15 dingen die je moet weten over waterstof

Lennart van der Burg, expert en clusterleider Waterstof bij TNO, geeft antwoord op 15 prangende vragen over waterstof:

1. Wat is waterstof?
2. Wat is grijze en blauwe waterstof?
3. Wat is groene waterstof?
4. Wat is turqoise waterstof?
5. Wat zijn verdere fundamentele verschillen tussen blauw en groen?
6. Witte waterstof uit de bodem de schone energiebron van de toekomst?
7. Welke rol speelt waterstof in de energietransitie?
8. Welke landen zijn ook bezig met waterstof?
9. Waarvoor gaan we waterstof gebruiken?
10. Wat betekent waterstof voor de burger?
11. Wat zijn de risico's?
12. Wat doet TNO aan waterstofonderzoek?
13. Waar staat de ontwikkeling van groene waterstof op dit moment?
14. Wat zijn de belangrijkste technische uitdagingen voor electrolyse?
15. Wat is de positie van Nederland?

Op zoek naar meer informatie?

1. Wat is waterstof?

Waterstof is het meest voorkomend element in het universum. Onder normale omstandigheden is het gasvormig en spreken we over waterstof gas (H2). Waterstof is ook het lichtste gas dat we kennen en heeft daar om een lage energie dichtheid per volume eenheid ( in m³). Per gewicht (in kg) heeft waterstof wel een hoge energie dichtheid van 120 megajoule (MJ)  per kg. Dat is bijna drie keer zo veel als aardgas (45 MJ per kg). Waterstof wordt wel vaak onder druk gebracht. Het onder druk brengen (comprimeren) van waterstofgas kost de nodige energie (ongeveer 10%).

2. Wat is grijze en blauwe waterstof?

Vrijwel alle waterstof die op dit moment wereldwijd wordt geproduceerd is zogeheten ‘grijze waterstof’. De productie gebeurt op dit moment via Steam Methane Reforming (SMR). Hier reageert hoge druk stoom (H2O) met aardgas (CH4) met als resultaat waterstof (H2) en het broeikasgas CO2. In Nederland wordt op deze manier ongeveer 0,8 mln. ton H2 geproduceerd waarvoor vier miljard kuub aardgas wordt gebruikt en zorgt voor een CO2-emissie van 12,5 miljoen ton.

Men spreekt over ‘blauwe waterstof’ of ‘low carbon hydrogen' als de CO2 die vrijkomt in het proces van grijze waterstof grotendeels (80 tot 90%) wordt afgevangen en opgeslagen. Dit wordt ook wel CCS: Carbon Capture & Storage genoemd. Dat zou kunnen gebeuren in lege gasvelden onder de Noordzee. Op dit moment wordt op nog maar een beperkt aantal plaatsen in de wereld blauwe waterstof op grote schaal geproduceerd.

3. Wat is groene waterstof?

Groene waterstof ook wel 'renewable hydrogen' genoemd, is waterstof die is geproduceerd met duurzame elektriciteit. De bekendste is elektrolyse waarbij water (H2O) via groene elektriciteit wordt gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2). In Nederland is een groot aantal partijen bezig te experimenten met deze elektrolysers op megawattschaal. Waterstof komt ook vrij bij het op hoge temperatuur vergassen van biomassa. In het Faraday laboratorium werkt TNO aan technologische doorbraken voor opschaling (zie afbeelding)

4. Wat is turqoise waterstof?

Waterstof geproduceerd uit aardgas via de zogeheten molten metal pyrolyse technologie wordt ‘turquoise waterstof’ of 'low carbon hydrogen' genoemd. Aardgas wordt door een gesmolten metaal geleid waarbij zowel waterstofgas vrij komt als ook vaste koolstof. Dit laatste kan een nuttige toepassing vinden in bijvoorbeeld autobanden. Deze technologie bevindt zich nog in het laboratorium en het duurt minimaal tien jaar voor de eerste pilotfabriek is gerealiseerd.

5. Wat zijn verdere fundamentele verschillen tussen blauw en groen?

Naast de manier van productie zijn er nog een aantal andere belangrijke verschillen waaronder:

• Alleen groene waterstof geproduceerd via elektrolyse zorgt ervoor dat grote hoeveelheden duurzame elektriciteit geproduceerd op zee en op land goed ingepast kunnen worden in ons energiesysteem. Alleen elektrolyse kan namelijk flexibel (op afroep) elektriciteit omzetten naar waterstof om dit vervolgens op te slaan.
• Daarnaast draagt de ontwikkeling van grootschalige elektrolyse bij aan de groeiende vraag naar elektriciteit en stimuleert hiermee de groei van duurzame energie.
• Verder is er een verschil in kwaliteit. Groene waterstof kent een hogere zuiverheid en kan direct goed worden toegepast, bijvoorbeeld in de brandstofcel van een voertuig. Blauwe waterstof kent een lagere zuiverheid, voldoende voor industriële toepassing.
• De productie van blauwe waterstof is een manier om op grote schaal en tegen relatief lage kosten de industrie te ‘decarboniseren’ oftewel de CO2 te reduceren.

