Om de klimaatdoelen te halen, zal de CO2-uitstoot in Nederland (en dus ook in Zeeland) omlaag moeten. Het Klimaatakkoord voorziet hierbij in een bescheiden rol voor waterstof.
Bij de verbranding van dit kleur- en reukloze gas komen bijna geen vervuilende stoffen vrij, alleen water. Waterstof wordt nu al gebruikt in de industrie, met name in de chemische sector en om kunstmest te produceren. Ondanks dat het een groene brandstof kan zijn, zullen er in de nabije toekomst nog niet op grote schaal auto’s op waterstof rondrijden.
Wat is waterstof?
Waterstof komt van nature niet op aarde voor. Het moet geproduceerd worden, net als bijvoorbeeld elektriciteit. Dat kan op twee manieren: door aardgas te verhitten of door elektrolyse toe te passen op water. De eerste manier kan zogenoemde grijze of blauwe waterstof opleveren. Bij deze methode komen nog steeds broeikasgassen vrij. Zo is de Zeeuwse waterstofproductie jaarlijks verantwoordelijk voor een CO2-uitstoot van 4 miljoen ton. Bij de productie van groene waterstof komen geen vervuilende stoffen vrij, vooropgesteld dat de stroom die wordt gebruikt bij de elektrolyse met wind- of zonne-energie is opgewekt.
De meest voorkomende methode om waterstof te maken heet stoomreforming. Daarbij wordt aardgas verhit met hoge temperatuurstoom. Het water reageert met methaan. De koolstofmonoxide die hierbij wordt gevormd, wordt met stoom omgezet in CO2 en H2: koolstofdioxide en waterstof. Deze variant wordt grijze waterstof genoemd, omdat er per kilo geproduceerde waterstof 10 kilo CO2 vrijkomt.
Het proces voor blauwe waterstof is hetzelfde als voor grijze, alleen wordt bij deze variant de vrijgekomen CO2 opgevangen. Het broeikasgas wordt opgeslagen of hergebruikt in bijvoorbeeld kassen. Blauwe waterstof heeft minder nadelige gevolgen voor het klimaat dan grijze. Nadelen zijn dat er nog steeds een fossiele brandstof voor de productie nodig is, dat het afvangen van CO2 duur is en er altijd nog een deel van de CO2 de lucht in gaat. Verder gaat ongeveer 30% van de energie verloren bij het afvangen van de CO2, er is dus meer aardgas nodig voor blauwe waterstof dan voor grijze waterstof.
Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse. Bij dat proces wordt water omgezet in waterstof en zuurstof; hierbij komen geen broeikasgassen vrij. Deze techniek om waterstof te maken heeft nu nog twee grote nadelen. Ten eerste gaat ook bij dit proces meer dan 30% van de energie verloren. Ten tweede zijn elektrolysers nog erg duur en er is nog veel onderzoek naar de technologie noodzakelijk. Op deze manier waterstof produceren is daarom nog niet kosteneffectief.
Waarvoor wordt waterstof gebruikt?
Waterstof wordt momenteel alleen gebruikt in de industrie. Iets meer dan de helft van de Nederlandse waterstof wordt gebruikt voor de productie van ammoniak, dat weer een belangrijke grondstof is voor kunstmest. De overige 40 procent gaat naar het raffineren van aardolie en methanolproductie.
In principe kan waterstof aardgas vervangen als verwarmer van woningen. De bestaande gasleidingen moeten daarvoor worden aangepast, net als de HR-ketels. Ook zouden in de toekomst auto’s op waterstofgas rond kunnen rijden in Nederland, in plaats van benzine of diesel. Met de waterstof in de tank wordt elektriciteit opgewekt, die op zijn beurt de batterij van de elektromotor oplaadt. Personenauto’s op waterstof kunnen momenteel zo’n 600 kilometer rijden op ongeveer 6 kilo brandstof.
Tot slot kan waterstof worden gebruikt om CO2-vrije elektriciteit te produceren, bijvoorbeeld in een grote centrale, en om energie te transporteren. Zo zou bij grote windparken op zee waterstof kunnen worden opgewekt met behulp van elektrolyse, waarna het op land direct wordt gebruikt of wordt opgeslagen.
