H2 Facts

Waterstof is het lichtste, kleinste en ook eenvoudigste element. Het bestaat uit één proton en één elektron. Omdat het zo licht is kan je er een ballon mee vullen die direct zal opstijgen. In 1766 slaagde wetenschapper Henry Cavendish erin waterstof te identificeren. Als gas (H₂) is waterstof kleurloos, geurloos, niet corrosief, niet oxiderend, niet radioactief en niet giftig.

Waterstof in bruikbare vorm komt in de natuur niet voor en moet gemaakt worden, door de waterstofatomen van andere moleculen af te splitsen; bijvoorbeeld van aardgas (CH₄) of van water (H₂O). Dat vergt energie. Het resultaat is het energierijke molecuul waterstof. Het is met andere woorden geen energiebron, maar een energiedrager.

Bij toediening van warmte – een vlam – reageert waterstof met zuurstof en vormt weer water. Daarbij komt een forse hoeveelheid energie vrij: 125 MJ per kilo waterstof: 3,5 maal zoveel als een liter benzine. Door de heftige reactie bij ontbranding werd waterstof ook wel knalgas genoemd.

Waterstof komt van nature niet voor en moet gemaakt worden uit aardgas, biomassa of met elektriciteit. Daarmee is waterstof een energiedrager, maar is dat wel efficiënt?

Energiedrager zonder CO₂

Er is een duidelijk voordeel om waterstof als energiedrager te gebruiken in plaats van bijvoorbeeld aardgas, benzine of dieselolie. Bij verbranding van waterstof of omzetting in stroom in een brandstofcel komen geen CO₂ of andere emissies vrij.

Elektriciteit versus waterstof

Waar elektriciteit voldoet als energiedrager is er uiteraard geen reden om er eerst waterstof van te maken. Voor bepaalde toepassingen zijn er echter zeker goede redenen om met elektriciteit waterstof te produceren als energiedrager.

Waterstof uit groene stroom

Waterstof gemaakt met groene stroom heeft als voordeel dat er geen uitstoot is van kooldioxide en dat het gaat om oneindige, duurzame energie. De op deze manier gemaakte waterstof is voor tal van toepassingen interessant.

Energiedrager voor…

Met waterstof zijn bijvoorbeeld hogere temperaturen te halen. Vrachtwagens kunnen op waterstof verder rijden dan met energie uit een batterij. Die batterij is bovendien zwaar, wat het laadgewicht beperkt. Om diezelfde reden is waterstof een betere optie voor vliegtuigen dan batterijen. Die kunnen met het lichte waterstof makkelijker lange afstandsvluchten maken. Brandstofcellen kunnen waterstof omzetten in stroom voor de elektrische vliegtuigmotoren.

Waterstof is een schone, breed toepasbare energiedrager die heel goed duurzaam geproduceerd kan worden. Waterstof kan op vele wijzen gemaakt worden, uit verschillende energiebronnen. Om dat kort te duiden worden er kleuren aan gegeven. De belangrijkste drie zijn ‘grijs, ’blauw’ en ‘groen’. Maar soms wordt er ook over ‘bruin’, ‘paars’, ‘geel’ of ‘oranje’ gesproken. Hier lichten we enkel de betekenis van de eerste drie kleuren toe.

Waterstof schoon alternatief

Bij gebruik veroorzaakt waterstof geen enkele vervuiling: geen broeikasgas, geen fijnstof of een andere vervuiling. Het is daarmee een schoon alternatief voor fossiele energie, bijvoorbeeld ter verwarming van huizen, voor industriële processen of voor het rijden van auto’s of treinen.

Van grijze waterstof…

Waterstof komt van nature niet voor en moet wel eerst gemaakt worden uit andere energievormen, bijvoorbeeld uit biomassa of uit aardgas. Bij deze productie ontstaat naast waterstof ook CO₂ en dan spreken we van grijze waterstof

…naar duurzaam waterstof

CO₂ kan afgevangen en opgeslagen worden. Dan spreken we van blauwe waterstof (zie hieronder). Wanneer waterstof met elektriciteit wordt gemaakt is het logisch te kiezen voor zonne- en windstroom (groene waterstof). Dan is de duurzame waterstof met oneindig beschikbare energie gemaakt.

Waterstof is het kleinste molecuul met een geringe energiedichtheid: driemaal minder energie per M³ dan aardgas.

Waterstof kan prima via gasleidingen getransporteerd worden en met beperkte aanpassingen ook door de bestaande aardgasleidingen. Dat is niet altijd een optie. Voor opslag of transport in een schip of met een vrachtwagen zijn er andere oplossingen nodig. Anders zou een vrachtwagen met waterstof vooral veel gas met nauwelijks energie vervoeren.

Transport waterstof onder druk

Waterstof kan met enorme druk gecomprimeerd worden. Kenmerkend aan de gasvormige opslag zijn de typische composieten hogedrukvaten (200, 350 of 700 bar). Nadeel is dat er door het comprimeren 6% energie verloren gaat door het gebruik van een compressor.

Transport vloeibare waterstof

Bij een temperatuur van −252,87°C is waterstof bij atmosferische druk vloeibaar. Het is dan 800 maal minder volumineus per eenheid gewicht. Waterstof kan dan worden opgeslagen in zeer goed geïsoleerde tanks, ook wel ‘dewars’ genaamd (genoemd naar Sir James Dewar). Vloeibare waterstof is interessant voor de opslag en transport, maar het afkoelen kost uiteraard veel energie.