6. Witte waterstof uit de bodem de schone energiebron van de toekomst?

We kennen al grijze, blauwe en groene waterstof, maar nu blijkt dat er ook witte of natuurlijke waterstof op een aantal plekken wordt gevonden. Dat komt uit de bodem, net als aardgas. Bij verbranding van waterstof met zuurstof, in een brandstofcel, komt alleen water vrij. De exacte potentie van witte waterstof is nog onzeker en vraagt nader onderzoek.

Witte waterstof wordt niet gemaakt van aardgas of kolen (grijs), ook niet door eerst de CO2 af te vangen (blauw). Waterstof wordt vooral gebruikt om processen in de chemische industrie te verhitten en voor kunstmest productie en in de toekomst ook voor de productie van staal. Bij de transitie van fossiele naar groene energie kan het dienen als opslagbuffer voor stroom tijdens zonloze en windstille periodes.

7. Welke rol speelt waterstof in de energietransitie?

In onze huidige energiemix wordt ongeveer 20% geleverd in de vorm van elektriciteit en 80% in de vorm van aardgas of vloeibare fossiele brandstof (benzine, diesel). Door onze klimaatdoelstellingen gaat dit komende tijd sterk veranderen. Het aandeel elektriciteit geproduceerd door wind en zon zal sterk toenemen. Voor een aantal toepassingen zoals zwaar transport, hoge temperatuur processen in de industrie en in de luchtvaart, is er nog geen goede elektrische oplossing en blijft er behoefte aan een duurzaam gas. Hier kan waterstof een nuttige rol spelen. Daarnaast is waterstof belangrijk in de vorm van grootschalige opslag voor de momenten dat het windstil is en bewolkt.

8. Welke landen zijn ook bezig met waterstof?

Landen als Noorwegen, Australië, Marokko, Chili, Saudi-Arabië, China en Japan zijn erg actief met groene waterstof. Belangrijkste reden is de grote (potentiële) beschikbaarheid van goedkope duurzame energie uit wind, zon of waterkracht om groene waterstof te produceren. Uitzondering hierin is Japan dat voor zijn energievoorziening grotendeels afhankelijk is van import en een strategie heeft ontwikkeld om op grote schaal (groene) waterstof te importeren en zelf een belangrijke rol speelt in de technologie ontwikkeling. Nederland heeft een goede positie mede dankzij onze kennis van gas en elektrolyse technologie, de grote windenergie potentie op de Noordzee en de energie-intensieve industrie die sterk moet inzetten op verduurzaming.

9. Waarvoor gaan we waterstof gebruiken?

Waterstof is met name belangrijk voor de procesindustrie. Het wordt nu voornamelijk gebruikt voor de productie van kunstmest maar kan in de toekomst ook worden gebruikt voor hoge temperatuur processen zoals staalproductie waarvoor nu aardgas of kolen wordt gebruikt. Daarnaast gaat waterstof een rol spelen in de mobiliteit, bijvoorbeeld voor streekbussen die langere afstanden moeten overbruggen en waar elektrisch rijden geen oplossing is.

10. Wat betekent waterstof voor de burger?

Op korte termijn zal er niet heel veel te zien zijn. De toepassing van waterstof in bijvoorbeeld woonhuizen zal nog lang op zich laten wachten. Voor het merendeel van de woningen biedt een collectief warmtenet of een elektrische warmtepomp een betere oplossing. Netbeheerders zijn bezig met eerste experimenten / pilot projecten voor toepassing van waterstof in de gebouwde omgeving. In het verkeer zal het aantal waterstof auto’s en het aantal waterstof tankstations (7 publieke locaties per september 2022) langzaam wel toenemen. Voor personen auto’s zullen volledig elektrische auto’s dominant worden

11. Wat zijn de risico's?

Waterstof is een erg licht gas, snel ontvlambaar en wordt in de mobiliteit onder drukken tot 700 bar toegepast. Net als elk ander gas is het van belang om er bij productie, transport en gebruik voorzichtig mee om te gaan en dat uitsluitend aan professionele bedrijven over te laten. Als waterstof wordt ingezet in bestaande gasleidingen is het van belang om het ‘gedrag’ van waterstof in de praktijk nader te onderzoeken . Waterstof is namelijk lichter dan aardgas en kan makkelijker ontsnappen bij kleppen en afsluiters.

12. Wat doet TNO aan waterstofonderzoek?

TNO verricht onafhankelijk en toonaangevend toegepast wetenschappelijk onderzoek. Op het gebied van waterstof doet TNO onderzoek gerelateerd aan productie van waterstof, infrastructuur voor waterstof, en toepassing van waterstof (conversie en eindverbruik).