Auto’s op waterstof worden ook wel Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) genoemd. Ze hebben een aantal voordelen ten opzichte van elektrische voertuigen en auto’s met een verbrandingsmotor, maar ook een aantal (nog) zwaarder wegende nadelen.
Het grootste voordeel van een FCEV was de range: 600 kilometer op een volle tank ten opzichte van zo’n 250 kilometer met een gemiddelde elektrische auto. De laatste modellen (bijvoorbeeld Tesla model 3) hebben echter al een range van meer dan 500km waardoor dit voordeel verdwijnt. Waterstof kan wel bijna net zo snel worden getankt als diesel en benzine; het opladen van een elektrische auto duurt momenteel nog een stuk langer.
Een FCEV kan dan wel verder rijden, maar is ook veel onderhoudsgevoeliger dan een elektrische of conventionele auto. De brandstofcel waarin waterstof wordt omgezet in elektriciteit, gaat momenteel zo’n 160.000 kilometer mee. De batterij van een elektrische auto veel langer, 400.000 kilometer. Daardoor is de waterstofauto niet concurrerend, al is de verwachting wel dat de komende jaren flinke vooruitgang zal worden geboekt. Tot slot gaat in de hele keten van groene waterstofproductie naar gebruik in de auto circa 75% van de elektriciteit verloren. Bij een elektrische auto is dit verlies over de keten ongeveer 40%.
Waarom gebruiken we waterstof nog niet in het dagelijks leven?
Er zijn een aantal redenen waarom waterstof nog niet (uitgebreid) wordt ingezet voor bovengenoemde toepassingen. De voornaamste: er is nog geen noodzaak voor en er zijn nog voldoende alternatieven voorhanden. Omdat er veel duurzame energie nodig is voor de productie van waterstof, is het beter om deze elektriciteit direct te gebruiken, in plaats van het overzetten (met hoge energieverliezen) in waterstof.
Daar komt bij dat het Klimaatakkoord het gebruik van aardgas voor de productie van elektriciteit of warmte nog niet aan banden legt. Daarmee is een rol van waterstof in bijvoorbeeld het verwarmen van huizen voorlopig nog niet aan de orde.
Verder is de productie van alle soorten waterstof duur. De technologie is bovendien nog niet voldoende ontwikkeld om groene waterstof efficiënt in te kunnen zetten. Bij het omzetten van elektriciteit in waterstof gaat nog veel energie verloren.
De schaarste van duurzame energie speelt hier ook een rol in. Het aandeel wind- en zonne-energie in de totale elektriciteitsproductie in Nederland is nog beperkt. Het grootschalig omzetten van dit schaarse aanbod in waterstof, waarbij een groot deel van de energie verloren gaat, ligt dus niet voor de hand.
Om elektrolyse goedkoper te maken, moet nog veel onderzoek worden gedaan. Drie technologieën worden daarbij als kansrijk beoordeeld voor de toekomst: alkaline elektrolysers, PEM elektrolysers (Proton Exchange Membrane) en SOEC elektrolysers.
Wat doet waterstof in Zeeland?
In Nederland neemt de provincie Zeeland de helft van de waterstofproductie voor haar rekening: zo’n 450.000 ton per jaar. Deze productie vindt met name plaats in de Kanaalzone (rondom het kanaal Gent-Terneuzen) en het Sloegebied (de havens en industrie ten oosten van Vlissingen). Daarmee is Zeeland een waterstofhotspot in Nederland.
In het Klimaatakkoord zijn verschillende toepassingen opgenomen waarvoor waterstof op termijn geschikt moet zijn. Dit beleid is voor de provincies, en dus ook voor Zeeland, vastgelegd in een Regionale Energiestrategie. De zogenoemde waterstofladder is hierbij leidend, en dan met name de bovenste drie treden van deze ladder.
Absolute prioriteit voor de provincie is dat waterstof dé CO2-vrije grondstof moet worden voor de procesindustrie (zoals raffinage, chemie, maar ook de hoogovens). Daarvoor moet groene waterstof worden geproduceerd of geïmporteerd. Om zelf in de behoefte aan groene waterstof te voldoen, zet Zeeland in op een grootschalige elektrolysefabriek.
