Het is momenteel alle hens aan dek om de klimaatdoelen te halen. De energietransitie heeft echt nog een flinke boost nodig. Waterstof kan hier een belangrijke bijdrage aan leveren.

De inzet van waterstof maakt verregaande inpassing en benutting van wind- en zonne-energie mogelijk. Het zorgt op verschillende manieren voor meer flexibiliteit binnen het elektriciteitssysteem en het energiesysteem als geheel. ECN part of TNO richt zich daarom op verschillende innovaties in de waterstofketen:

1. Grootschalige inpassing van zonne- en windenergie mogelijk

Met toenemend variabel aanbod van energie uit wind en zon groeit in ons land de behoefte om duurzame energie op een goede manier op te slaan. “Met alleen batterijen lukt het niet om de seizoenverschillen op te vangen. Te duur en te weinig capaciteit”, weet Lennart van der Burg, business developer waterstof bij ECN part of TNO. “Naar verwachting wordt het binnen vijf tot tien jaar wel rendabel om een grote elektrolyser aan een offshore windmolenpark te koppelen. Zo’n apparaat gebruikt elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Als je daar duurzame elektriciteit voor gebruikt, komt er bij deze productiemethode helemaal geen CO₂ vrij. Je krijgt dan dus echt groene waterstof.”

Om massaal groene waterstof te kunnen produceren, moeten de elektrolysers nog wel een flinke ontwikkeling doormaken. Om de belofte van waterstof waar te maken, moeten ze groter en robuuster worden. Ook moeten de kosten nog fors omlaag. En dat zijn precies de zaken waar ECN part of TNO samen met partners aan werkt. Zo wordt er volop onderzoek gedaan in het Faraday lab in Petten. “Hier doen we onder andere duurtesten om te kijken welke nieuwe componenten en materialen we in elektrolysers kunnen gebruiken. Ook nieuwe Nederlandse bedrijven kunnen daardoor actief worden als toeleverancier .”

"Met een waterstofvoertuig heb je je eigen energiecentrale aan boord. Je kunt waterstof snel tanken en het geeft voertuigen een grotere actieradius."

2. CO₂-neutraal rijden, ook voor langere afstanden en zwaar transport

Waterstof tanken gebeurt nu op beperkte schaal, zowel voor personenwagens als voor zwaardere voertuigen die uitgerust zijn met een brandstofcel. Het grote voordeel: met een waterstofvoertuig heb je een eigen elektriciteitscentrale aan boord. In de brandstofcel vindt elektrochemische verbranding plaats van waterstof (H₂) met zuurstof (O2) uit de buitenlucht. Op die manier produceert de brandstofcel elektriciteit voor de aandrijving van de elektromotor.

Dit proces is precies het omgekeerde van wat er bij elektrolyse gebeurt. Waterstofvoertuigen zijn nul-emissie; er komt alleen water uit de uitlaat. Een ander voordeel van waterstof is dat je snel kan tanken en relatief veel energie kunt meenemen. Dat geeft voertuigen een grotere actieradius. De uitdaging wordt nu nog om ervoor te zorgen dat er de komende jaren voldoende pompstations komen waar je waterstof kunt tanken. Bij voorkeur direct groene waterstof.

3. Vliegen met E-fuels van waterstof

Elektrisch vliegen of op waterstof is voorlopig nog buiten beeld. Ondertussen blijkt waterstof wel een geschikte grondstof te zijn voor de ontwikkeling van CO₂-vrije brandstoffen, zoals synthetische kerosine. De waterstof die je via elektrolyse verkrijgt is in dat geval samen met CO₂ de basis voor syngas. En van dat syngas kun je vervolgens synthetische kerosine maken.

Samen met partners onderzoekt ECN part of TNO verschillende technologieën om dit soort E-fuels kosteneffectief te produceren. “Luchtvaartmaatschappijen volgen die ontwikkeling op de voet”, weet Van der Burg. “Zij hebben maar weinig opties om hun lange-afstand-vluchten te verduurzamen. De hoop is dus dat ze dat probleem straks met de synthetische kerosine kunnen oplossen.”

4. Gebruik van waterstof in de gebouwde omgeving

“Ja, waterstof zou je in principe ook voor verwarming in de gebouwde omgeving kunnen gebruiken, als vervanging van aardgas. Maar daar liggen nog wel de nodige vraagstukken”, benadrukt Marcel Weeda. Hij onderzoekt bij ECN part of TNO de rol die waterstof kan spelen in de energietransitie. “Zo is waterstof een geurloos gas dat licht ontvlambaar is en kleurloos brandt. Dat vergt dus de nodige voorzorgs- en veiligheidsmaatregelen.

