De laatste jaren is waterstof veel in het nieuws, maar niet zonder reden. Waterstof zou volgens velen dé energiebron van de toekomst zijn en zowel Nederland als andere landen van een duurzame toekomst voorzien. Maar wat is waterstof eigenlijk, hoe wordt het gemaakt en welke soorten waterstof zijn er? Dit zijn vragen die vaak naar voren komen wanneer je het over waterstof hebt en deze zullen we allemaal behandelen in deze waterstof uitleg. Daarnaast gaan we het hebben over de toepassingen van waterstof, de voor- en nadelen en wat het toekomstbeeld is van deze energiebron.
Wat is waterstof?
Waterstof is het lichtste en meest voorkomende element in het universum. Het is een kleurloos, geurloos en smaakloos gas in zijn meest voorkomende vorm. Het waterstof symbool dat unaniem gebruikt wordt in de wetenschap en daarbuiten, is (H) voor Hydrogen. De dichtheid van waterstof is 0,08988 g/cm³ bij standaard omstandigheden. Het waterstofatoom heeft een kern bestaande uit een proton dat één eenheid van positieve elektrische lading draagt. Een elektron, dat één eenheid van negatieve elektrische lading draagt, is ook verbonden met deze kern. Onder gewone omstandigheden is waterstofgas een losse samenstelling van waterstofmoleculen, elk bestaande uit een paar atomen, een twee-atomaire molecule, H2.
Op onze planeet is waterstof overvloedig aanwezig: ongeveer tweederde van alle moleculen bevatten één of meerdere waterstofatomen. Denk bijvoorbeeld aan water, dat bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom (H₂O), of aan methaan (aardgas; CH₄), dat samengesteld is uit één koolstofatoom en vier waterstofatomen. Het gehele spectrum van leven op aarde bestaat uit waterstofverbindingen en kan simpelweg niet zonder deze essentiële elementen.
Waterstof komt dus in enorme hoeveelheden voor als onderdeel van het water in oceanen, ijskappen, rivieren, meren en de atmosfeer. Toch is geïsoleerde waterstof in zijn zuivere vorm zeldzaam op aarde; in de meeste gevallen wordt het door menselijke inspanning uit bronnen verkregen.
Waterstof productie: Hoe wordt waterstof gemaakt?
Een vraag die vaak gesteld wordt omtrent waterstof, is; ‘hoe wordt waterstof gemaakt?‘. Maar om dit te beantwoorden moeten we eerst uitleggen wat er moet gebeuren om waterstof in eenzame vorm te krijgen. Tot nu toe weten we dat waterstof bijna niet in eenzame vorm op de aarde beschikbaar is, maar ‘gemaakt’ moet worden. Dit moeten we doen om het waterstof element (H), los te krijgen van water (H₂O) of door waterstof los te krijgen van methaan.
Om waterstof te maken heb je altijd twee dingen nodig, een grondstof + een energiebron om de grondstof om te zetten naar waterstof. Een grondstof is hierbij vaak water in zijn puurste vorm of aardgas, de energiebron is bijvoorbeeld aardolie of elektriciteit. Het maakt hiervoor niet uit hoe waterstof wordt gemaakt, het eindigt altijd in een kleur- en geurloos gas. Toch wordt er vaak gesproken over de verschillende soorten waterstof, grijs, groen en blauw, maar wat houdt dit in? De ‘kleur’ van waterstof heeft niet te maken met de werkelijke kleur, maar de manier van productie. Zo zijn er drie soorten waterstof, grijs, groen & blauw die elk op zijn manier geproduceerd worden.
Soorten waterstof: Grijs, groen & blauw
Grijze waterstof
Grijze waterstof wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen, meestal door middel van stoomreforming van aardgas. Hoewel het een gangbare methode is en veel wordt gebruikt, heeft grijze waterstof een hoge CO2-uitstoot omdat het proces koolstofmonoxide (CO) en kooldioxide (CO2) als bijproducten genereert. Het wordt “grijs” genoemd vanwege de vervuilende impact op het milieu. Momenteel wordt 80% van alle productie van waterstof op deze manier gedaan, dit komt omdat dit een relatief voordelige manier is van waterstofproductie.
