Waterstof: productie, transport, opslag, brandstof

Waterstof

Waterstof en energietransitie

Waterstof is één van de meest voorkomende stoffen in het heelal, het is een gas. De zon bijvoorbeeld bestaat voor een groot deel uit waterstof. In de industrie wordt waterstof gebruikt in verschillende processen, bijvoorbeeld bij de productie van kunstmest, ammoniak, benzine en diesel. Waterstof wordt in de huidige fase van energietransitie steeds vaker genoemd als vervanger van; fossiele brandstoffen in de industrie, diesel voor transport en aardgas voor verwarming. Waterstof is ook interessant als middel voor energieopslag.

Productiemethoden van waterstof

Waterstof komt op aarde nauwelijks in de natuur voor en wordt geproduceerd via verschillende processen. Waterstof is daardoor geen energiebron maar een energiedrager. Momenteel wordt veruit de meeste waterstof (96%) geproduceerd uit fossiele energie, zoals steenkool en aardgas. Waterstof is alleen een hernieuwbare energiedrager als het uit hernieuwbare bronnen wordt geproduceerd, dan wordt de waterstof groen genoemd. Groene waterstof is een veel belovende hernieuwbare energiedrager; het kan worden gebruikt als brandstof, als opslagmedium voor energie en als grondstof voor de industrie. Waterstof wordt onderscheiden naar de manier waarop het beschikbaar komt.

Door de industrie wordt de zogenaamde zwarte of grijze waterstof geproduceerd. Bij productie van zwarte waterstof door het vergassen van steenkool, komt zeer veel CO₂ vrij. Reageert stoom onder hoge druk met aardgas dan ontstaat waterstof samen met CO₂. Dit wordt grijze waterstof genoemd. Als de vrijkomende CO₂ wordt opgeslagen dan wordt het blauwe waterstof genoemd. Turquoise waterstof wordt ook bereid uit aardgas maar daarbij wordt vaste koolstof gevormd en wordt geen koolstofdioxide uitgestoten. Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse van water met groene elektriciteit, bijvoorbeeld met elektriciteit geproduceerd uit zon- en windenergie. Bij elektrolyse van waterstof komt, naast de waterstof, alleen zuurstof vrij. Gouden of witte waterstof tenslotte is geologische waterstof die in de natuur wordt gewonnen [New Scientist].

Productie van waterstof

Elektrolyse van water

Waterstof wordt onder andere geproduceerd door elektrolyse van water. Bij elektrolyse van water wordt een elektrische stroom door water gestuurd via twee elektroden van een inert materiaal, bijvoorbeeld roestvrij staal. Kraanwater is niet geschikt voor waterstofproductie. Voor de productie van waterstof is zeer zuiver water nodig, omdat elke vervuiling de elektrolysers kan beschadigen. Een waterstoffabriek draait op zogenaamd demi-water, water waar alle mineralen uit zijn gehaald. Omdat dit water op zich de stroom niet goed geleidt wordt de geleiding wat verhoogd door er een ionenbron aan toe te voegen. De ionen kunnen worden geleverd door een zout, een base of een zuur. Een gebruikelijke zuurtoevoeging is bijvoorbeeld zwavelzuur; gebruikelijke basen zijn kalium en natrium hydroxide; gebruikelijke zouten zijn natriumzouten. Door de stroom wordt water (H₂O) ontleed in waterstof (H₂) en zuurstof (O₂) volgens de chemische reactie:

2 H₂0 → 2 H₂ + O₂

Waterstof ontstaat aan de kathode (negatieve elektrode) waarbij vier elektronen worden afgegeven om waterstof te vormen. Zuurstof ontstaat aan de anode (positieve elektrode) terwijl daar vier elektronen worden opgenomen om zuurstof te vormen. Omdat zuurstof en waterstof aan de elektroden ontstaan, kunnen ze daar gemakkelijk apart worden opgevangen. De waterstof ondergaat enkele zuiveringsstappen en wordt daarna opgeslagen. Het rendement van de productie van waterstof varieert van 50 tot 80%. Als de waterstof met groene elektriciteit wordt geproduceerd wordt gesproken van groene waterstof. Het elektrolyseproces vraagt veel water, voor de productie van één kilo waterstof met elektrolyse, is momenteel ongeveer negen liter gezuiverd water nodig. In droge gebieden zoals Spanje, het Midden-Oosten en Australië kan elektrolyse bijdragen aan waterschaarste.

