Dit moet je weten over waterstof: antwoord op de meest gestelde vragen over waterstof

Dit moet je weten over waterstof: antwoord op de meest gestelde vragen over waterstof

Je kunt er niet meer omheen. Wanneer het over energie of de energietransitie gaat, dan wordt er ook gesproken over waterstof. Maar wat is waterstof eigenlijk? En waarom is waterstof zo vaak in het nieuws? Als opfrisser de antwoorden op de meest gestelde vragen over waterstof.

Wat is waterstof?

Waterstof is het eerste scheikundige element uit het periodiek systeem, aangeduid met H. Waterstof is het lichtste, kleinste, meest voorkomende element in het universum. Sterren bestaan bijvoorbeeld voor een groot gedeelte uit waterstof. Onder normale omstandigheden is waterstof gasvormig en komt het op aarde niet in ‘losse vorm’ voor; het is altijd gebonden aan andere atomen. De gasvorm wordt ook wel waterstofgas genoemd. Omdat in waterstofgas de atomen per twee bewegen heet het gas H2. Het is kleurloos, reukloos, smaakloos, niet giftig en heeft een hoge verbrandingswaarde.

Is waterstof een energiebron?

Nee, waterstof is een energiedrager. Hoe zit dat? Neem bijvoorbeeld olie en gas, dat zijn energiedragers, maar ook energiebronnen. Dit noemen we ook wel primaire energiedragers. Waterstof is een secundaire energiedrager. Het verschil tussen de twee is dat primaire energiedragers worden gewonnen en secundaire energiedragers worden gemaakt.

Hoe wordt waterstof gemaakt?

Waterstof komt op onze aarde voor in verbindingen. Er moet dus eerst iets gebeuren waarmee deze verbindingen breken om het waterstofgas te kunnen winnen. Dat kan op enkele scheikundige manieren. Om waterstof te maken heb je sowieso energie nodig.

Waterstof ontstaat bijvoorbeeld in een reactie met aardgas. Hoge druk stoom (water ofwel H2O) reageert met aardgas (CH4), wat resulteert in waterstof (H2) en kooldioxide (het broeikasgas CO2). Vrijwel alle waterstof die op dit moment wereldwijd wordt geproduceerd wordt op deze niet-duurzame manier gemaakt. Waterstof die gemaakt is met fossiele energie wordt ook wel ‘grijze waterstof’ genoemd.

Waterstof kun je ook maken met behulp van elektriciteit (elektrolyse). Komt die elektriciteit van een kolencentrale, dan spreken we weer van ‘grijze waterstof’.

Dit proces van elektrolyse kan ook op een duurzame, groene manier. Dit is de zogeheten ‘groene waterstof’. Hierbij wordt gebruikgemaakt van elektriciteit die is opgewekt met bijvoorbeeld zonne- of windenergie. Duurzame energie dus. Door elektrische stroom door water te jagen wordt water gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Bij het maken van groene waterstof komen geen broeikasgassen vrij. 

De Toyota Mirai, een waterstofauto, wordt bijgevuld bij een waterstofvulstation – Foto: Toyota
Waarom hoor ik zoveel over waterstof?

Fossiele brandstoffen voorzien momenteel het grootste gedeelte van onze huidige energiemix. Door de klimaatdoelstellingen moet dit veranderen. De Nederlandse overheid wil de CO2-uitstoot flink terugdringen en minder gebruikmaken van fossiele brandstoffen zoals aardgas. Groene waterstof biedt hiervoor een mogelijke oplossing. We kunnen waterstof breed inzetten in onze economie. Daarom hoor je de term ‘waterstofeconomie’ geregeld. Auto’s kunnen rijden op waterstof, we kunnen huizen verwarmen met waterstof en H2 is een belangrijke grondstof voor de chemische industrie.

Waarom stappen we niet gelijk over op waterstof?

Om waterstof op grote schaal duurzaam toe te passen is er vooral een hoop geld nodig. Waterstof is een stuk duurder dan andere duurzame alternatieven. Zo is er bijvoorbeeld veel meer duurzame elektriciteit nodig om waterstof te maken. Denk daarbij aan de aanleg van extra windmolenparken op zee om de benodigde duurzame energie op te wekken. Duurzame waterstof uit elektrolyse kost ongeveer dubbel zoveel als waterstof uit aardgas in combinatie met CO2-opslag. Daarbovenop komen de kosten om bedrijven te ondersteunen bij de ontwikkeling van elektrolysefabrieken. 