Voor diezelfde procesindustrie moet waterstof een manier worden om temperaturen boven de 600 graden Celsius te kunnen behalen, zonder dat daar CO2 bij vrijkomt. Tot slot is het op termijn noodzakelijk dat waterstof wordt gebruikt om duurzame elektriciteit op te slaan. Zeeland ziet hier met name na 2030 kansen voor, maar zal waar mogelijk erop anticiperen om dit eerder te bewerkstelligen.
In de waterstofladder zijn de oplossingen met waterstof gerangschikt naar kansrijkheid.
In deze voorbeelden is de gemiddelde Nederlandse brandstofmix voor elektriciteitsproductie genomen (ook voor de productie van waterstof).
Voor fossiele brandstoffen
Een tank van 55 liter benzine levert een range op van 1.045 kilometer. Per kilometer wordt met benzine 0,50kWh energie verbruikt. Voor een afstand van 15.000km is 789 liter brandstof nodig en dat kost (op moment van schrijven) 1.397 euro. De CO2-uitstoot voor die afstand is voor een benzinemotor 1,8 ton.
Voor elektrisch rijden
Een accu die 62kWh kan opslaan, zorgt ervoor dat de auto 385km kan rijden (verbruik 0,16 kWh per km). Voor 15.000 km is dat dan 15.000x0.161=2.415 kWh. Ervan uitgaand dat 1kWh 0,25 euro kost, levert dat brandstofkosten van 604 euro per jaar op. De CO2-uitstoot is 2415 keer de gemiddelde CO2- uitstoot van Nederland. Daar hebben we 0,45kg/kWh voor genomen, op basis van cijfers die eind 2017 zijn gepubliceerd. Qua Co2-uitstoot levert elektrisch rijden dan de volgende som op: 2415 x 0,45 = (afgerond) 1,1 ton CO2.
Voor rijden op waterstof
Een auto heeft een tank van 6,6kg (dat is de gangbare maat). Op 1kg waterstof kun je ongeveer 100 km rijden (verbruik 0,2kWh per kilometer): 1kg waterstof is 33k Wh, dat wordt omgezet in 19,8kWh elektriciteit. Om 15.000km te kunnen rijden is dus 150kg waterstof nodig. De prijzen voor waterstof liggen op moment van schrijven rond de 10 euro per kg. Om 150kg waterstof te kunnen produceren (met elektrolyse) is 150x33/(70% efficiency) kWh elektriciteit nodig, is 7071kWh. Deze 7071kWh stoot (weer met 0,45 kgCO2/kWh) ongeveer 3,2ton CO2 uit.
Uitgegaan wordt van een warmtevraag van 45Gj per jaar, oftewel 12.500kWh. In deze voorbeelden is de gemiddelde Nederlandse brandstofmix voor elektriciteitsproductie genomen (ook voor de productie van waterstof).
Voor aardgas
Een HR-ketel op aardgas verbruikt jaarlijks 1.422 kubieke meter gas. Dat levert een CO2-uitstoot op van 2,8 ton.
Voor waterstofgas
Een HR-ketel op waterstofgas verbruikt jaarlijks 4.630 kubieke meter gas. Dat levert een CO2-uitstoot op van 8,9 ton. Het waterstofgas moet immers eerst worden geproduceerd en daar komt CO2 bij vrij. Een kubieke meter waterstofgas staat gelijk aan 3kWh. Om dat te produceren is 3/70%efficiency= 4,3kWh elektriciteit nodig. De CO2-uitstoot die bij het opwekken vrijkomt, is: 3kWh/70%X0.45 kgCO2/kWh x 4630m3 waterstofgas = 8,9 ton CO2.
Voor elektriciteit
Elektrische verwarming verbruikt 12.500kWh op jaarbasis, wat een CO2-uitstoot oplevert van 5,2 ton. Verwarming middels een elektrische warmtepomp is een stuk zuiniger: die verbruikt 3.125kWh per jaar met een CO2-uitstoot van 1,3 ton.