Produceren van groene waterstof

Groene waterstof wordt geproduceerd met elektriciteit uit hernieuwbare bronnen, bijvoorbeeld elektriciteit opgewekt met zon- en windenergie. Elektrolyse vraagt veel elektriciteit omdat het elektrolyseproces een relatief laag rendement heeft. Als er echter teveel stroom wordt geproduceerd en de elektriciteit daardoor goedkoop is of zelfs negatief geprijsd, dan kan het lonen om deze elektriciteit in te zetten voor waterstofproductie. Groene waterstof kan worden gebruikt in raffinaderijen, de chemische industrie, in tankstations en gebruikt worden als opslagmedium om verder te verduurzamen en de CO₂-uitstoot te verminderen.

In Nederland ontwikkelen verschillende (energie)bedrijven activiteiten voor de productie van waterstof. Dat varieert van het bouwen van windparken speciaal voor de productie van waterstof, het bouwen van elektrolysefabrieken met groene elektriciteit als energiedrager tot en met het aanleggen van een waterstofnetwerk om de waterstof te transporteren.

Spanje wil de grootste waterstofproducent van de Europese Unie worden. Het land streeft ernaar om tegen 2030 een kwart van de groene waterstofbehoefte in de Europese Unie te produceren. In 2022 kwam de grootste waterstoffabriek van Europa bij Madrid in bedrijf. In 2029 moet bij Andorra een grote waterstoffabriek komen die van elektriciteit wordt voorzien door 1,4 miljoen zonnepanelen en 132 windmolens. De watervoorziening die voor in waterstoffabriek nodig is kan wellicht een probleem vormen, omdat Spanje relatief droog is. Om al die waterstof naar andere landen te exporteren zijn pijpleidingen nodig. Het is de bedoeling dat de pijpleidingen in verschillende landen met elkaar worden verbonden [Volkskrant].

Voorbeelden van groene waterstofproductie

Een aantal Nederlandse bedrijven gaan met subsidie van RVO aan de slag met de productie van volledig hernieuwbare, groene, waterstof. De elektrolysers hebben samen een vermogen van ongeveer 600 MW. De deelnemende bedrijven hebben tot 2028 om de bouw van hun elektrolyse-installaties af te ronden. De waterstof die door de verschillende elektrolyse-installaties wordt geproduceerd, gaat naar de chemische industrie of naar tankstations. Voorlopig wordt de geproduceerde waterstof nog met vrachtwagens naar de afnemer vervoerd.

Op de tweede Maasvlakte bouwt Shell aan een installatie voor groene waterstof, Holland Hydrogen 1 (HH1). Shell investeert ruim 1 miljard euro in de fabriek die vanaf 2027, met een 200 megawatt elektrolyser, jaarlijks 20.000 ton groene waterstof gaat produceren. De fabriek gaat voor een deel draaien op de groene elektriciteit opgewekt in het windpark Hollandse Kust Noord, dat gedeeltelijk in handen is van Shell. Dit is een eerste stap in de vergroening van raffinaderijen. Deze verbruiken in Rotterdam tien maal zoveel waterstof als de HH1 kan produceren. Air liquide bouwt een grote fabriek voor groene waterstof op de Rotterdamse Maasvlakte. De elektrolyser krijgt een vermogen van 200 MW, heeft een productiecapaciteit van 23.000 ton groene waterstof en moet in 2027 operationeel zijn. Eneco gaat ook een groene waterstoffabriek bouwen in Rotterdam met een vermogen van 800 MW. De productie capaciteit wordt 80.000 ton waterstof per jaar voor industriële afnemers. De elektriciteit voor de elektrolyse is afkomstig van zon- en wind energie. De fabriek wordt in 2029 in gebruik wordt genomen. Het bedrijf VoltH2 gaat op industriële schaal, in Vlissingen en Terneuzen, groene waterstof produceren met stroom van windmolenparken op zee. De planning is om de fabrieken, elk met een vermogen van 25 MW, in 2025 in gebruik te nemen. In de jaren daarna worden de fabrieken uitgebreid tot 100 MW. Het consortium H2 Hollandia wil de groene elektriciteit die het zonnepark Vloeivelden Hollandia, in Drentse Nieuw-Buinen, produceert gebruiken om jaarlijks 300 ton groene waterstof te maken met een elektrolyser van 5 MW. Het zonnepark is een van de grootste zonneparken in Nederland met een vermogen van 115 MWp. Het produceert op zonnige dagen meer elektriciteit dan aan het net kan worden geleverd. Door de waterstofproductie wordt het overschot aan elektriciteit tijdens pieken met de helft verminderd. Dit voorkomt overbelasting van het elektriciteitsnet en verhoogt de bruikbare hoeveelheid zonnestroom. De eerste leveringen van groene waterstof zullen naar verwachting in 2026 plaatsvinden [Volkskrant].