In het kort: wat zijn de voordelen en wat zijn de nadelen van waterstof?

Voordelen: waterstof is goed op te slaan; het gas kan met duurzame energie worden gemaakt; het restproduct bij verbranding is waterdamp, geen CO2. Daarnaast is waterstof eenvoudig te transporteren en hebben we er ervaring mee. Het is geen compleet nieuwe vinding, waterstof wordt vandaag de dag al op veel manieren gebruikt.

Het grootste nadeel is dat het maken van duurzame waterstof veel geld kost. Daarbij moet het productievolume flink toenemen voordat we kunnen overstappen naar waterstof als duurzame energiedrager. Industrieën kunnen goedkoper hun processen energie-efficiënter maken. Daarnaast moet het huidige gasnetwerk worden aangepast voordat het transport mogelijk is. Ten slotte is de traditionele cv-ketel niet geschikt om waterstof te verbranden. Voor de meeste woningen is het voordeliger om restwarmte te gebruiken of om een warmtepomp te installeren. 

Wat kost waterstof?

Veel factoren bepalen de kosten en daarmee de prijs van waterstof. Denk aan de kosten voor productie, de investeringen in installaties, opslag en distributie. Een definitief antwoord is er dus niet. Op dit moment is waterstof maken een van de duurste opties om grootschalige emissiereductie te realiseren. Een belangrijke kostenpost voor elektrolyse is de stroomprijs. Deze stroomprijs is meer dan tweemaal zo hoog als de maximale prijs die betaald kan worden.

Als we het hebben over auto’s, dan kost 1 kilo waterstof bij een vulstation zo’n 10 euro. Indien er meer vulstations komen en meer waterstof auto’s rijden, zal deze prijs dalen. De prijs per kilometer voor een personenauto komt daarmee op zo’n tien eurocent. Dat is vergelijkbaar met de brandstofkosten van auto’s die rijden op benzine of diesel. Belangrijk verschil is dat er bij de prijs van benzine en diesel al wel belastingen inzitten en de overheid daaraan nog geld verdient. 

Hoe werkt een waterstofauto?
Zijn er risico’s die aan het gebruik van waterstof kleven?

Waterstof is veel lichter dan bijvoorbeeld aardgas. Daarom kan het gas makkelijker ontsnappen. Hierdoor is het van belang om er bij productie, transport en gebruik voorzichtig mee om te gaan. Daarnaast is waterstof snel ontvlambaar. Maar omdat het gas zo ontzettend vluchtig is stijgt het meteen snel op als het ontsnapt. 

Maar, waterstof is toch explosief?

Bij waterstof denken mensen vaak aan een atoombom of bijvoorbeeld aan de ramp met de Hindenburg-zeppelin. Maar waterstof is van zichzelf niet explosief. Als het in de lucht komt, ontploft het niet ineens. Het is brandbaar, net zoals aardgas. Maar het brandt pas wanneer het in de juiste verhoudingen met zuurstof wordt gemengd. Vervolgens is er nog een vlam nodig om het te laten ontploffen. Daarom is het vanzelfsprekend dat mensen voorzichtig met het gas moeten omgaan. 

Lees ook:

De 7 hardnekkige fabels over waterstof
Wat merken jij en ik van waterstof?

Op korte termijn? Niet veel. De toepassing van waterstof in huizen laat nog op zich wachten. Een collectief warmtenet of een elektrische warmtepomp bieden vaak een betere oplossing. In het verkeer zal het aantal transportvoertuigen dat op waterstof rijdt waarschijnlijk wel toenemen. Voor personenverkeer is dat geen zekerheid. Elektromotoren in elektrische auto’s zijn efficiënter in energiegebruik. 

Wat gebeurt er in het Noorden op het gebied van waterstof?

Noord-Nederland heeft als ambitie om een voortrekkersrol in Europa te spelen als het gaat om waterstof. Het Noorden werd uitgeroepen tot de eerste waterstofregio, Hydrogen Valley, van Europa. Er lopen tientallen waterstofprojecten in het Noorden. In totaal zijn de plannen van deze projecten goed voor 9 miljard euro aan investeringen. Voorwaarde is wel dat Brussel en Den Haag met allerlei subsidies deze projecten steunen. De ambities van de drie noordelijke provincies op het gebied van waterstof hebben alleen een kans van slagen als de landelijke en Europese overheid de projecten (financieel) steunt. 