In 2020 voerde TNO meer dan 50 projecten uit op deze thema’s. Een selectie hiervan is weergegeven in tabellen in de annex. De activiteiten van TNO op het gebied van waterstof hebben tot doel:

• een bijdrage te leveren aan de technische, sociale en beleidsinnovaties die nodig zijn voor het
• versnellen van de ontwikkeling van de optie waterstof als onderdeel van de transitie naar een klimaatneutrale energiehuishouding
• het bevorderen van het ontstaan van ecosystemen van bedrijven en maatschappelijke partners op specifieke waterstofthema’s zoals de maakindustrie (Elektrolyser Makers Platform), industriële elektrificatie (Voltachem programma) en offshore systeemintegratie met behulp van waterstof (North Sea Energy programma)
• het versterken van de concurrentiepositie van Nederland in het internationale speelveld

CO2 conversie-technologie voor groene waterstofproductie

TNO ontwikkelde de op adsorptie gebaseerde technologie om CO2 af te vangen (SEWGS) en de afgevangen CO2 om te zetten in nuttige bijproducten, chemicalien en brandstoffen, zoals dimethyl ether (SEDMES) voor de productie van groene waterstof.

13. Waar staat de ontwikkeling van groene waterstof op dit moment?

Tussen 2000 en 2018 werden ongeveer 230 elektrolyseprojecten in gebruik genomen met een totaal vermogen van ongeveer 100 MW (bron: IEA 2019, the Future of Hydrogen report). In 2020 is 200 MW wereldwijd geïnstalleerd en eind 2023 ca. 2.400 MW. Deze cijfers laten duidelijk zien dat we nog maar aan het begin staan en dat we een compleet nieuwe toeleveringsketen moeten ontwikkelen.

We hebben nieuwe bedrijven, nieuwe leveranciers en nieuwe fabrikanten nodig die materialen en componenten voor grotere en nieuwe generatie elektrolysesystemen ontwikkelen. Dit is een kans voor de hightechindustrie in Nederland.

De ambitie van de Europese Unie is om 40 GW elektrolyse capaciteit te instaleren voor 2030 in de EU en nog eens 40 GW in Noord-Afrika. Om deze doelstelling te behalen is een versnelling nodig van de technologie ontwikkeling en de daadwerkelijke projecten.

Ontwikkelingen offshore waterstof

Offshore windenergie speelt een cruciale rol in de overgang naar schonere energiebronnen. Nederland streeft naar een aanzienlijke capaciteit voor groene waterstof tegen 2030, met twee pilotprojecten en diverse kleinere initiatieven.

In een TNO-rapport voor Topsector Energie Energie (pdf) delen we waardevolle inzichten over het potentieel, de uitdagingen en de technologische vooruitgang van offshore waterstofproductie.

14. Wat zijn de belangrijkste technische uitdagingen voor electrolyse?

Wat betreft waterelektrolyse zijn er op dit moment vier technologieën beschikbaar (AEM, SOE, PEM en Alkaline) allemaal met hun specifieke voordelen, nadelen en niveaus van volwassenheid. Bekijk hier onze video over productie van waterstof door middel van elektrolyse in ons Faraday lab. Voor alle vier technologieën zijn de drie belangrijkste onderzoeksuitdagingen:

1. Kapitaaluitgaven voor het systeem verlagen
2. Systeemefficiëntie verhogen
3. Grootschalige productie mogelijk maken; om een jaarlijkse wereldwijde electrolyser productie capaciteit van 30 GW tegen 2030 te faciliteren.

15. Wat is de positie van Nederland?

Waterelektrolyse is een belangrijke sleutel technologie in ons toekomstige energiesysteem. Er zijn drie belangrijke redenen waarom deze groene waterstofproductie zo belangrijk zal zijn.

Ten eerste stelt het ons in staat om het windenergiepotentieel op de Noordzee ten volle te benutten. Door de beperkte capaciteit van het elektriciteitsnet is het nu niet mogelijk om het totale potentieel van 70 GW windenergie kosteneffectief te integreren. Een conversie naar waterstof en het gebruik van het hogedrukgasnet lijkt een goede oplossing om de hernieuwbare moleculen door ons energiesysteem te transporteren.

Ten tweede hebben we waterstof nodig om sectoren te decarboniseren waar directe elektrificatie geen optie is. Denk aan de staalindustrie, of de luchtvaart door middel van synthetische kerosine en langeafstandsvervoer met waterstof, methanol of ammoniak.

Ten derde hebben we waterstof nodig voor seizoensgebonden opslag en perioden waarin er in Noordwest-Europa weinig wind- en zonne-energie beschikbaar is.

Waterstof kan onder druk worden opgeslagen in bestaande zoutcavernes en lege gasvelden. Sterke punten van Nederland:

• Met de Noordzee hebben we een groot potentieel aan duurzame energie wat we kunnen benutten met behulp van electrolyse technologie
• Onze geografische positie met sterke havens kunnen we goede hub functie vervullen voor import van waterstof voor de rest van Europa
• De sterke maakindustrie in Nederland kan in potentie een rol spelen in het maken van componenten voor electrolysers

Op zoek naar meer informatie?

Kies een van de onderstaande artikelen, onderzoeken of nieuwsitems hieronder:

• Grootste waterstoflab van Europa: Farraday lab
• Onderzoekscentrum voor opschalen groene waterstof: Hydrohub
• Onderzoeksprogramma waterstof infrastructuur: HyDelta
• Versneld CO2-arme industrie H-Vision
• Eerste groene waterstof fabriek op de Noordzee: PosHydon