Waterstof in beeld

Maar er zijn ook nadelen: de productie is niet eenvoudig, het transport kan moeilijk en inefficiënt zijn en daardoor zijn de daadwerkelijke voordelen op het gebied van duurzaamheid niet altijd even duidelijk.

In dit artikel bespreken we enkele van de meestbelovende waterstoftechnologieën, vroege gebruikers, groeiende toepassingen, transport- en opslagmethoden en het regelgevingslandschap, naast overheidsinvesteringen in waterstof.

Technologieën voor waterstofproductie

Waterstof is een van de meest voorkomende elementen op aarde. Maar het zit vaak ingebed in verbindingen – zoals water – en vereist processen om het te verkrijgen. Enkele van de belangrijkste processen zijn:

electrolyse

Elektrolyse is het proces waarbij water met behulp van elektriciteit wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Deze methode, met name wanneer deze wordt aangestuurd door hernieuwbare energiebronnen zoals wind of zon, produceert groene waterstof. Bedrijven zoals Siemens en ITM Power ontwikkelen elektrolysetechnologie, verbeteren de efficiëntie en verlagen de kosten.

Klinkt goed, maar er zijn grote uitdagingen als je dit op grote schaal wilt doen.

Belangrijke kwesties bij de productie van groene waterstof zijn onder meer:

1. Energie-efficiëntie: Huidige elektrolysers hebben een rendement van 60-70%, met aanzienlijk energieverlies. Verbetering van katalysator- en membraantechnologie is cruciaal. De afhankelijkheid van hernieuwbare energie, die intermitterend is, brengt ook uitdagingen met zich mee.
2. Kosten: Hoge initiële kapitaalkosten en doorlopende operationele kosten belemmeren brede acceptatie. Technologische vooruitgang en schaalvoordelen zijn nodig om deze kosten te verlagen.
3. Materialen en grondstoffen: Elektrolysers gebruiken schaarse materialen zoals platina en iridium. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar alternatieve katalysatoren. Bovendien vereist de vraag naar water, hoewel bescheiden, duurzaam beheer.
4. Infrastructuur: De integratie van elektrolysers in het elektriciteitsnet en de ontwikkeling van distributie- en opslaginfrastructuur vormen aanzienlijke obstakels. Het transport en de opslag van waterstof vereisen aanzienlijke investeringen in pijpleidingen, tanks en andere technologieën.
5. Milieuoverwegingen: De gehele levenscyclus van waterstofproductie moet ecologisch duurzaam zijn. De toegenomen vraag naar hernieuwbare energie voor waterstofproductie mag niet leiden tot een heropleving van fossiele brandstoffen.
6. Technologische vooruitgang: Alkaline-, PEM- en SOEC-elektrolysers kennen elk hun eigen uitdagingen. Verbetering van efficiëntie, kosten en duurzaamheid is essentieel. De integratie van elektrolysers met variabele hernieuwbare energiebronnen vereist hybride systemen en geavanceerde technologieën.
7. Economisch en beleidskader: Het ontwikkelen van een stabiele waterstofmarkt en ondersteunend overheidsbeleid is essentieel. Subsidies, belastingvoordelen en internationale samenwerking kunnen onderzoek, ontwikkeling en implementatie stimuleren.

Het aanpakken van deze uitdagingen is van cruciaal belang om van waterstofelektrolyse een levensvatbare, grootschalige groene waterstofoplossing te maken, die de transitie naar een koolstofarme energietoekomst ondersteunt.

Stoommethaanreforming (SMR) met koolstofafvang en -opslag (CCS)

Stoommethaanreforming omvat een reactie tussen methaan (CH₄) en stoom (H₂O) bij hoge temperaturen om waterstof (H₂), koolmonoxide (CO) en een beetje kooldioxide (CO₂) te produceren.

SMR is zeer efficiënt, met een gemiddeld rendement van doorgaans 65% tot 75%. Het is bovendien een volwassen en goed begrepen technologie, waardoor het de meest gebruikte methode is voor industriële waterstofproductie. De infrastructuur en expertise voor SMR zijn breed beschikbaar. Vergeleken met andere waterstofproductiemethoden is SMR ook relatief kosteneffectief, vooral waar aardgas overvloedig en goedkoop is.