Lees ook:

New Energy Coalition: ‘Vacatures stapelen zich op in energiesector, hoog tijd voor een plan’
Waarom zijn bedrijven en overheden zoveel bezig met waterstof?

Bedrijven en overheden zetten sterk in op groene waterstof om de industrie helpen te vergroenen . Voor bepaalde processen in de chemische industrie is elektrificatie of energiebesparing namelijk niet echt mogelijk. Daarom zijn er zogenaamde groene moleculen nodig om tot emissieverlaging te komen. Waterstof is zo’n groen molecuul, omdat bij verbranding geen CO2 vrijkomt. Een ander groen molecuul is groen gas, maar dat is ook relatief duur en daarvan is veel minder beschikbaar.

Behalve het vergroenen van de industrie zijn er nog andere belangen. Ten eerste: banen. Het Noorden hoopt onder meer met de vele waterstofprojecten werkgelegenheid te scheppen. Een andere belanghebbende is de Gasunie. De Gasunie hoopt dat haar gasinfrastructuur gebruikt kan blijven worden, iets wat mogelijk is met waterstof omdat dezelfde aardgasleidingen na aanpassingen bruikbaar zijn voor het transport van waterstof.

Lees ook:

Opleiden voor de toekomst: bij Noorderpoort sleutelen ze aan waterstofvoertuigen

Andere belanghebbenden zijn de producenten van groene stroom. Deze doen dat bijvoorbeeld met windmolens op de Noordzee. Deze partijen hopen door stimulering van groene waterstof dat de elektriciteitsprijs hoog blijft omdat er dan meer vraag naar stroom is. Zonder elektrolyse is er een grote kans op overcapaciteit in de elektriciteitsmarkt, waardoor de stroomprijzen omlaag gaan. Dit is een afgeleid belang: de productie van waterstof stimuleren om zo een hogere prijs voor groene stroom te krijgen.  

——————————————————————

Vragen van lezers

Is kernergie ook een optie om waterstof mee te maken?

Kernenergie is inderdaad ook een optie om waterstof mee te maken. Wereldwijd is kernenergie een veel gebruikte techniek om stroom mee op te wekken. Wereldwijd wordt ongeveer 10% van de stroom zo opgewerkt. Een voordeel van kernenergie is dat er geen CO2 bij vrijkomt, net als bij windmolens en zonnepanelen. Kernenergie heeft als nadeel dat er risico’s zijn verbonden aan de vrijkomende straling. Ook al is de kans daarop klein, als een incident zich voordoet zijn de gevolgen groot. Daarnaast heeft kernenergie als nadeel dat het afval oplevert waar we de generaties na ons mee opzadelen. Mede vanwege deze risico’s en de maatregelen die daarvoor nodig zijn, is stroom uit een kerncentrale behoorlijk duur. Het bouwen van een kerncentrale vraagt enorme investeringen. De kosten van kerncentrales zijn eigenlijk alleen maar toegenomen, terwijl de kosten van windmolens en met name zonnepanelen de laatste jaren sterk zijn afgenomen. Kortom, met kernenergie waterstof maken, betekent dat er nog veel meer overheidssubsidies nodig zijn, want commerciële marktpartijen gaan dit niet doen vanwege de enorm hoge kosten.

Hoeveel waterstof hebben we nodig als we al het vrachtverkeer op waterstof laten rijden? En lukt dat met windmolens en zonnepanelen of hebben we daar kernenergie voor nodig?

Het is onmogelijk om al het vrachtverkeer op waterstof te laten rijden en al het aardgas door waterstof te laten vervangen met waterstof die we maken uit wind en zon in Nederland. Een simpele rekensom ter illustratie. Een gemiddeld Nederlands huishouden gebruikt ca. 3000 kWh stroom (=3 MWh) en ca. 1750 m3 aardgas ( = ca. 17 MWh). Het gasverbruik van een huishouden is dus qua energie-inhoud dus bijna 6 keer zo groot als het stroomverbruik. Dit geldt overigens ook voor heel Nederland: het energieverbruik bestaat voor maar ca. 20% uit stroomverbruik. Als we nu dit gasverbruik willen vervangen door waterstof die we maken uit stroom, dan verliezen we ook nog eens zo’n 30% aan energie door de omzetting van stroom in waterstof. Dat betekent dat om per huishouden het gas door waterstof te laten vervangen, we ca. 24 MWh stroom nodig hebben (immers, 70% x 24= ongeveer 17). Dit betekent dat het stroomverbruik van huishoudens toeneemt van de huidige 3 MWh naar 27 MWh (= 3+ 24 MWh), dus 9 x zo hoog als nu.