Transport waterstof in chemische verbinding

Het is ook een optie om waterstof om te zetten in een andere moleculaire verbinding, zoals ammoniak (NH₃) of mierenzuur (CH₂O₂). Dit zijn zwaardere moleculen met meer waterstof per volume. Dan gaat transport makkelijker. Genoemde verbindingen zijn vloeibaar bij atmosferische druk. Het kost echter energie om de waterstof uit de verbindingen te halen.

Het is de bedoeling om waterstof uiteindelijk enkel uit hernieuwbare energie zoals zon en wind te maken, dus niet meer uit aardgas.

De Nederlandse totale jaarlijkse energievraag (primair) is ongeveer 3000 PJ. Het beleid is gericht op verduurzaming door eerst de CO₂ die bij productie vrijkomt af te vangen en door waterstof uit groene stroom te maken. De totale Nederlandse energievraag zal dalen door verbeterde efficiëntie, en zal richting 2050 ergens bij de 2500 PJ uitkomen.

Herkomst groene waterstof

Stel dat we in 2050 ongeveer 20% van de energievoorziening met groene waterstof willen maken, dan is dat 500 PJ, oftewel 140 TWh. Hiervoor is dan 30 GW aan wind op zee nodig. Bijna driemaal zoveel als er voor 2030 gepland is vanuit het Klimaatakkoord. Dat is erg veel.

Import van waterstof

De kans is dus groot dat Nederland ook veel waterstof zal importeren. Dat kan afkomstig zijn van zonrijke regio’s, waar groene waterstof uit zonnestroom goedkoper te maken is dan in onze regio met minder zonuren en zonkracht.

Waterstof bevat net als aardgas of benzine veel energie. En net als bij deze brandstoffen is het gebruik aan voorschriften onderhevig om de veiligheid te garanderen.

Waterstof niet gevaarlijker dan aardgas

Waterstof is daarmee niet gevaarlijker dan het gebruik van aardgas. Het heeft wel andere eigenschappen en het gebruik vereist dus aparte regels.

Waterstof ook wel knalgas

De verbranding kan fel verlopen, waterstof brandt 8x sneller dan aardgas (waterstof heet ook wel knalgas!). Het is dus een gas dat we niet zomaar kunnen gebruiken in een gastoestel dat voor normaal aardgas bedoeld is.

Kleurloze waterstofvlam

Waterstof brandt ook heel anders dan dat we gewend zijn. Het heeft een kleurloze vlam. Het is een schone verbranding die enkel waterdamp oplevert. De temperatuur van de vlam is hoger dan bij aardgas. Tegelijkertijd heeft een liter waterstofgas veel minder energie dan een liter aardgas.

Waterstof in industrie

Waterstof wordt al lang in de industrie gebruikt maar is voor vele energietoepassingen nog een relatief nieuw fenomeen en rond veiligheid moet nog veel uitgewerkt worden.

Waterstofauto gevaarlijk?

Bij waterstofauto’s is uiteraard veiligheid gewaarborgd. De tanks voor waterstof zijn zeer sterk en bestand tegen de impact van zeer zware crashes. De tank is vele malen sterker dan die van benzine, omdat die immers ook de hoge druk (tot 700 bar) van waterstof moet weerstaan.

Er wordt al heel veel waterstof in Nederland gebruikt: een hoeveelheid met een energiewaarde van wel 175 PJ (de totale primaire energievraag in ons land is ongeveer 3000 PJ). Het huidige gebruik is bijna geheel voor industriële productie, zoals raffinage van aardolie of kunstmest maken.

Waterstoftoepassingen

Auto’s kunnen op waterstof rijden, de industrie kan het gebruiken als energievorm en huizen kunnen er zelfs mee verwarmd worden. Dan gaat het bijvoorbeeld om een alternatief voor kolen in de metaalindustrie. Op dit moment zijn die energietoepassingen nog heel beperkt. Fossiele energie is nog de norm.

Rijden en verwarmen op waterstof

Er rijden een paar honderd voertuigen op waterstof en er worden enkele proefwijken mee verwarmd. Maar de verwachting is dat dit de komende jaren fors zal groeien.

Waterstof als energiedrager is wel duurder

De productie van waterstof kost zelf energie en vereist een proces met kostbare installaties. Dat maakt dat per definitie waterstof duurder is dan de energiedrager waar het uit voortkomt: aardgas of (groene) elektriciteit. De elektriciteitsprijs ligt per eenheid energie fors boven die van aardgas; daarmee is ook waterstof uit elektriciteit nu nog een stuk duurder.

Afvangen van CO2 broeikasgas

Bij aardgas heeft het pas zin op waterstof over te gaan indien het vrijkomende broeikasgas CO₂ wel afgevangen en opgeslagen wordt. Ook dat heeft een prijs. Kortom, de energierekening van huishoudens zou flink omhooggaan indien we nu alle huizen op waterstof gaan verwarmen en bij veel woningen meer dan bij de overstap op warmtepompen of duurzaam geproduceerde stadswarmte.

Waterstof breed toepasbaar

Toch is waterstof voor een groot deel van de huizen wel de goede oplossing. In bepaalde historische wijken of op het platteland is een warmtenet onmogelijk aan te leggen of is er geen duurzame warmtebron ter plekke. Elektrische warmtepompen hebben een beperkte capaciteit en vereisen een erg goed geïsoleerd huis. Dat is bij oude woningen vaak geen reële optie. In dat segment biedt hybride verwarming met elektrische waterpompen en waterstof voor de koude dagen de beste oplossing. Dan gebruik je de duurdere waterstof enkel voor de pieken in vraag, bijvoorbeeld op die paar zeer koude winterdagen.