Hoewel SMR onmiskenbaar voordelen heeft, vormen de bijbehorende koolstofdioxide-uitstoot en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen aanzienlijke uitdagingen.

De integratie van CCS kan bijdragen aan het verminderen van de impact op het milieu, waardoor SMR een haalbare overgangsoplossing kan zijn, nu de wereld overstapt op duurzamere methoden voor waterstofproductie.

Maar deze productiemethode zal altijd slechts dienen als overgangstechnologie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de bestaande infrastructuur voor aardgas.

Vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's)

Vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's) zetten waterstof om in elektriciteit via een elektrochemisch proces en zijn geschikt voor stationaire energieopwekking.

SOFC's zijn hoogrenderende apparaten die elektriciteit opwekken door waterstof of koolwaterstoffen te laten reageren met zuurstof bij hoge temperaturen (600 °C tot 1,000 °C) met behulp van een vaste keramische elektrolyt. Ze bieden voordelen zoals een hoog elektrisch rendement (50-60%), brandstofflexibiliteit (waterstof, aardgas, biogas) en stabiliteit op lange termijn. Ze kampen echter met uitdagingen zoals materiaaldegradatie, lange opstarttijden, problemen met thermisch beheer en hoge kosten als gevolg van dure materialen en productieprocessen.

SOFC's zijn geschikt voor stationaire energieopwekking, industriële toepassingen en energieopwekking op afgelegen locaties of op zee, dankzij hun hoge efficiëntie en hun vermogen om restwarmte te benutten. Het overwinnen van de technische en economische barrières door middel van vooruitgang in materialen en productietechnieken is essentieel voor een bredere toepassing. Ondanks de huidige uitdagingen bieden SOFC's een grote kans om bij te dragen aan een duurzame energietoekomst met een lagere uitstoot van broeikasgassen.

Bedrijven als Bloom Energy zijn koplopers in de ontwikkeling van SOFC's en bieden efficiënte, schaalbare energieoplossingen voor industrieel en commercieel gebruik.

Vroege gebruikers en groeiende toepassingen

Transport

Personenauto's / Waterstofbrandstofcelvoertuigen (FCV's)

Waterstof-FCV's lopen voorop in de vroege adoptie, met bedrijven zoals Toyota (Mirai) en Hyundai (Nexo) die commercieel verkrijgbare personenauto's op waterstof produceren. Deze voertuigen bieden een grotere actieradius en sneller tanken dan batterij-elektrische voertuigen (BEV's). Maar hoewel het aantal tankstations langzaam groeit, zijn ze nog niet wijdverspreid.  

Toyota heeft met name vastgehouden aan zijn visie om waterstofauto's op grote schaal te gebruiken. Dit verklaart deels waarom het bedrijf achterloopt in de ontwikkeling van een EV-portfolio.

Zwaar transport

Dankzij de hoge energiedichtheid en het snelle opladen van waterstof is het ideaal voor zware toepassingen, zoals vrachtwagens, bussen en treinen. 

Belangrijke ontwikkelingen zijn onder meer de waterstoftrucks van Nikola Motors met een actieradius tot 500 kilometer en de XCIENT Fuel Cell-trucks van Hyundai in Europa. Europese steden en China stappen over op waterstofbussen, terwijl de Coradia iLint-waterstoftrein van Alstom in Duitsland rijdt. De maritieme sector ontwikkelt waterstofschepen, zoals de veerboten van Norled in Noorwegen, met als doel emissievrij transport. 

De groei van waterstoftankstations voor vrachtwagens neemt wereldwijd toe. Noord-Amerika en Europa breiden hun netwerken uit, met belangrijke projecten van bedrijven zoals Nikola Motors en overheidsinitiatieven in steden die waterstofbussen inzetten, waardoor een handige en wijdverspreide tankinfrastructuur ontstaat.