Groene waterstof
Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse. Waterstof elektrolyse is een proces waarbij water gesplitst kan worden door middel van elektriciteit. Bij groene waterstof is dit groene elektriciteit, bijvoorbeeld uit zonne-energie (waterstof zonnepanelen) en/of wind-energie. Deze methode is milieuvriendelijk omdat het geen CO2-uitstoot veroorzaakt tijdens de productie. Groene waterstof wordt als duurzaam beschouwd omdat het gebruikmaakt van schone energiebronnen. Echter wordt slechts een klein gedeelte in Nederland geproduceerd, alleen bij een installatie in Zuidwending in Groningen.
Blauwe waterstof
Blauwe waterstof wordt ook geproduceerd uit aardgas, maar in dit geval wordt de CO2 die vrijkomt bij de waterstofproductie afgevangen en opgeslagen (CCS – Carbon Capture and Storage) om te voorkomen dat het in de atmosfeer terechtkomt. Dit vermindert de koolstofvoetafdruk van de waterstofproductie aanzienlijk. Het wordt “blauw” genoemd vanwege de kleur van de opgeslagen CO2.
Toepassingen van waterstof: Waar wordt het gebruikt?
Nu we weten wat waterstof is en hoe het wordt geproduceerd, kunnen we kijken naar de waarde van waterstof. Want in welke sectoren en in welke vormen kunnen we waterstof gebruiken in het (dagelijks) leven? We nemen de meest belangrijke en veelvoorkomende toepassingen door.
Waterstof als energiebron: Waterstof kan worden verbrand in brandstofcellen om elektriciteit en warmte te genereren. Dit proces is schoon en produceert alleen water en warmte als bijproducten. Denk hierbij aan het gebruik van waterstof in jouw cv-ketel. Er wordt momenteel hard gewerkt om waterstof cv-ketels te produceren, maar momenteel zijn deze nog niet in Nederland voor de consument beschikbaar.
Waterstof in het vervoer: Waterstof kan dienen als brandstof in voertuigen. Auto’s met een waterstof verbrandingsmotor stoten geen schadelijke stoffen uit en hebben een grotere actieradius dan batterij-elektrische voertuigen. Zo kun je een personenwagen in 5 minuten vullen met bij waterstof tankstations en hier 500 kilometer op rijden. Maar dit is niet alles, dit zijn namelijk alle toepassingen voor waterstof in het vervoer en de transport:
Waterstof in industriële processen: Waterstof wordt gebruikt in verschillende industriële processen, zoals de productie van ammoniak voor meststoffen, raffinage van petroleum, productie van metalen en glas, en hydrogenering van oliën en vetten voor voedselproductie.
Waterstof als energiedrager: Waterstof kan worden opgeslagen en getransporteerd als energiedrager, waardoor hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie beter kunnen worden geïntegreerd in het energienetwerk. Het kan worden gebruikt om energie op te slaan wanneer er een overschot aan hernieuwbare energie is en kan later worden omgezet in elektriciteit of warmte wanneer dat nodig is. Dit is bijvoorbeeld erg handig in de winter wanneer er minder zonne-energie beschikbaar is door beperkte zon.
Waterstof in de ruimte-vaart: Waterstof wordt vaak gebruikt als brandstof voor raketten vanwege zijn hoge energiedichtheid. Het wordt meestal gecombineerd met zuurstof om waterstofperoxide te produceren, dat als brandstof wordt gebruikt voor raketmotoren.
Wat zijn de voor- en nadelen van waterstof?
Waterstof is dus een multifunctionele energiebron die tot nu toe voornamelijk gebruikt wordt in lokale projecten, maar wat zijn de voordelen die de revolutie op gang kunnen brengen en nadelen die roet in het eten (kunnen) gooien? In deze paragraaf zullen we de belangrijkste voor- en nadelen van waterstof op een rijtje zetten.
Voordelen van waterstof
- Waterstof is in overvloed aanwezig: Waterstof is een rijke energiebron om verschillende redenen, met als belangrijkste dat het overvloedig aanwezig is. Hoewel er veel middelen nodig kunnen zijn om het te benutten, is er geen andere energiebron oneindig zoals waterstof. Dat betekent essentieel dat het niet kan opraken zoals andere energiebronnen.
- Mogelijkheid om lokaal te produceren: Waterstof kan ter plaatse worden geproduceerd waar het wordt gebruikt, of centraal en vervolgens gedistribueerd. Omdat er vrijwel overal waterstof aanwezig is, is het niet nodig om energiebronnen te gebruiken van andere landen. Dit gebeurd bijvoorbeeld wel bij zonne-energie waarbij we afhankelijk (gaan) worden van de zonnekracht in de woestijnen.
