Waterstof

Waterstof is het element dat het meest voorkomt in het universum. Onder normale omstandigheden is het gasvormig en spreken we over waterstofgas (H2). Bij verbranding van waterstof met zuurstof, in een brandstofcel, komt alleen water vrij.

Waterstof is ook het lichtste gas dat we kennen en heeft daar om een lage energiedichtheid. Het wordt daarom vaak onder druk gebracht (gecomprimeerd). Zo is het compacter en dus goed op te slaan en te transporteren. Het onder druk brengen van waterstofgas kost de nodige energie: ongeveer 10% van de opgeslagen energie.

Het wordt vooral gebruikt om processen in de chemische industrie te verhitten en voor kunstmest productie en in de toekomst ook voor de productie van staal.

Groene waterstof noemen we ook wel 'renewable hydrogen'. Dit is waterstof die is gemaakt met duurzame elektriciteit en dus ‘groen’ is.

De meest gebruikte manier om waterstof te produceren is elektrolyse. Hierbij wordt water (H2O) via groene elektriciteit gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Op deze manier wordt waterstof dus een energiedrager. Er gaat bij elektrolyse altijd wat energie verloren: ongeveer 30%.

In Nederland zijn veel partijen bezig te experimenten met deze elektrolysers op megawattschaal. In het Faraday laboratorium werkt TNO aan technologische doorbraken voor opschaling.

Grijze waterstof

Het grootste deel van de waterstof die op dit moment wereldwijd wordt geproduceerd, is niet duurzaam. Dit noemen we ‘grijze waterstof’.

Grijze waterstofproductie gebeurt op dit moment via Steam Methane Reforming (SMR). Hier reageert stoom (H2O) onder hoge druk met aardgas (CH4) met als resultaat waterstof (H2) en het broeikasgas CO2.

In Nederland wordt op deze manier ongeveer 0,8 miljoen ton H2 geproduceerd. Hiervoor wordt 4 miljard kuub aardgas gebruikt en dit zorgt voor een CO2-emissie van 12,5 miljoen ton.

Naast grijze (niet duurzame) en groene (wel duurzame) waterstof zijn er nog 3 andere soorten waterstof. We leggen de verschillen uit.

Blauwe waterstof

Men spreekt over ‘blauwe waterstof’ of ‘low carbon hydrogen' als de CO2 die vrijkomt in het proces van grijze waterstof voor een groot deel (80 tot 90% en meer) wordt afgevangen en opgeslagen. Dit wordt ook wel CCS: Carbon Capture & Storage genoemd. Dat zou kunnen gebeuren in lege gasvelden onder de Noordzee.

Op dit moment wordt op nog maar een beperkt aantal plaatsen in de wereld blauwe waterstof op grote schaal geproduceerd.

Turquoise waterstof

Dit is waterstof geproduceerd uit aardgas via de zogeheten molten metal pyrolyse technologie. Deze waterstof wordt ‘turquoise waterstof’ of 'low carbon hydrogen' genoemd.

Tijdens dit proces wordt aardgas door een gesmolten metaal geleid waarbij zowel waterstofgas als vaste koolstof vrijkomt. Dit laatste kan gebruikt worden in bijvoorbeeld autobanden. Deze technologie bevindt zich nog in het laboratorium en het duurt minimaal tien jaar voor de eerste pilotfabriek is gerealiseerd.

Witte waterstof

Witte waterstof is waterstof uit de bodem, net als aardgas. Hoe duurzaam witte waterstof is, blijft nog onduidelijk. Om dit te weten te komen, is meer onderzoek nodig.

Witte waterstof wordt niet gemaakt van aardgas of kolen (grijs) en ook niet door de CO2 af te vangen (blauw).

In Nederland wordt geen witte waterstof geproduceerd. Er wordt onderzoek gedaan naar het winnen van witte waterstof uit de Nederlandse ondergrond, onder andere door TNO. De kans dat dit mogelijk is, is erg klein.

Verschil met groene waterstof

Naast de manier van productie zijn er nog een aantal belangrijke verschillen tussen groene waterstof en de andere kleuren. Bijvoorbeeld:

• Alleen met groene waterstof kunnen we grote hoeveelheden duurzame elektriciteit geproduceerd op zee en op land gebruiken in ons energiesysteem. Alleen elektrolyse kan namelijk elektriciteit omzetten naar waterstof, om dit vervolgens op te slaan.
• De ontwikkeling van grootschalige elektrolyse helpt bij de groeiende vraag naar elektriciteit en stimuleert zo de groei van duurzame energie.
• Groene waterstof is heel zuiver en kan meteen goed worden toegepast, bijvoorbeeld in de brandstofcel van een voertuig. Behalve groene waterstof moeten alle kleuren waterstof na productie in meer of minder mate schoongemaakt worden tot een zuiverheidsniveau dat afhangt van de toepassing.
• De productie van blauwe waterstof is een manier om op grote schaal en tegen relatief lage kosten de industrie te ‘decarboniseren’ oftewel de CO2 te reduceren.

