Groene oplossing voor waterstofproductie

In het algemeen kan waterstof op twee manieren als brandstof worden gebruikt. Het kan worden verbrand om warmte te produceren, of het kan in een waterstofbrandstofcel worden gevoerd om elektriciteit op te wekken. Het goede nieuws is dat zodra blauwe of groene waterstof is geproduceerd, er allerlei verschillende toepassingen voor zijn:
Vervoer:Waterstof wordt al gebruikt als brandstof voor bussen en andere vormen van openbaar vervoer, vooral in Japan. Het kan ook worden gebruikt voor het aandrijven van vrachtwagens en treinen, terwijl brandstoffen op waterstofbasis, zoals ammoniak, kunnen worden gebruikt in de lucht- en scheepvaart. Een breder gebruik van waterstof voor het aandrijven van voertuigen zal afhangen van het feit dat de prijs van waterstofbrandstofcellen goedkoper wordt en dat waterstoftankstations steeds gebruikelijker worden.

Stroomopwekking:Waterstof kan worden gebruikt om hernieuwbare energiebronnen om te zetten in een brandstof die vervolgens kan worden opgeslagen en over lange afstanden kan worden getransporteerd. Waterstof en ammoniak kunnen ook worden gebruikt in gasturbines en kolencentrales om de uitstoot ervan te verminderen.

Verwarming gebouwen:Waterstof heeft een enorm potentieel om aardgas te vervangen voor het verwarmen van huishoudelijke en commerciële gebouwen via de bestaande aardgasinfrastructuur. Waterstofketels en huishoudelijke waterstofbrandstofcellen vereisen verdere ontwikkeling, maar kunnen in de toekomst een belangrijke rol spelen.

Industrie:Waterstof wordt momenteel gebruikt in een breed scala aan belangrijke industriële processen. Deze omvatten het raffineren van benzine, het vervaardigen van staal, het behandelen van metalen en het produceren van een reeks chemicaliën.

In tegenstelling tot grijze waterstof is groene waterstof volledig hernieuwbaar, zowel qua bronmateriaal als qua energievoorziening. Wat het bronmateriaal betreft, wordt groene waterstof tegenwoordig doorgaans uit water gegenereerd via een proces dat bekend staat als elektrolyse, waarbij een elektrische stroom wordt gebruikt om water te splitsen in de samenstellende moleculen waterstof en zuurstof. Dit gebeurt met behulp van een apparaat dat een elektrolyzer wordt genoemd en dat gebruik maakt van een kathode en een anode (positief en negatief geladen elektroden). Dit proces produceert alleen zuurstof – of stoom – als bijproduct. Wat de energievoorziening betreft, moet de elektriciteitsbron die voor elektrolyse wordt gebruikt, om in aanmerking te komen als 'groene waterstof', afkomstig zijn van hernieuwbare energie, zoals wind- of zonne-energie.

Er zijn drie hoofdsoorten elektrolyzers:Alkalisch, protonenuitwisselingsmembraan (PEM) en vast oxide. Deze variëren in de aard van het gebruikte elektrolytmateriaal. Alkalische elektrolyseapparaten gebruiken een waterige oplossing met een alkalisch zout om elektrische geleiding mogelijk te maken, terwijl PEM-elektrolyseapparaten een vast polymeermembraan (elektrolyt) gebruiken. Vaste-oxide-elektrolyseapparaten gebruiken vast keramisch materiaal als elektrolyt, waardoor ze met een hoger elektrisch rendement en veel hogere temperaturen kunnen werken. Dit maakt het gebruik van stoom en externe warmte als energiebronnen mogelijk in plaats van afhankelijk te zijn van elektriciteit. Vaste-oxide-elektrolyse maakt dus aanzienlijk lagere bedrijfskosten mogelijk, aangezien warmte doorgaans minder duur is en soms op natuurlijke wijze wordt geproduceerd als bijproduct van bepaalde industriële processen.

Jaren geleden werd waterstof alleen gezien als een oplossing voor de evolutie van groenere voertuigen. Nu elektrische voertuigen steeds meer grip krijgen, wordt waterstof steeds meer gezien als een oplossing voor andere industrieën.