Dit kan onmogelijk met wind en zon. Het aandeel daarvan in de huidige stroomvoorziening is ongeveer 20%, dus we hebben al 5 x zoveel windmolens en zonnepanelen nodig om onze huidige stroomvraag groen te maken. Dat is al een heel karwei. Om dit nog eens met factor 9 te vergroten is kortom onbegonnen werk. Er zijn dus andere oplossingen nodig. Deze oplossingen liggen deels in energiebesparing, deels in waterstof uit aardgas met opslag van CO2 en misschien ook wel in kernenergie.

Als je nu met waterstof een generator aandrijft, kun je dan met deze stroom weer waterstof maken?

Dat kan inderdaad, maar er gaat in beide stappen energie verloren. Om van stroom waterstof te maken, verlies je ongeveer 30% energie, en om van waterstof weer stroom te maken verlies je ca. 40% van de energie, dus na 1 ronde heb je al 70% van de energie verloren. Dit is dus alleen verstandig als je de stroom heel goedkoop kunt inkopen om waterstof te maken (bijv. als er heel veel groene stroom is), om dan weer stroom te maken wanneer de stroom heel duur (bijv. als er geen groene stroom kan worden gemaakt omdat er geen wind en zon is).

Is het een optie om bij particulieren losstaande waterstofgastanks in – bijvoorbeeld – de tuin te plaatsen?

Die tanks zal je toch moeten vullen en daarbij gaat ook weer energie verloren. Dit zou alleen een optie kunnen zijn bij woningen ver van de bewoonde wereld, maar dat is niet meer aan de orde in Nederland.

Ook groene waterstof heeft een CO2 voetafdruk. Een windmolen moet toch een paar jaar draaien om z’n eigen CO2 terug te verdienen?

De energie die nodig is om een windturbine te maken is ongeveer in een half jaar door de windturbine terugverdiend. Een windmolen kan ca. 20 jaar stroom produceren, dus per saldo bespaart het veel meer CO2, dan dat het CO2 uitstoot.

De reductie van waterstofproductiekosten zouden vooral moeten komen uit schaalvergroting. Kan dat überhaupt met de huidige elektrolyse-technieken? Is hiervoor geen technologiesprong nodig?

Dit is een goed punt. Elektrolyse is geen nieuwe techniek, het bestaat al decennia. Er wordt nu onderzocht of je door schaalvergroting kunt besparen op kapitaalskosten. Dit zou kunnen door het slim combineren van verschillende productie-eenheden. In welke mate hier schaalvoordelen te behalen zijn, is nog onzeker. De toekomst zal dat leren.

Voor de waterstofproductie is meer stroom nodig dan de windparken kunnen produceren. Moeten we daarom een deel van onze waterstof importeren worden uit landen met veel zon of een lage bevolkingsdichtheid?

Er wordt inderdaad over gedacht om waterstof te maken in landen waar bijvoorbeeld veel zon is, zoals in Noord-Afrika, daar waterstof te maken en deze waterstof te transporteren. Voor dit transport moet waterstof worden omgezet in een vloeibare vorm of in een andere vloeistof (zoals ammonia), en er moet infrastructuur worden aangelegd voor schepen. Vooralsnog zijn de kosten van dit transport zo hoog, dat ook bij productie van waterstof in zonnige landen nog geen goedkoop alternatief is.

Bij de productie van waterstof door groene stroom door water te jagen worden rendementen gehaald van maximaal 60 en 70%. Als er van waterstof weer elektriciteit gemaakt moet worden, gaat er zelfs 50% verloren. Er gaat in deze omzetting dus heel veel energie verloren. Het totaalrendement is slechts ca. 30%.

Dit klopt helemaal. Het rendement kan wel wat worden verhoogd, bijvoorbeeld door de restwarmte die vrijkomt bij stroomproductie nuttig te gebruiken. Dit gebeurt nu ook al veel bij gas- en kolencentrales. Echter, het opvangen en transporteren van warmte is ook kostbaar, dus het is nog niet goed mogelijk om de rendementen te verhogen zonder de kosten van waterstof ook te verhogen. Hier wordt echter wel veel onderzoek naar gedaan, dus wellicht dat in de nabije toekomst hogere rendementen mogelijk zijn. Echter, er zal altijd sprake blijven van energieverlies bij de conversies.