In onze huidige energiemix wordt ongeveer 20% geleverd in de vorm van elektriciteit en 80% in de vorm van aardgas of vloeibare fossiele brandstof. Door de klimaatdoelstellingen gaat dit komende tijd sterk veranderen.

Het aandeel elektriciteit geproduceerd door wind en zon zal sterk toenemen. Voor een aantal toepassingen is er nog geen goede elektrische oplossing en blijft er behoefte aan een duurzaam gas. Denk hierbij aan zwaar transport, hoge temperatuur processen in de industrie en in de luchtvaart.

Hier kan energie uit waterstof een nuttige rol spelen. Waterstof als energiebron wordt dan ook steeds belangrijker in de transitie naar een duurzaam energiesysteem.

Daarnaast is waterstof belangrijk in de vorm van grootschalige opslag voor de momenten dat het windstil is en bewolkt. Dit zorgt voor leveringszekerheid en energieonafhankelijkheid. Ook is het één van de weinige manieren om over lange tijd energie op te slaan.

Naast energiebron wordt waterstof gebruikt in veel chemische processen. Zo kan je er synthetische methanol van maken en daarna van die methanol olefines of aromaten maken.

Waterstofverbrandingsmotoren zijn een essentiële en schaalbare oplossing voor het verduurzamen van zwaar transport en scheepvaart, naast batterij-elektrisch rijden. Door gebruik te maken van bestaande motortechnologieën, infrastructuur en kennis kan waterstof snel worden ingezet zonder afhankelijkheid van schaarse grondstoffen.

TNO ontwikkelt geavanceerde injectiesystemen en werkt samen met partners in demonstratieprojecten. Met uitgebreide testfaciliteiten en het project Green Transport Delta werken we aan de verdere ontwikkeling van waterstofmotoren voor trucks, schepen en mobiele machines. Dit draagt bij aan CO₂-reductie en versnelt de energietransitie in mobiliteit.

Waterstof is belangrijk voor de industrie. Het wordt nu vooral gebruikt in raffinaderijen en de productie van kunstmest, maar kan in de toekomst ook worden gebruikt voor hoge temperatuur processen. Denk hierbij aan staalproductie, waarvoor nu aardgas of kolen wordt gebruikt.

Daarnaast gaat waterstof een rol spelen in de mobiliteit, bijvoorbeeld voor streekbussen die langere afstanden moeten overbruggen en waar elektrisch rijden geen oplossing is. Of het produceren van vloeibare brandstoffen voor scheepvaart en luchtvaart.

Op korte termijn zal er niet heel veel te merken zijn. Het gebruik van waterstof in bijvoorbeeld woonhuizen zal nog lang op zich laten wachten. Voor de meest woningen is een collectief warmtenet of een elektrische warmtepomp een betere oplossing.

In het verkeer zal het aantal waterstofauto’s en het aantal waterstoftankstations (7 publieke locaties per september 2022) langzaam toenemen. Toch zullen voor personenauto’s volledig elektrische auto’s dominant worden.

Waterstof is een erg licht gas, snel ontvlambaar en wordt in de mobiliteit onder hoge druk toegepast. Net als bij elk ander gas is het van belang om er bij productie, transport en gebruik voorzichtig mee om te gaan. Ook moet het gebruik ervan uitsluitend overgelaten worden aan professionele bedrijven.

Als waterstof wordt ingezet in bestaande gasleidingen, is het van belang om het ‘gedrag’ van waterstof in de praktijk nader te onderzoeken. Waterstof is namelijk lichter dan aardgas en kan daardoor makkelijker ontsnappen bij kleppen en afsluiters.

Op het gebied van waterstof doet TNO onderzoeken die te maken hebben met de productie van waterstof, infrastructuur voor waterstof en toepassing van waterstof.
In 2020 voerde TNO meer dan 50 projecten uit op deze thema’s. Deze hebben verschillende doelen.

