Daimler en Hyundai voeren proeven uit met waterstoftrucks en ook de eerste waterstoftrein en veeg- en vuilniswagens rijden al hun rondjes in de gemeente Groningen.

Verwarring

Nederland moet van het gas af. Met die leus is iedereen de afgelopen maanden om de oren geslagen. Mede doordat de gaskraan in Groningen dichtgaat moeten huizen op zoek naar andere verwarmingstechnieken. Waterstof is mogelijk de oplossing. Met waterstof kan energie langdurig worden opgeslagen die voortkomt uit de grillen van zon en wind. Vervolgens kan het waterstofgas door hetzelfde aardgasbuizenstelsel worden gevoerd aan woonwijken. Tenminste, dat is het idee.

Vooralsnog worden een handjevol huizen in Nederland bij wijze van proef op deze manier verwarmd. Als eerste dorp moet Stad aan ’t Haringvliet over van gas op waterstof met zo’n zeshonderd huizen. Hier uitten de bewoners hun zorgen over de veiligheid – een licht ontvlambaar waterstofmolecuul is kleiner dan aardgas en lekt daardoor sneller weg in het geval van een breuk in een leiding of ketel. Toch lijkt het met de risico’s wel mee te vallen. Doordat waterstof zo’n licht element is, ‘vliegt’ het bij een eventueel lek met een snelheid van 72 kilometer per uur het huis uit. Mits het lek niet direct bij een vlam komt, zal het gas dus vrij snel ontsnappen voordat het kan ontbranden. Verder mogen we er niet aan voorbij gaan dat er jaarlijks zo’n tien tot vijftien mensen overlijden door koolmonoxide vergiftiging - dat gebeurt niet bij waterstof.

Wie krijgt nou wanneer waterstof?

De vraag naar waterstof komt dus uit verschillende hoeken. Toch is het geen kwestie van ‘welke sector eerst’, denkt hoogleraar Energy Technology van de TU Delft en ‘waterstofprofessor’ Ad van Wijk. “Waterstof is net als elektriciteit onderdeel van het energiesysteem. En een energiesysteem is in de praktijk van toepassing op een geografisch gebied. Zo zul je dus ook moeten kijken waar waterstof een uitkomst kan bieden.”

In deze podcast gaat Paul van Liempt in gesprek met 'waterstofprofessor' Ad van Wijk. Hij vertelt over de economische noodzaak voor een waterstoftransitie.

Uiteindelijk moeten alle sectoren verduurzamen. Hoe ze dat doen, moet volgens Van Wijk pragmatisch aangepakt worden. Het aansluiten van steeds meer sectoren en zon- en windpark op het elektriciteitsnet, brengt enorme investeringen voor verzwaringen op het net mee. Dus moet er gekeken worden naar alternatieven. Van Wijk: “Als je kijkt naar de energievoorziening van huizen, dan kun je nieuwbouw prima voorzien van een warmtepomp en goede isolatie. En voor wijken met een aardwarmtebron in de buurt leg je een warmtenet aan. Maar als je het hebt over oude, vrijstaande panden waar een warmtenet niet aan de orde is en investeringen in een warmtepomp torenhoog worden, dan ben je gebaat bij een waterstofoplossing.”

We hebben geen tekort aan waterstof, maar een tekort aan duurzame elektriciteit.

Volgens Van Wijk ligt de grote uitdaging bij het opwekken van voldoende duurzame elektriciteit om waterstof mee te maken. “We hebben geen tekort aan waterstof, maar een tekort aan duurzame elektriciteit. En eigenlijk is het ondenkbaar dat Nederland al deze duurzame energie zelf rendabel kan opwekken.” Ter vergelijking: nu produceert een zonnepark energie met een prijs van acht tot negen eurocent per kilowattuur. Offshore-wind kost zo’n vijf cent. “Een strategisch geplaatst zonnepark in Portugal kost 1,12 cent per kilowattuur”, vertelt Van Wijk. “En wind uit Spanje twee cent. Als je deze energie vervolgens in de vorm van waterstof naar Nederland haalt kost dan drie à vier cent per kilowattuur. Dat scheelt nogal met onze binnenlandse prijzen.”

Daarom moet de keuze voor elektriciteit of waterstof niet opgelegd worden door de overheid. “Het moet simpelweg financieel de aantrekkelijkste optie zijn. Daar kiest de industrie en de burger uiteindelijk voor”, aldus van Wijk. “Daarom pleit ik voor systeemdenken. Energie is een mondiaal systeem. Zorg nou dat de infrastructuur, zowel voor stroom als voor waterstof wordt opgebouwd. En leg de keus over de vraag hoe te verduurzamen bij de burger, de consument en het bedrijfsleven.”

Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Change Inc. magazine. Wil jij het magazine ook lezen? Dat kan hier.