De vraag naar waterstof blijft toenemen naarmate het gebruik ervan zich uitbreidt in de industriële en productie-industrie voor uiteenlopende doeleinden, waaronder olieraffinage, staalproductie en cementproductie. Naarmate de populariteit van waterstof groeit, kan het belang van groene waterstof echter niet genoeg worden benadrukt. Het is alarmerend dat 98% van de waterstof wordt gemaakt uit fossiele brandstoffen, zonder dat er controles of voorschriften voor de uitstoot van kooldioxide gelden. Maar groene waterstof heeft het potentieel om daar voorgoed verandering in te brengen.

Van de rook van commerciële fabrieken tot de uitlaatgassen van benzine- en dieselauto's: de productie van groene waterstof vermindert of elimineert de behoefte aan energiebronnen uit fossiele brandstoffen die grote hoeveelheden kooldioxide in de lucht vrijgeven. In de datacenterindustrie kan waterstof, omdat opslagsystemen waterstof ontwikkelen, worden gebruikt in plaats van dieselaangedreven back-upgeneratoren om toekomstige datacenters van energie te voorzien. Als gevolg hiervan zijn de voordelen van groene waterstof volop aanwezig, waardoor overheden en organisaties de nationale energiezekerheid kunnen versterken, brandstof kunnen besparen, de totale uitstoot kunnen verminderen en de energieopties voor transport kunnen diversifiëren, van auto's tot uitgebreide openbaarvervoersystemen.

Groene waterstoftechnologie had niet op een beter moment kunnen worden geïntroduceerd. De Amerikaanse Energy Information Administration voorspelt dat de mondiale vraag naar energie tegen 2050 met 47% zal toenemen. De enige manier om die vraag te compenseren in de vorm van energieproductie uit olie en steenkool is door groenere methoden toe te passen, zoals groene waterstof.

En dankzij de technologische doorbraken die de productie van waterstof grotendeels koolstofarm hebben gemaakt, wenden veel bedrijven zich tot CO2-compensaties waarbij groene waterstof wordt ingezet om hun CO2-voetafdruk te verkleinen en agressieve ESG-doelstellingen te verwezenlijken.

Het proces van het opwekken van groene waterstof kent voordelen. Het International Energy Agency (IEA) stelt dat groene waterstof jaarlijks ongeveer 830 miljoen ton kooldioxide bespaart in vergelijking met wanneer het gas wordt geproduceerd met behulp van traditionele fossiele brandstoffen. Dat komt overeen met de uitstoot van een heel jaar uit Groot-Brittannië en Indonesië samen!

Net als bij elke nieuwe technologie zijn er enkele uitdagingen die moeten worden overwonnen naarmate de groene waterstofboom zich aandient. Enkele zaken waarmee rekening moet worden gehouden, zijn onder meer procesefficiëntie en productiekosten op grote schaal, naast het opzetten van opslagoplossingen voor de lange termijn onder druk. Afgezien van de uitdagingen is groene waterstof een opwindende nieuwe technologie die zou kunnen helpen de broodnodige grootschalige productie van groene energie in evenwicht te brengen.

Een groot deel van de verschuiving van fossiele brandstoffen heeft betrekking op de elektrificatie van enkele van de alledaagse machines die we gebruiken en die worden aangedreven door olie en gas – auto's en lokaal vervoer, en verwarming van huizen in sommige landen bijvoorbeeld. Voor degenen die al geëlektrificeerd zijn, zoals computers en huishoudelijke apparaten, vervangt elektriciteit uit kernenergie en hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie steenkool.

Maar er zijn sectoren die zoveel energie nodig hebben dat traditionele hernieuwbare energiebronnen niet aan de vraag kunnen voldoen. Dat is een probleem, omdat deze industrieën tot de grootste uitstoters van broeikasgassen behoren.

Dit is waar experts zeggen dat groene waterstof een enorm potentieel heeft.
“Elektriciteit uit bronnen als wind-, zonne- en kernenergie is essentieel voor het koolstofarm maken van ons energiesysteem – maar dat kan zij niet alleen, en het langeafstandsvervoer en de zware industrie zijn de thuisbasis van de moeilijkste emissies om terug te dringen”, aldus een energieanalist van het Internationaal Energieagentschap.

“Waterstof is veelzijdig genoeg om enkele van deze kritieke hiaten op te vullen – in het leveren van essentiële grondstoffen voor de chemische en staalindustrie of cruciale ingrediënten voor koolstofarme brandstoffen voor vliegtuigen en schepen”, vertelde Remme aan CNN.