Beleidsinnovaties

Een bijdrage leveren aan de technische, sociale en beleidsinnovaties. Deze innovaties zijn nodig om de ontwikkeling van de optie waterstof te versnellen. Waterstof speelt daarbij een belangrijke rol als onderdeel van de transitie naar een klimaatneutrale energiehuishouding.

Ecosystemen en maatschappelijke partners

Het bevorderen van het ontstaan van ecosystemen van bedrijven en maatschappelijke partners op specifieke waterstofthema’s. Denk hierbij aan de maakindustrie (Elektrolyser Makers Platform), industriële elektrificatie (Voltachem programma) en offshore systeemintegratie met behulp van waterstof (North Sea Energy programma)

Concurrentiepositie

Het versterken van de concurrentiepositie van Nederland in het internationale speelveld.

Tussen 2000 en 2018 werden ongeveer 230 elektrolyseprojecten in gebruik genomen met een totaal vermogen van ongeveer 100 MW (bron: IEA 2019, the Future of Hydrogen report). In 2020 is 200 MW wereldwijd geïnstalleerd en eind 2023 ca. 2.400 MW. Deze cijfers laten duidelijk zien dat we nog maar aan het begin staan en dat we een compleet nieuwe toeleveringsketen moeten ontwikkelen.

We hebben nieuwe bedrijven, leveranciers en fabrikanten nodig die materialen en componenten voor grotere en nieuwe generatie elektrolysesystemen ontwikkelen. Dit is een kans voor de hightechindustrie in Nederland.

Ontwikkelingen offshore waterstof

Offshore windenergie speelt een cruciale rol in de overgang naar schonere energiebronnen. Nederland streeft naar een aanzienlijke capaciteit voor groene waterstof tegen 2030, met twee pilotprojecten en diverse kleinere initiatieven.

In een TNO-rapport voor Topsector Energie Energie (pdf) delen we waardevolle inzichten over het potentieel, de uitdagingen en de technologische vooruitgang van offshore waterstofproductie.

Wat betreft waterelektrolyse zijn er op dit moment vier technologieën beschikbaar (AEM, SOE, PEM en Alkaline) allemaal met hun specifieke voordelen, nadelen en niveaus van volwassenheid.

Bekijk onze video over productie van waterstof door middel van elektrolyse in ons Faraday lab.

Voor alle vier technologieën zijn de drie belangrijkste uitdagingen:

• Uitgaven voor het systeem verlagen
• Systeemefficiëntie verhogen
• Grootschalige productie mogelijk maken

De ambitie van de Europese Unie is om 40 GW elektrolyse capaciteit te instaleren voor 2030 in de EU en nog eens 40 GW in Noord-Afrika. Om deze doelstelling te behalen, is een versnelling nodig van de ontwikkeling van technologieën en de daadwerkelijke projecten.

Toekomst

Er zijn drie belangrijke redenen waarom groene waterstofproductie zo belangrijk zal zijn voor de toekomst van Nederland.

1. Windenergiepotentieel
   We kunnen met groene waterstof het windenergiepotentieel op de Noordzee volledig benutten. Het elektriciteitsnet heeft op dit moment te weinig capaciteit om alle geplande windenergie van 70 gigawatt op te nemen. Door een deel van die windenergie om te zetten in waterstof en gebruik te maken van het bestaande hogedrukgasnet, kunnen we deze duurzame energie toch efficiënt door ons energiesysteem vervoeren.
2. Decarboniseren
   We hebben waterstof nodig om sectoren te decarboniseren waar directe elektrificatie geen optie is. Denk aan de staalindustrie, of de luchtvaart door middel van synthetische kerosine en langeafstandsvervoer met waterstof, methanol of ammoniak.
3. Seizoensgebonden opslag
   Waterstop maakt seizoensgebonden opslag mogelijk. Dit is belangrijk voor perioden waarin er in Noordwest-Europa weinig wind- en zonne-energie beschikbaar is.

Positie Nederland

Nederland heeft een sterke uitgangspositie op het gebied van waterstof. Dat komt onder andere door:

• de aanwezige kennis van gas- en elektrolysetechnologie
• de energie-intensieve industrie die moet verduurzamen
• de mogelijkheid om duurzame energie van de Noordzee te benutten via elektrolysetechnologie
• de strategische geografische ligging en sterke havens, waarmee Nederland een belangrijke hub kan zijn voor de import van waterstof naar Europa
• een sterke maakindustrie die een rol kan spelen in de productie van componenten voor elektrolysers
• de mogelijkheid om waterstof in grote hoeveelheden op te slaan in zoutcavernes en lege gasvelden in de Nederlandse ondergrond, zoals we dat nu doen met aardgas.