Het is daarom de vraag of je waterstof helemaal tot achter de meter in woningen wil brengen. En of je dat dan doet in de vorm van pure waterstof, of in een mengsel met aardgas dat geleidelijk wordt vervangen door groen gas. Dit zijn vragen waar we samen met andere partijen in pilots goede antwoorden op proberen te vinden. Wij zijn op dit moment dus nog terughoudend over inzet van waterstof voor de productie van lage-temperatuur-warmte in woningen. Maar we sluiten die optie niet uit, ook al omdat het nog allerminst zeker is dat we overal snel genoeg en ver genoeg kunnen komen met opties als renoveren, isoleren, warmtepompen en warmtenetten. Vandaar dat we wel onderzoek naar die toepassing doen.”

5. Grondstof voor de chemische industrie

En dan is er nog de industrie. Die is in Nederland verantwoordelijk voor ongeveer 30 procent van alle CO₂-uitstoot. Ook hier kan vervanging van aardgas door waterstof als brandstof helpen om uitstoot te verminderen. Verder werkt ECN part of TNO binnen het VoltaChem-programma samen met partners aan de elektrificatie van de industrie.

De industrie gebruikt al grote hoeveelheden waterstof als grondstof voor de productie van bijvoorbeeld ammoniak en bepaalde kunststoffen. Momenteel wordt die waterstof nog gemaakt met aardgas. Vervanging door groene waterstof zou een enorme verduurzamingsslag betekenen. Dat wordt overigens nog wel een flinke uitdaging.

Weeda: “Om de huidige grijze waterstof te vervangen door groene waterstof heb je ongeveer 10 gigawatt aan windenergie op zee nodig. De huidige plannen voorzien in een totale opwekcapaciteit van 11,5 gigawatt wind op zee in 2030. En dat is nog niet eens voldoende om onze huidige elektriciteitsvraag volledig te kunnen verduurzamen. Er moet dus nog veel meer bij.”

"Het is belangrijk om per situatie de afweging te maken waar hergebruik van de bestaande infrastructuur op de lange termijn zinvol is." 

6. We hebben al een infrastructuur die zich leent voor het transport van waterstof

Ons land beschikt over een uitgebreide gasinfrastructuur die we op sommige plekken met niet al te grote aanpassingen geschikt kunnen maken voor het transport van waterstof of gasmengsels met waterstof. Ook de gasinfrastructuur op de Noordzee is hierbij interessant.

Deze infrastructuur is steeds minder nodig voor aardgas en zou een belangrijke rol kunnen vervullen bij het ontsluiten van grote hoeveelheden offshore windenergie ver uit de kust die daar wordt omgezet en in de vorm van waterstof via pijpleidingen wordt getransporteerd naar het vasteland. “Daarbij is het wel belangrijk om per situatie de afweging te maken waar hergebruik van de bestaande infrastructuur op de lange termijn zinvol is”, plaatst Van der Burg daar nog als kanttekening bij.

"De energietransitie vraagt om een goede en zorgvuldig afgestemde mix van energieopties. Naast de inzet van waterstof zullen we nog allerlei andere maatregelen moeten nemen om te zorgen dat we in 2050 een zo goed als CO₂-neutraal land zijn."

7. Waterstof importeren uit andere landen

Nederland is een klein land met een grote energiebehoefte. Die wordt voor een groot deel gedekt met import van energie. En volgens Weeda is de kans groot dat we dat straks ook met waterstof gaan doen. “Er zijn op de wereld genoeg dunbevolkte gebieden die zich lenen voor een grootschalige opwekking van duurzame energie. Dus wie weet: misschien is de groene waterstof straks afkomstig van zonneparken in de Sahara, windmolenparken in het zuiden van Argentinië of waterkrachtcentrales in Canada.

Japan ontwikkelt bijvoorbeeld al een project voor import van vloeibaar waterstof per schip uit Australië. Bij alle aandacht voor waterstof op het ogenblik is het wel goed om ons te realiseren dat het niet de oplossing voor alles is”, besluit hij. “De energietransitie vraagt om een goede en zorgvuldig afgestemde mix van energieopties. Naast de inzet van waterstof zullen we dus ook nog allerlei andere maatregelen moeten nemen om ervoor te zorgen dat we in 2050 een zo goed als CO₂-neutraal land zijn.”