Met het door Vattenfall en Copenhagen Infrastructure Partners, nog te bouwen, windpark IJmuiden Ver Beta zal ook groene waterstof worden geproduceerd. Het windpark zelf krijgt een vermogen van 1 GW wat in 2029 wordt opgeleverd. Tussen de turbines komen drijvende zonnepanelen met een vermogen van 6 MW. In 2032 wordt het windpark uitgebreid tot 2 GW. Het vermogen van de elektrolyser, voor de productie van de waterstof, is 500 MW. De waterstoffabriek wordt in 2032 opgeleverd, dan is ook de waterstofpijpleiding naar het vaste land gereed [Volkskrant].

Het bedrijf SCW systems produceert biogas uit afval via een proces dat superkritische watervergassing heet. In dit proces wordt afval in water onder zeer hoge druk (240 bar) en temperatuur (600 ^oC) omgezet in methaan, waterstof en kooldioxide. Het maakt nauwelijks uit waaruit de afval bestaat; rioolslib per etensresten glycerine of plastic afval, alles kan worden omgezet. Superkritische vergassing levert 5 tot 20 keer meer energie op dan er in gaat. Het proces kan ook zo afgesteld worden dat er meer groene waterstof wordt geproduceerd. Er zijn nu vier installaties in bedrijf die gezamenlijk 16 miljard kuub groen gas produceren [Volkskrant].

Het bedrijf Battolyser Systems ontwikkelt een batterij, de Battolyser die, naast het opslaan van elektrische energie, ook waterstof kan produceren. Wanneer de batterij vol is, stopt de batterij met laden en gaat waterstof produceren [Volkskrant].

Het samenwerkingsverband PosHYdon, bestaande uit Neptune Energy, TNO, Eneco, Gasunie en de Nederlandse Overheid, gaat het eerste offshore groene waterstofproject bedrijven, op het boorplatform Q13-A, om waterstof produceren. De waterstof wordt geproduceerd met behulp van groene stroom uit windparken en uit zonnepanelen, die bij het boorplatform in zee drijven en maximaal 50 kW leveren. De elektrolyser wordt gevoed met ontzilt zeewater, waaruit het zout en andere chemicaliën zijn verwijderd. Het is een pilotproject; de elektrolyser heeft een vermogen van 1 MW en kan 400 kg waterstof per dag produceren, die via een bestaande olie- en gaspijpleiding van het platform naar de wal op de Maasvlakte in Rotterdam wordt getransporteerd [Volkskrant].

Het bedrijf HyCC ontwikkelt elektrolyse projecten voor verschillende bedrijven. Met een 60 MW installatie wordt hernieuwbare methanol en biokerosine geproduceerd voor KLM. Voor Tata Steel wordt een 100 MW elektrolyser ontwikkeld voor duurzame staal productie. Voor de oliemaatschappij BP wordt een 250 MW elektrolyser ontwikkeld om groene waterstof te leveren [Volkskrant].

Het bedrijf Hyphen, een samenwerking tussen het Duitse energiebedrijf Enertrag, het Zuidafrikaanse Nicholas Holding en de Namibische overheid, wil in Namibië een miljoen ton groene waterstof per jaar te produceren met 500 windturbines en 6 miljoen zonnepanelen. De waterstof wordt daarna omgezet in ammoniak en naar het buitenland geëxporteerd. De Nederlandse overheid stortte 40 miljoen in het Namibische waterstoffonds en de Europese Unie leende Namibië 500 miljoen euro om de waterstof productie te verwezenlijken [Volkskrant].

Het bedrijf Hysolar maakt groene waterstof voor vervoer. In 2024 werd een productiestation, voor 300 ton groene waterstof per jaar, geopend. Deze hoeveelheid is voldoende om 30 tot 60 bussen of vrachtwagens een jaar lang volledig uitstootvrij te laten rijden. Hysolar levert de geproduceerde waterstof via het eigen watertankstation [RVO].