 Industriële toepassingen

Waterstof zou in theorie gebruikt kunnen worden in veel industriële en chemische productieprocessen. De relatieve moeilijkheidsgraad van de productie, het transport en de opslag ervan betekent echter dat het vaak geen praktisch of kosteneffectief alternatief is voor traditionele fossiele brandstoffen zoals steenkool.

Staalproductie

De staalindustrie, een belangrijke CO2-uitstoter, onderzoekt waterstofgebaseerde reductieprocessen om groen staal te produceren. Bedrijven zoals SSAB in Zweden lopen voorop in deze aanpak en streven ernaar steenkool te vervangen door waterstof.

SSAB leidt, in samenwerking met LKAB en Vattenfall, het HYBRIT-initiatief (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). HYBRIT heeft als doel steenkool in het staalproductieproces te vervangen door waterstof, wat water produceert in plaats van CO₂. De pilotfabriek van SSAB in Luleå, Zweden, heeft al 's werelds eerste waterstofgereduceerde sponsijzer geproduceerd.

Ook andere bedrijven, vooral in Europa, experimenteren met waterstof in plaats van traditionele fossiele brandstoffen.  

Salzgitter AG ontwikkelt het SALCOS-project (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) om de staalproductie te decarboniseren. Dit initiatief omvat het gebruik van waterstof voor directe reductie van ijzererts. Salzgitter werkt samen met Sunfire GmbH om hun hogetemperatuurelektrolysetechnologie in te zetten voor de productie van groene waterstof.

ArcelorMittal onderzoekt verschillende waterstofprojecten om de CO₂-uitstoot te verminderen. In Hamburg, Duitsland, testen ze een directe-reductie-installatie die waterstof gebruikt om direct gereduceerd ijzer (DRI) te produceren. Dit pilotproject heeft als doel de haalbaarheid van waterstof als reductiemiddel in de staalproductie aan te tonen.

Tata Steel werkt in haar fabriek in IJmuiden aan het HIsarna-project, dat tot doel heeft de CO₂-uitstoot te verminderen door waterstof te integreren in het staalproductieproces. Het project richt zich op de omzetting van ijzererts in ijzer met behulp van waterstof in plaats van koolstofhoudende materialen.

Thyssenkrupp ontwikkelt zijn Carbon2Chem-project, dat onder meer waterstof gebruikt voor de productie van staal. Het project beoogt emissies uit de staalproductie af te vangen en om te zetten in chemicaliën, met waterstof als belangrijk onderdeel. Thyssenkrupp is ook van plan een waterstoffabriek voor directe reductie te bouwen in Duisburg.

Chemische Industrie

Groene waterstof, geproduceerd via elektrolyse op basis van hernieuwbare energie, verandert de productie van ammoniak en methanol, cruciale chemicaliën met belangrijke industriële toepassingen.

Traditioneel wordt ammoniak geproduceerd via het Haber-Bosch -proces met waterstof uit aardgas, wat aanzienlijke CO₂-uitstoot veroorzaakt. Door gebruik te maken van groene waterstof combineert het proces deze waterstof met stikstof uit de lucht om ammoniak te produceren zonder CO₂-uitstoot. Deze groene ammoniak is essentieel voor meststoffen en als potentiële koolstofvrije energiedrager.

Methanol wordt doorgaans geproduceerd uit syngas (een mengsel van waterstof, koolmonoxide en CO₂) afkomstig van aardgas of steenkool, dat ook aanzienlijke CO₂-uitstoot met zich meebrengt. Groene waterstof, gecombineerd met afgevangen CO₂, kan methanol produceren door middel van hydrogenering, waarbij methanol en water ontstaan. Groene methanol dient als chemische grondstof en brandstof, met een veel lagere CO₂-voetafdruk.

Met name Yara International en Siemens-CF Industries ontwikkelen groene ammoniakprojecten. En Carbon Recycling International (CRI) in IJsland produceert hernieuwbare methanol met behulp van groene waterstof en CO₂.