Het besturen van een vliegtuig of een groot schip vereist bijvoorbeeld zoveel energie dat elke batterij die wordt gebruikt om elektriciteit uit zonne- of windenergie op te slaan waarschijnlijk te groot en zwaar is voor het schip. Groene waterstof daarentegen kan in vloeibare vorm komen en is lichter. Volgens Airbus, dat een emissievrij commercieel vliegtuig ontwikkelt, is de energiedichtheid van groene waterstof drie keer hoger dan die van vliegtuigbrandstoffen die we vandaag de dag gebruiken.

Hoewel vloeibare groene waterstof geen koolstof zou uitstoten, heeft het enkele beperkingen. Bij verbranding in de open atmosfeer komt er een kleine hoeveelheid lachgas vrij, een krachtig broeikasgas. Als de waterstof echter door een brandstofcel wordt gevoerd, stoot deze alleen water en warme lucht uit.

Sommige kleine vliegtuigen zijn erin geslaagd om met brandstofcellen op waterstof te vliegen, hoewel de technologie nog niet commercieel is opgeschaald.

Het is momenteel alle hens aan dek om de klimaatdoelstellingen te halen. De energietransitie heeft echt een flinke impuls nodig. Waterstof kan hieraan een belangrijke bijdrage leveren. Samenwerking is essentieel om waterstof succesvol te kunnen inzetten, bijvoorbeeld om bij te dragen aan CO2-reductie in de industrie, e-fuels voor vliegtuigen en gebruik in de gebouwde omgeving. Maar er zijn investeringen nodig en er zijn vragen.

Wat is waterstof?
Waterstof is het meest voorkomende element in ons universum. Onder normale omstandigheden is het gasvormig en spreken we van waterstofgas (H2). Waterstof is bovendien het lichtste gas dat we kennen en heeft daardoor een lage energiedichtheid per volume-eenheid (in m3). Per gewicht (in kg) heeft waterstof wel een hoge energiedichtheid van 120 megajoule (MJ) per kg. Dat is bijna drie keer zoveel als aardgas (45 MJ per kg). Waterstof staat vaak onder druk. Het op druk brengen (comprimeren) van waterstofgas vergt echter ook de nodige energie (zo’n 10%).

Wat is grijze en blauwe waterstof?
Vrijwel alle waterstof die momenteel wereldwijd wordt geproduceerd, is zogenaamde ‘grijze waterstof’. De productie vindt momenteel plaats via Steam Methaan Reforming (SMR). Hier reageert hogedrukstoom (H2O) met aardgas (CH4), wat resulteert in waterstof (H2) en het broeikasgas CO2. In Nederland wordt op deze manier ongeveer 0,8 miljoen ton H2 geproduceerd, waarbij vier miljard kubieke meter aardgas wordt gebruikt en een CO2-uitstoot van 12,5 miljoen ton ontstaat.
De term 'blauwe waterstof' of 'koolstofarme waterstof' wordt gebruikt wanneer de CO2 die vrijkomt bij de productie van grijze waterstof grotendeels (80-90%) wordt opgevangen en opgeslagen. Dit wordt ook wel CCS genoemd: Carbon Capture & Storage. Dit zou kunnen gebeuren in lege gasvelden onder de Noordzee. Nergens anders ter wereld wordt blauwe waterstof op grote schaal geproduceerd.

Wat is groene waterstof?
Groene waterstof, ook wel ‘hernieuwbare waterstof’ genoemd, is waterstof die wordt geproduceerd met duurzame energie. De bekendste is elektrolyse, waarbij water (H2O) via groene stroom wordt gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Een groot aantal partijen in Nederland experimenteert met deze elektrolysers op megawattschaal. Ook bij hoge temperatuurvergassing van biomassa komt waterstof vrij.

Wat is turquoise waterstof?
Waterstof die uit aardgas wordt geproduceerd met behulp van de zogenaamde pyrolysetechnologie van gesmolten metaal, wordt 'turquoise waterstof' of 'koolstofarme waterstof' genoemd. Aardgas wordt door een gesmolten metaal geleid, waarbij zowel waterstofgas als vaste koolstof vrijkomt. Dit laatste kan een nuttige toepassing vinden in bijvoorbeeld autobanden. Deze technologie bevindt zich nog in de laboratoriumfase en het zal zeker tien jaar duren voordat de eerste pilot plant gerealiseerd wordt.