Vragen specifiek gesteld over NortH2, antwoorden van Henk Abbing:
Is schaalvergroting mogelijk met de huidige elektrolyse-technieken?

Ja, dat is mogelijk. De belangrijkste doorbraken zijn er al, terwijl er natuurlijk ook gewerkt wordt aan kleine nieuwe ontwikkelingen om de productie nog efficiënter te maken. Bedrijven als het Amerikaanse Advanced Ionics ontwikkelden al een elektrolyseertechnologie die minder dan 40 kilowattuur nodig heeft om 1 kilogram waterstof te produceren. Dat is efficiënt genoeg om groene waterstof goedkoper te maken dan de blauwe variant. De grootste winst valt te behalen op gebied van de productie van die elektrolysemachines. Als de vraag naar waterstof groeit, groeit ook de vraag naar elektrolysemachines. Hierdoor kunnen efficiëntere productielijnen opgezet worden, wat ook weer schaalvoordelen biedt. 

Binnen NortH2 werken we aan het optimaliseren van de installaties zelf, maar ook aan het efficiënter inrichten van alles eromheen. Bij de productie van waterstof heb je te maken met de kosten van elektrolyse en elektriciteit, maar ook met bijvoorbeeld het transport en opslag. Op die gebieden valt ook winst te behalen door op grotere schaal te produceren.

Werkt NortH2 samen met de gemeenten bij het ontwikkelen van de regionale transitieplannen?

Eigenlijk niet, want de opwekking van waterstof binnen het project NortH2 is bedoeld voor heel Nederland en zelf voor (industrie)gebieden en over de grens. Als je alleen in de regio, voor de regio produceert dan haal je de schaalgrootte die nodig is om qua kosten competitief te zijn. De Eemshaven biedt natuurlijk wel kansen voor de regio. Een duidelijk voorbeeld zijn de banen die een dergelijk project oplevert, maar er zijn meer economische spill-over effecten.

Ziet NortH2 de Eemshaven ook als H2-distributiecentrum? Zo ja, zijn er in de plannen ook de nodige voorzieningen voor deze H2-import meegenomen?

Dat is een scenario dat nog ver in de toekomst ligt, te denken aan na 2040. Maar in de basis klopt het dat als je alle energie in heel Europa groen wilt maken, je moet gaan importeren. De waterstofeconomie in Europa is als een tweetrapsraket. De eerste is dat de markt voor Europese waterstof op gang moet worden gebracht, dat doen we door competitief en grootschalig te produceren en af te zetten binnen de EU. Daar werken we, bijvoorbeeld met het NortH2 project in de Eemshaven, hard aan. In de laatste jaren van dat traject (2035-2040) zal import van waterstof nodig zijn om aan de behoefte binnen Europa te kunnen voorzien; daarna komen (hopelijk) internationale projecten waar Europa een rol in speelt.

We weten nog niet waar het toekomstige distributiecentrum voor dat toekomstscenario het beste kan komen. Eerst moeten we grootschalig gaan produceren, vervolgens groeien naar laten we zeggen meer dan 10 gigawatt; tegen de tijd dat we dat realiseren kunnen we serieus kijken naar welke plek het beste is voor de distributie van onze Europese waterstof. Natuurlijk maakt de Eemshaven dan kans, gezien alle ervaring die we tegen die tijd hebben als spil in de waterstofeconomie van Noordwest-Europa.

Dit artikel is geschreven met medewerking met prof. dr. Machiel Mulder van de Rijksuniversiteit Groningen. De hoogleraar Regulering van Energiemarkten onderzoekt onder meer de economische haalbaarheid van duurzame waterstof.

Nog vragen?

Heb je nog een vraag over waterstof die in dit artikel niet wordt beantwoord ? Mail deze dan naar noordz@ndcmediagroep.nl en de redactie gaat op zoek naar het antwoord. Daarbij zal dit artikel online op noordz.nl doorlopend worden aangevuld.

William Zijlstra (Journalist)

William Zijlstra (Journalist)

Geplaatst op: 12 februari 2021

[GA TERUG]

Geef uw reactie:

Je e-mailadres wordt niet bij je reactie gepubliceerd. We verwerken je reactie alleen om je eenmalig op de hoogte brengen van plaatsing of afwijzing van je reactie. Je naam wordt alleen geplaatst bij de reactie. Deze wordt verder niet verwerkt.