Ook het bedrijf Holthausen Energy Points produceert groene waterstof. In Groningen staat een installatie met een capaciteit van rond 130 ton waterstof per jaar; in Amsterdam een van 65 ton. De waterstof die wordt geproduceerd wordt lokaal gebruikt als brandstof in auto's, vrachtwagens en taxi's. Ook verschillende industrieën gebruiken de waterstof: van laboratoria tot aan de glasindustrie [RVO].

Het bollenbedrijf Rainbow Colors in Andijk wil, samen met twintig tot dertig andere partijen, waterstof gaan produceren met elektriciteit uit een zonnepark. De elektrolyser van het Deense bedrijf Dynelectro, die eind 2026 wordt geleverd, heeft een vermogen van 1 MW en werkt bij een hoge temperatuur van ongeveer 750 graden. Door die hoge temperatuur kan tot ruim 90% van de opgewekte groene elektrische energie, in waterstof worden omgezet. De waterstof gaat worden gebruikt in de land- en tuinbouw als brandstof voor een elektrische tractoren en vorkheftrucks en voor een waterstofaggregaat [Solar365].

Transport van waterstof

De Gasunie is in 2023 in Rotterdam begonnen met de aanleg van het eerste waterstofnetwerk in Nederland en Europa. Voor wind- en zonneparken die verder op zee liggen kan de elektriciteit beter omgezet worden in waterstof. Dat is goedkoper naar land te vervoeren dan elektriciteit. Voor transport van waterstof over grote afstanden kan waterstof worden omgezet in ammoniak of de waterstof kan worden gebruikt om roest om te zetten in ijzer. Ammoniak en ijzer zijn gemakkelijker en veiliger te transporteren dan waterstof.

Opslag van waterstof

Als er een groot aanbod van elektriciteit is, en de elektriciteit daardoor goedkoop is of zelfs negatief geprijsd, dan kan het lonen om elektriciteit in te zetten voor waterstofproductie. De waterstof kan vervolgens worden opgeslagen. Waterstof kan ook worden omgezet in ammoniak en dan worden opgeslagen. De energiedichtheid van waterstof is hoog, 38 kWh/kg. Waterstof kan worden opgeslagen in drukcilinders, in metaalhydrides, in zoutholtes en bij lage temperatuur in vloeibare vorm. In tijden van een grote vraag naar elektriciteit kan deze opgeslagen waterstof weer worden verbrand om elektriciteit op te wekken.

Vopak, HES International en Gasunie willen in de Europoort in Rotterdam een een terminal bouwen voor de opslag van groene ammoniak. De opslagtank, voor de opslag van ammoniak, heeft een capaciteit van 60.000 ton ammoniak. De ammoniak (NH₃) wordt omgezet in waterstof (H₂)die, via een pijpleiding van de Gasunie, naar de afnemers wordt vervoerd [Volkskrant].

Gasunie-dochter HyStock ontwikkelt, in samenwerking met Nobian, waterstofopslagfaciliteiten bij vier zoutcavernes in Groningen. De technische infrastructuur voor de eerste grot, met een opslagcapaciteit van ongeveer 200 GWh waterstof, zal naar verwachting rond 2031 operationeel zijn. De andere drie cavernes zullen kort daarna klaar zijn om waterstof op te slaan. De opslag zal worden aangesloten op het Nederlandse waterstoftransportnetwerk. De Gasunie werkt in Duitsland ook mee aan de ontwikkeling van een groot opslagsysteem voor waterstof in ondergrondse zoutcavernes. In de Verenigde Staten is een opslagsysteem in aanbouw met een vermogen van 220 MW waarbij de waterstof ondergronds wordt opgeslagen in zoutholtes met een totale capaciteit van 300.000 MWh. Dit systeem kan meer dan 1300 uur elektriciteit produceren met de opgeslagen waterstof [Volkskrant], [Wikipedia].

Het hierboven genoemde bedrijf Battolyser Systems ontwikkelt een opslagsysteem voor waterstof, de Battolyser, gecombineerd met elektrolyse van waterstof. De Battolyser slaat elektrische energie op. Wanneer de batterij vol is, wordt het laden gestopt en gaat het systeem in plaats daarvan waterstof produceren [Volkskrant].

Waterstof als brandstof

De verbrandingswaarde van waterstof

De energiedichtheid van het opgeslagen waterstof ligt rond 35 kWh/kg. Dat levert een verbrandingswaarde van 120 MJ/kg waterstof. Dat is hoog, ter vergelijking; de verbrandingswaarde van benzine is 45 MJ/kg, van aardgas 41 MJ/kg. Bij het verbranden van waterstof komt alleen water vrij, het is een schone brandstof.