Wat zijn de verdere fundamentele verschillen tussen blauw en groen?
Naast de productiemethode zijn er nog een aantal andere belangrijke verschillen:
Alleen groene waterstof geproduceerd via elektrolyse zorgt ervoor dat grote hoeveelheden duurzame elektriciteit geproduceerd op zee en op land goed kunnen worden geïntegreerd in ons energiesysteem. Alleen elektrolyse kan elektriciteit flexibel (on demand) omzetten in waterstof en vervolgens opslaan.
Daarnaast zal de ontwikkeling van grootschalige elektrolyse bijdragen aan het inspelen op de stijgende vraag naar elektriciteit en daarmee de groei van duurzame energie stimuleren.
Er is ook een verschil in kwaliteit. Groene waterstof heeft een hogere zuiverheidsgraad en kan direct worden toegepast, bijvoorbeeld in de brandstofcel van een voertuig. Blauwe waterstof heeft een lagere zuiverheidsgraad, voldoende voor industriële toepassing.
De productie van blauwe waterstof is een manier om de industrie op grote schaal en tegen relatief lage kosten te 'decarboniseren', oftewel de CO2-uitstoot te verminderen.

Witte waterstof uit de bodem de schone energiebron van de toekomst?
Grijze, blauwe en groene waterstof kennen we al, maar nu blijkt dat er ook witte of natuurlijke waterstof beschikbaar is. Dat komt net als aardgas uit de bodem. Wanneer waterstof met zuurstof wordt verbrand, komt er alleen water vrij. Witte waterstof is een natuurlijke waterstof uit de ondergrond die de potentie heeft om een ​​belangrijke energiebron van de toekomst te worden als het wordt gemaakt door elektrolyse van water met wind- of zonne-energie (groen).
Het wordt dan niet gemaakt van natuurlijke as of steenkool (grijs), ook niet door eerst de CO2 af te vangen (blauw). Het gas wordt vooral gebruikt voor het verwarmen van processen in de chemische industrie en bij de productie van staal en kunstmest. Bij de transitie van fossiele naar groene energie kan het dienen als opslagbuffer voor elektriciteit in perioden zonder zon en wind.

Welke rol speelt waterstof in de energietransitie?
In onze huidige energiemix wordt circa 20% geleverd in de vorm van elektriciteit en 80% in de vorm van aardgas of vloeibare fossiele brandstof (benzine, diesel). Onze klimaatdoelstellingen gaan deze situatie in de nabije toekomst aanzienlijk veranderen. Het aandeel elektriciteit dat wordt opgewekt door wind- en zonne-energie zal sterk toenemen. Voor een aantal toepassingen zoals zwaar transport, hoge temperatuurprocessen in de industrie en de luchtvaart ontbreekt nog een goede elektrische oplossing en is er nog steeds behoefte aan een duurzaam gas. Waterstof kan hier een nuttige rol spelen. Daarnaast is waterstof belangrijk in de vorm van grootschalige opslag voor de momenten dat het windstil en bewolkt is.

Welke landen werken ook aan waterstof?
Landen als Noorwegen, Australië, Marokko, Chili, Saoedi-Arabië, China en Japan zijn zeer actief met groene waterstof, vooral omdat er een aanzienlijke (potentiële) beschikbaarheid is van goedkope duurzame energie uit wind-, zon- of waterkracht om groene waterstof te produceren. Een uitzondering hierop vormt Japan, dat voor zijn energievoorziening grotendeels afhankelijk is van import en een strategie heeft ontwikkeld om op grote schaal (groene) waterstof te importeren. Zijn sleutelrol ligt in de technologische ontwikkeling. Nederland staat er goed voor, mede dankzij onze kennis van de gas- en elektrolysetechnologie, het grote potentieel voor windenergie op de Noordzee en de energie-intensieve industrie die stevig moet inzetten op duurzaamheid.

Waar gaan we waterstof voor gebruiken?
Waterstof is vooral belangrijk voor de procesindustrie. Nu wordt het vooral gebruikt voor de productie van kunstmest, maar in de toekomst kan het ook gebruikt worden voor hogetemperatuurprocessen zoals de staalproductie, waarvoor nu aardgas of steenkool wordt gebruikt. Daarnaast gaat waterstof een rol spelen in de mobiliteit, bijvoorbeeld voor streekbussen die langere afstanden moeten afleggen en waar elektrisch rijden geen oplossing is.