Andere sectoren

Naast staal en chemicaliën wordt waterstof ook in verschillende industriële processen onderzocht om emissies te verminderen en de duurzaamheid te verbeteren:

1. Cementproductie: Waterstof kan steenkool en aardgas in cementovens vervangen en zo de CO₂-uitstoot verlagen.
2. Glasproductie: Waterstof dient als schone brandstof voor hogetemperatuurovens.
3. Raffinaderijen: Door over te stappen op groene waterstof voor hydrokraken en ontzwavelen kunnen emissies worden verminderd.
4. Eten en drinken: Waterstof drijft ovens en boilers aan, waardoor het gebruik van fossiele brandstoffen wordt verminderd.
5. Textiel en papier*: Waterstof biedt een schoner alternatief voor verwarming en stoomopwekking.
6. Mijnbouwactiviteiten: Waterstofbrandstofcellen drijven zware machines aan, waardoor de impact op het milieu wordt verminderd.
7. Elektronicaproductie: Groene waterstof wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders.
8. Transport en logistiek: waterstofbrandstofcellen worden gebruikt voor de aandrijving van vrachtwagens, bussen, heftrucks en apparatuur voor materiaalbehandeling.

Deze ontwikkelingen laten zien dat waterstof de potentie heeft om verschillende industrieën met hoge emissies te decarboniseren. Toch blijft waterstof een duurdere en minder praktische optie dan de huidige situatie.

Energieopslag en elektriciteitsopwekking

Grootschalige Netopslag

Waterstof kan het elektriciteitsnet stabiliseren door overtollige hernieuwbare energie op te slaan en deze vrij te geven bij piekvraag. 

Tijdens periodes met een overschot aan hernieuwbare energie gebruiken elektrolysers deze overtollige elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De waterstof wordt vervolgens opgeslagen als gecomprimeerd gas, vloeibare waterstof of in chemische verbindingen. Wanneer de vraag het aanbod overtreft, wordt de opgeslagen waterstof via brandstofcellen of verbrandingsturbines weer omgezet in elektriciteit. 

Brandstofcellen wekken elektriciteit op door waterstof en zuurstof te combineren, terwijl verbrandingsturbines waterstof verbranden om stroom op te wekken. Dit proces helpt vraag en aanbod in evenwicht te brengen, zorgt voor betrouwbare noodstroom en ondersteunt de frequentieregeling. 

Waterstofopslagsystemen zijn schaalbaar en kunnen energie langdurig opslaan, waardoor ze ideaal zijn voor integratie met hernieuwbare energiebronnen en het verbeteren van de stabiliteit van het net. Deze aanpak ondersteunt een betrouwbaarder en duurzamer energiesysteem door een consistente stroomlevering te garanderen, ondanks de variabiliteit van hernieuwbare energiebronnen.

Projecten zoals het Europese HyDeploy hebben als doel waterstof te integreren in aardgasnetwerken en daarbij gebruik te maken van de bestaande infrastructuur.

Back-up stroomsystemen

Waterstofbrandstofcellen bieden betrouwbare, schone noodstroom voor kritieke infrastructuur zoals datacenters. Ze leveren continu stroom zolang er waterstof beschikbaar is en kunnen snel worden ingeschakeld om direct back-up te garanderen tijdens stroomuitval. 

Brandstofcellen wekken elektriciteit op door een elektrochemische reactie en stoten alleen water en warmte uit. Hierdoor zijn ze milieuvriendelijk en wordt de CO2-voetafdruk verkleind, vooral bij gebruik van groene waterstof.

Brandstofcellen zijn zeer efficiënt, modulair en schaalbaar, waardoor ze aan specifieke energiebehoeften kunnen voldoen en tegelijkertijd onderhoudsarm en stil zijn. Waterstofproductie en -opslag op locatie verhogen de energiezekerheid, zorgen voor netonafhankelijkheid en een constante brandstofvoorziening. 

Door waterstofbrandstofcellen te implementeren, kunnen datacenters betrouwbare, ononderbroken stroomvoorziening realiseren, emissies verminderen en bijdragen aan duurzaamheidsdoelstellingen. Daarmee vormen ze een aantrekkelijk alternatief voor traditionele dieselgeneratoren.

