Waterstof als alternatieve energiebron

Waterstof is een van de serieuze alternatieven voor fossiele brandstoffen in de energietransitie. Het wordt al langer toegepast als raketbrandstof en het is ook geschikt voor andere transportmiddelen zoals auto’s en boten. Ook kan het ingezet worden in aggregaten. Op termijn zou het zelfs gebruikt kunnen worden om huizen te verwarmen. We gaan er de komende jaren dus zeker meer van horen. Maar wat is waterstof precies?

Waterstof, het kleinste element in het heelal, is bij kamertemperatuur een gas, dat geurloos, kleurloos en smaakloos is. Het gas wordt gevormd door twee waterstofatomen; H₂. Een waterstofatoom wordt aangeduid als H en bevat 1 proton en 1 elektron. Waterstof, H₂, bevindt zich in 70% van alle materie in het heelal. Er is dus veel van beschikbaar, maar er is altijd een proces nodig om waterstof te winnen. Waterstof is bijvoorbeeld te halen uit aardgas, kolen, bio-ethanol en water.

Waterstof als brandstof en energiedrager

Waterstof wordt als los element in de chemische industrie toegepast en je kunt het als brandstof gebruiken in een verbrandingsmotor. Daarnaast is het een energiedrager: een stof die via een chemisch of fysisch proces stroom of warmte kan produceren. Hiervoor wordt in het geval van waterstof vaak elektrolyse gebruikt. Via een elektrische stroom reageert waterstof met zuurstof, waarna water, warmte en elektriciteit ontstaan. Dit gebeurt in een brandstofcel. Ook de elektriciteit die via de brandstofcel verkregen wordt kan ingezet worden om een motor te laten draaien, bijvoorbeeld in een auto. Een gewone reactie van waterstof en zuurstof bij kamertemperatuur verloopt heel langzaam, vandaar dat in een brandstofcel een elektrische vonk wordt toegevoegd als katalysator.

Duurzaamheid van waterstof via elektrolyse

Bij de inzet waterstof via elektrolyse komt geen CO₂ vrij. De uitkomsten van het proces (water, warmte en elektriciteit) zijn dus duurzaam. Bovendien is van waterstof minder nodig dan van gebruikelijke brandstoffen voor het verkrijgen van dezelfde hoeveelheid energie. Waterstof is als energiedrager twee tot drie keer efficiënter. Natuurlijk is het wel belangrijk hoe de waterstof oorspronkelijk gewonnen is. Waterstof uit gas of kolen is vanzelfsprekend geen duurzaam alternatief: er zijn nog steeds fossiele brandstoffen nodig en er komt CO₂ vrij. Bij bio-ethanol ligt dat al genuanceerder. De CO₂ die vrijkomt bij het proces, wordt gecompenseerd door de groei van de gewassen waar bio-ethanol van gemaakt wordt. Hierbij is weer van belang dat voor deze biomassa geen voedselproductie wordt verdrongen. De meest zuivere bron voor waterstof is water. Voor de opwekking van waterstof uit water is wel elektriciteit nodig. Door hierbij te kiezen voor elektriciteit opgewekt door zonnepanelen of windturbines, is het mogelijk waterstof vrijwel volledig duurzaam en CO₂-neutraal in te zetten.

Kleuren waterstof

De duurzaamheid van waterstof wordt vaak uitgedrukt in “kleuren”. De meest bekende kleuren zijn grijs, groen en blauw, maar naarmate er nieuwe methoden voor waterstofwinning worden ontwikkeld, worden hier nieuwe kleuren aan toegevoegd, zoals geel, oranje en turquoise.

Grijze waterstof wordt gewonnen uit fossiele energiebronnen. De waterstof is dan zelf wel schoon, maar de productiemethode en de grondstof niet, waardoor er in de gehele keten geen winst wordt geboekt en er alleen voordelen zijn qua lokale uitstoot. Wordt de CO₂ die tijdens de productie van grijze waterstof wordt uitgestoten afgevangen en opgeslagen? Dan is er sprake van blauwe waterstof. Hierbij komt er geen CO₂-uitstoot vrij in de atmosfeer, maar gaan er wel fossiele energiebronnen verloren. Het écht duurzame alternatief is groene waterstof, verkregen uit elektrolyse van water. Daarbij is het wel belangrijk dat de elektriciteit die hiervoor wordt gebruikt afkomstig is van duurzame energiebronnen zoals zon en wind energie. Hoewel er in dit proces energie verloren gaat, is waterstof vooralsnog een interessante energiebron voor toepassingen waarin elektriciteit niet in de stroomvraag kan voorzien, bijvoorbeeld in de scheepvaart of zware industrie. Momenteel is er bij het grootste deel van de waterstofproductie sprake van grijze waterstof. Naar verwachting komt de transitie naar groene waterstof vanaf 2030 goed op gang.

Dan zijn er nog de nieuwere productiemethoden en hun bijbehorende “kleur”. Wanneer waterstof wordt gewonnen uit een schone energiebron als kernenergie of biomassa, spreken we van gele waterstof. Wanneer deze waterstof in Nederland is geproduceerd, noemen we dit oranje waterstof. Tot slot wordt in laboratoria momenteel gewerkt aan een nieuwe productiemethode. Daarbij wordt waterstof gewonnen door aardgas door gesmolten metaal te leiden, waarbij vaste koolstof en waterstofgas vrijkomen. Het gaat nog een aantal jaren duren voordat deze productiemethode daadwerkelijk praktisch kan worden ingezet en deze zogenaamde turquoise waterstof op de markt komt.

Waterstofontwikkelingen

Steeds meer partijen onderzoeken hoe waterstof duurzaam en met voldoende rendement in te zetten is. De Magnum-gascentrale in Eemshaven wordt omgebouwd naar een waterstofcentrale. Eerst werkt deze op gas met ondergrondse CO₂-opslag, maar vanaf 2030 moet de winning 100% via elektrolyse met duurzame bronnen gaan. Onder meer Gasunie en Tennet onderzoeken of ze op zee overtollige energie van windenergieparken kunnen inzetten voor de productie van waterstof. Verschillende autofabrikanten (o.a. Toyota, Honda en Hyundai) hebben al brandstofcel-motoren op de markt, en bijvoorbeeld in Duitsland moeten er eind 2019 minimaal honderd tankstations voor waterstof zijn. Er waren er begin 2019 al meer dan vijftig. En dat is nog maar een greep uit de recente initiatieven in de energietransitie.

Waterstofaggregaat

Waterstof is al succesvol ingezet als brandstof voor een aggregaat. In 2011 lanceerde Bredenoord de Purity met brandstofceltechniek. Waterstofaggregaten hebben naast de al genoemde eigenschappen van waterstof het voordeel dat ze erg stil werken. En met de voortschrijdende techniek worden waterstofaggregaten ook steeds breder inzetbaar. Zo kan een toepassing als mierenzuur vervoer en opslag efficiënter maken. Ook wordt gewerkt aan manieren om de waterstofmotoren ook in koude omstandigheden goed in te zetten. Door het gedemineraliseerde water in de installatie is er immers risico op bevriezing. Inzet van de Purity op verschillende evenementen heeft al aangetoond dat het werken met waterstof, ook bij grote mensenmassa’s, volledig veilig is. Ook het vervangen van waterstofcylinders is eenvoudig en snel te realiseren.

Heeft u vragen over de waterstofontwikkelingen binnen Bredenoord of heeft u advies nodig binnen uw project? Onze medewerkers staan graag voor u klaar.