Wat betekent waterstof voor de burger?
Op de korte termijn zal er niet veel duidelijk zijn. Het gebruik van waterstof in bijvoorbeeld woningen zal al lang op zich laten wachten als dit al gebeurt. Voor het merendeel van de woningen biedt een collectief warmtenet of een elektrische warmtepomp een betere oplossing. In het verkeer zullen het aantal waterstofauto’s (momenteel nog geen honderd) en het aantal waterstoftankstations (in 2018: 3) langzaam toenemen.

Wat zijn de risico's?
Waterstof is een zeer licht gas, licht ontvlambaar en wordt gebruikt in de mobiliteit onder drukken tot 700 bar. Net als met elk ander gas is het belangrijk om er tijdens de productie, het transport en het gebruik zorgvuldig mee om te gaan en het uitsluitend aan professionele bedrijven over te laten. Als waterstof in bestaande gasleidingen toegepast gaat worden, is het van belang verder te onderzoeken hoe waterstof zich in de praktijk daadwerkelijk ‘gedraagt’. Waterstof is lichter dan aardgas en kan gemakkelijker uit kleppen en afdichtingen ontsnappen.

Wat doet TNO op het gebied van waterstofonderzoek?
TNO is een onafhankelijke organisatie die baanbrekend toegepast onderzoek doet. Het onderzoek naar waterstof richt zich op productie, infrastructuur en toepassingen (conversie en eindgebruik). In 2020 heeft TNO ruim 50 projecten uitgevoerd rondom deze thema’s. Links naar een selectie van deze projecten vindt u hieronder (item 15).

Hoe ver is de ontwikkeling van groene waterstof?
Tussen 2000 en 2018 zijn zo’n 230 elektrolyseprojecten in bedrijf genomen met een totaal vermogen van ongeveer 100 MW (bron: IEA 2019, The Future of Hydrogen). In 2020 bedroeg het mondiale geïnstalleerde vermogen 200 MW en eind 2023 ongeveer 2.400 MW. Deze cijfers laten zien dat we nog maar pas begonnen zijn en dat we een geheel nieuwe supply chain moeten ontwikkelen.
We hebben nieuwe bedrijven, nieuwe leveranciers en nieuwe fabrikanten nodig om materialen en componenten te ontwikkelen voor grotere elektrolysesystemen van de volgende generatie. Dit is een gouden kans voor de Nederlandse hightechindustrie. Het doel van de Europese Unie is om tegen 2030 40 GW aan elektrolysecapaciteit in de Unie te installeren, en nog eens 40 GW in Noord-Afrika. Om dit doel te bereiken zullen we het tempo van zowel de technologische innovatie als de daadwerkelijke projecten moeten versnellen.

Wat zijn de grootste technische uitdagingen van elektrolyse?
Op het gebied van waterelektrolyse zijn er momenteel vier technologieën beschikbaar (AEM, SOE, PEM en Alkaline), elk met zijn specifieke voordelen, nadelen en mate van volwassenheid. Bekijk onze video over de productie van waterstof door middel van elektrolyse(opent in een nieuw venster of tabblad) (verwijst naar een andere website). Voor alle vier de technologieën zijn de drie belangrijkste onderzoeksuitdagingen:
om de kapitaaluitgaven in verband met het systeem te verminderen
om de systeemefficiëntie te verbeteren
het overwinnen van barrières voor grootschalige productie, zodat tegen 2030 een jaarlijkse wereldwijde productiecapaciteit van elektrolysers van 30 GW kan worden bereikt.

Producten worden verkocht in alle regio's van China en geëxporteerd naar landen over de hele wereld. Ze zijn verkocht in meer dan 20 landen en regio's, waaronder de Verenigde Staten, Duitsland, Marokko, Kenia, Saoedi-Arabië, Vietnam, Algerije, India, Tanzania en Taiwan. Met succes bekende ondernemingen geleverd zoals China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group en andere bekende ondernemingen. Er zijn veel groene waterstofhydrogeneringsstations zoals Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, enz. die groene en waterstofproductieprojecten bieden.