Bedrijven zoals Microsoft experimenteren met waterstofbrandstofcellen voor hun datacenters.

Opslag en transport van waterstof

Opslag

Waterstofopslag is essentieel voor het gebruik van waterstof als energiedrager, met name voor de integratie van hernieuwbare energie, transport en industriële processen. Effectieve opslagoplossingen moeten rekening houden met uitdagingen op het gebied van energiedichtheid, kosten, veiligheid en infrastructuur. Enkele van de belangrijkste methoden voor waterstofopslag zijn:

Opslag van gecomprimeerd gas

Waterstof wordt opgeslagen in hogedruktanks (350 tot 700 bar). Deze volwassen technologie wordt veel gebruikt, met name in waterstofbrandstofcelvoertuigen (FCV's). Hoewel het relatief eenvoudig is, is de energiedichtheid lager dan bij andere methoden, waardoor grotere opslagvolumes nodig zijn. Hogedrukopslag vereist bovendien sterke, duurzame materialen, wat de kosten verhoogt.

Opslag van vloeibare waterstof

Waterstof wordt afgekoeld tot -253 °C en als vloeistof opgeslagen in geïsoleerde containers. Deze methode biedt een hogere energiedichtheid, waardoor het geschikt is voor toepassingen met beperkte ruimte, zoals de lucht- en ruimtevaart. Het handhaven van cryogene temperaturen vereist echter aanzienlijke energie en speciale isolatie, wat de complexiteit en kosten verhoogt. Er treden ook verdampingsverliezen op na verloop van tijd.

Chemische opslag

Waterstof kan worden opgeslagen in chemische verbindingen zoals metaalhydriden, ammoniak of vloeibare organische waterstofdragers (LOHC's). Metaalhydriden bieden een hoge volumetrische energiedichtheid en veiligheid, maar hebben een lage waterstofafgiftesnelheid. Ammoniak heeft een hoge energiedichtheid en een bestaande infrastructuur, maar is giftig en corrosief. LOHC's bieden een veilige verwerking en maken gebruik van bestaande infrastructuur, maar vereisen energie-intensieve processen om waterstof vrij te maken.

Ondergrondse opslag

Waterstof kan worden opgeslagen in ondergrondse grotten, zoutkoepels of uitgeputte aardgasvelden. Deze methode is kosteneffectief voor grote volumes en geschikt voor opslag op netniveau, maar vereist geschikte geologische formaties en brengt risico's op lekkage en verontreiniging met zich mee.

Geavanceerde materialen

Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar geavanceerde materialen zoals metaal-organische raamwerken (MOF's) en koolstofmaterialen. Deze materialen zouden een hoge opslagcapaciteit kunnen bieden bij lage druk en omgevingstemperaturen, maar bevinden zich nog in de onderzoeksfase en kennen uitdagingen op het gebied van schaalbaarheid en kosten.

Vervoer

Pijpleidingen

Waterstof kan worden getransporteerd via bestaande aardgasleidingen met aanpassingen of nieuwe, speciale waterstofleidingen. Projecten zoals de European Hydrogen Backbone stellen voor om tegen 2040 een trans-Europees waterstofnetwerk te creëren.

Tankwagens

Voor kortere afstanden kan waterstof in gecomprimeerde of vloeibare vorm worden getransporteerd met tankwagens. Deze methode wordt momenteel gebruikt voor de industriële waterstofvoorziening.

Verzending

Vloeibare waterstof wordt momenteel ontwikkeld voor internationaal transport. Kawasaki Heavy Industries heeft 's werelds eerste vloeibare waterstofschip, Suiso Frontier, gelanceerd, dat grootschalige waterstofhandel mogelijk maakt.

Nieuwe methoden

Ook worden er nieuwere transportmogelijkheden ontwikkeld, vaak in combinatie met het transport van belangrijke materialen in industriële processen.