Brandstof voor elektriciteitsproductie

Het energiebedrijf Engie investeert ruim 40 miljoen euro om de gascentrale in Flevoland deels geschikt te maken voor het verbranden van waterstof. Een eerste turbine kan inmiddels op waterstof draaien. Vanaf 2027 kan de centrale in principe met waterstof de helft van de elektriciteit produceren [Volkskrant]

Brandstof voor vervoer

Waterstof kan gebruikt worden als brandstof voor vervoer. Er zijn inmiddels trucks op de markt die door waterstof worden aangedreven.

Het eerste binnenvaartschip dat volledig draait op waterstof is in 2021 officieel in bedrijf genomen. De tanks kunnen 800 kg waterstof bevatten waarmee het schip 250 km kan afleggen. Tanken gebeurt door de lege waterstoftanks te vervangen door nieuwe volle tanks [Volkskrant].

Het binnenvaartschip H2 Barge is door Future Proof Shipping omgebouwd van diesel naar waterstof. Met brandstofcellen wordt de waterstof, met behulp van zuurstof uit de lucht, omgezet in elektriciteit en water. Het schip vaart dus zonder CO₂ uit te stoten. De waterstof is relatief duur; een volle tank bevat 1000 kg waterstof, de kosten voor de waterstof liggen nu rond de 20 euro per kilogram. Het bereik van het schip op 1000 kg waterstof ligt tussen meer dan 210 en 240 km [Volkskrant].

Brandstof voor woningverwarming

Er lopen een viertal pilotprojecten met woningverwarming met waterstof. In Berkeloord (gemeente Lochem) is een woonwijk van een tiental huizen aangesloten op waterstof die aangevoerd wordt via de bestaande gasleidingen. De woningen worden met een waterstofketel verwarmd. Vooralsnog is dit niet duurzaam omdat gestookt wordt op grijze waterstof. Maar in de toekomst kan op groene waterstof worden overgegaan. In het Noord Groningse dorpje Wagenborgen (gemeente Eemsdelta) zijn eind 2023 de eerste van 33 rijtjeswoningen aangesloten op een waterstofnet voor verwarming van de huizen met een hybride warmtepomp. In Hoogeveen Erflanden en Hoogeveen Nijstad-Oosten (beide gemeente Hoogeveen) en Stad aan t Haringvliet (gemeente Goeree-Overflakkee) wordt via een ketel met waterstof verwarmd. De eerste tijd wordt de groene waterstof nog aangevoerd in tankwagens, vanuit België. In Hoogeveen Erflanden is inmiddels een waterstofleiding aangelegd [RVO], [Volkskrant].

Waterstof als grondstof in industriële processen

Groene waterstof draagt bij aan het verduurzamen van de industrie en aan het verlagen van de industriële CO₂-emissies. Waterstof kan bijvoorbeeld in de staalindustrie, in de kunstmestindustrie, in raffinaderijen en in de chemische industrie worden gebruikt als grondstof en als brandstof, in plaats van steenkool en aardgas. Voor alle waterstof, die door de industrie wordt gebruikt en die nu wordt geproduceerd uit aardgas, is een vermogen van 15 GW aan elektriciteit nodig. Als Tata Steel overgaat op waterstof is nog eens 6 GW aan vermogen nodig [Volkskrant].

De staalfabriek van Tata Steel in IJmuiden is de grootste CO₂ uitstoters van Nederland. Tata Steel is goed voor circa 6% van de totale Nederlandse uitstoot. Tata Steel heeft een plan ingeleverd om de uitstoot te reduceren. In plaats van met steenkool wil het bedrijf, met behulp van miljarden euro's aan staatssteun, over gaan op het maken van staal via aardgas en later met groene waterstof. Het bedrijf verwacht daarmee vanaf 2030 de CO₂-uitstoot bijna te kunnen halveren door staal te produceren met waterstof. Daarnaast wordt één van hoogovens vervangen door een elektrische vlamboogoven en wordt meer schroot bijgemengd. In 2045 wil Tata klimaatneutraal zijn [Volkskrant].

Het bedrijf H2 Green Steel bouwt in Noord Zweden een van de grootste waterstofinstallaties van Europa. Dat moet resulteren in een staalproductie met een 90% lagere CO₂ uitstoot [Volkskrant].