Waterstof kan bijvoorbeeld worden ingebed in ijzererts voor transport naar staalfabrieken. Dit houdt in dat waterstof wordt gebruikt om ijzererts te reduceren tot direct gereduceerd ijzer (DRI), wat de koolstofdioxide-uitstoot in de staalproductie aanzienlijk vermindert. Deze methode vervangt koolstof door waterstof tijdens het reductieproces, waardoor waterdamp in plaats van koolstofdioxide ontstaat. De DRI, met ingebedde waterstof, wordt vervolgens getransporteerd naar staalproductielocaties voor verdere verwerking met behulp van vlamboogovens (EAF's), die kunnen worden aangedreven door hernieuwbare energie. Deze aanpak decarboniseert de staalindustrie, maakt gebruik van bestaande logistiek voor ijzererts en bevordert het gebruik van groene waterstof.

Regelgevingskwesties

Safety Standards

De ontvlambaarheid van waterstof vereist strenge veiligheidsnormen voor productie, opslag en transport. Regelgevende instanties zoals de International Organization for Standardization (ISO) en het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) ontwikkelen veiligheidsrichtlijnen om een ​​veilige behandeling te garanderen.

Infrastructuur Ontwikkeling

Regelgevende kaders moeten de ontwikkeling van infrastructuur ondersteunen, inclusief pijpleidingen, tankstations en opslagfaciliteiten. Beleid ter bevordering van publiek-private samenwerking en gestroomlijnde vergunningsprocedures zijn essentieel.

Stimulansen en subsidies

Overheden implementeren prikkels zoals belastingvoordelen, subsidies en subsidies om de acceptatie van waterstof te bevorderen. De Green Deal van de Europese Unie omvat bijvoorbeeld aanzienlijke financiering voor waterstofprojecten.

Overheidsinvestering

Europa

De Europese Unie is koploper op het gebied van investeringen in waterstof. De EU-waterstofstrategie streeft ernaar om tegen 40 2030 GW aan elektrolysers te installeren. Landen als Duitsland, Frankrijk en Nederland hebben uitgebreide nationale waterstofstrategieën en investeren miljarden in onderzoek, infrastructuur en pilotprojecten.

Europe

Japan en Zuid-Korea zijn pioniers op het gebied van waterstofeconomieën. De Japanse basisstrategie voor waterstof is gericht op een waterstofmaatschappij, met investeringen in brandstofcelvoertuigen en waterstofproductie. De Zuid-Koreaanse routekaart voor de waterstofeconomie streeft naar de inzet van 5.26 miljoen waterstofvoertuigen tegen 2040.

Noord Amerika

De VS breidt haar investeringen in waterstof uit, met het Hydrogen Energy Earthshot-initiatief van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) dat streeft naar een prijs van $ 1/kg waterstof in 2030. Californië loopt voorop met een uitgebreide infrastructuur voor waterstoftankstations en stimuleringsmaatregelen voor waterstof-FCV's. De Canadese waterstofstrategie richt zich op de productie en export van groene waterstof.

Toont potentieel, ruimte voor verbetering…

Waterstof is een veelzijdig en veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen, met toepassingen in transport, industriële processen en energieopslag. Early adopters in de automobiel- en zware transportsector bewijzen het potentieel van waterstof, terwijl industriële toepassingen aanzienlijke mogelijkheden bieden voor CO2-reductie. Effectieve transport- en opslagoplossingen zijn cruciaal voor het succes van waterstof en vereisen daarom vooruitgang in infrastructuur en technologie.

Regelgeving en overheidsinvesteringen zijn cruciaal voor het stimuleren van de acceptatie van waterstof. Met robuuste veiligheidsnormen, ondersteunend beleid en aanzienlijke financiering kan waterstof een cruciale rol spelen bij het behalen van wereldwijde klimaatdoelen. 

Maar – en dat is al lang zo – waterstof heeft zijn beloften niet waargemaakt. 

Naarmate de technologie vordert en schaalvoordelen worden gerealiseerd, zal de rol van waterstof in de energietransitie steeds groter worden en een duurzamere weg voorwaarts bieden.