- Waterstof is een schone energiebron: Wanneer waterstof wordt verbrand om brandstof te produceren, zijn de bijproducten volkomen veilig, wat betekent dat ze geen bekende bijwerkingen hebben. Luchtvaartmaatschappijen gebruiken waterstof daadwerkelijk als een bron van drinkwater. Na gebruik wordt waterstof meestal omgezet in drinkwater voor astronauten aan boord van schepen of ruimtestations.
- Waterstof is niet-giftig: Het is een niet-giftige stof, wat zeldzaam is voor een brandstofbron. Dit betekent dat het vriendelijk is voor het milieu en geen schade of aantasting van de menselijke gezondheid veroorzaakt. Dit is natuurlijk wel het geval bij een brandstof zoals benzine.
- Waterstof is zeer efficiënt: Waterstof is een efficiënt energietype omdat het de capaciteit heeft om veel energie over te dragen per kilo brandstof in vergelijking met diesel of benzine. Dit betekent categorisch dat een voertuig dat waterstofenergie gebruikt meer kilometers zal afleggen dan een voertuig met een gelijke hoeveelheid benzine.
Nadelen van waterstof
- Waterstof is (nog) erg prijzig: Een van de grootste nadelen van waterstofenergie is de kostprijs van het produceren en opslaan van waterstof. Momenteel is het elektrolyseproces relatief duur en energie-intensief. Bovendien is waterstof een gas bij kamertemperatuur en moet het worden opgeslagen in tanks met hoge druk of cryogene tanks. De infrastructuur om dit proces te voltooien is prijzig.
- Er zijn opslagcomplicaties: Een van de eigenschappen van waterstof is dat het een lagere dichtheid heeft. Sterker nog, het is veel minder dicht dan benzine. Dit betekent dat het gecomprimeerd moet worden tot een vloeibare toestand of tot waterstof poeder en op dezelfde manier bij lagere temperaturen moet worden opgeslagen om de effectiviteit en efficiëntie als energiebron te garanderen.
- Waterstof is lastig te verplaatsen: Het is een uitdagende taak om waterstof op een briljante manier te vervoeren vanwege zijn lichtheid. Olie kan veilig worden vervoerd omdat het voornamelijk door leidingen wordt geduwd. Kolen kunnen gemakkelijk worden vervoerd in kiepwagens. Waterstof vormt ook uitdagingen wanneer wordt overwogen om het in grote hoeveelheden te verplaatsen, wat de reden is dat het meestal alleen in kleine batches wordt vervoerd.
- Waterstof is licht-ontvlambaar: De kracht van waterstof mag absoluut niet onderschat worden. Hoewel benzine iets gevaarlijker is dan waterstof, is waterstof een zeer brandbare en vluchtige stof die vaak het nieuws haalt vanwege de mogelijke gevaren. In vergelijking met gas heeft waterstof geen geur, wat het bijna onmogelijk maakt om lekkages op te sporen. Om lekkages op te sporen, moeten sensoren worden geïnstalleerd.
Is er een toekomst voor waterstof?
In een wereld waar duurzaamheid en schone energie centraal staan, heeft waterstof zijn plaats als een veelbelovende speler in de energietransitie opgeëist. Ongetwijfeld biedt waterstof enkele aanzienlijke voordelen die bijdragen aan de diversificatie van onze energiebronnen en het verminderen van onze ecologische voetafdruk. Van zijn vermogen om schone energie op te slaan tot het aandrijven van voertuigen zonder schadelijke emissies, waterstof heeft de aandacht getrokken als een potentieel game-changing alternatief.
Toch moeten we ook eerlijk kijken naar de uitdagingen die gepaard gaan met het benutten van waterstof als energiebron. De kosten van productie, opslag en infrastructuur vormen obstakels die moeten worden overwonnen voordat waterstof op grote schaal kan worden geïntegreerd. De afhankelijkheid van niet-hernieuwbare bronnen voor waterstofproductie en de technische complexiteit van waterstofopslag vragen om verdere onderzoek en ontwikkeling.
De groeiende investeringen in onderzoek en innovatie, de toenemende inzet van hernieuwbare energiebronnen en de samenwerking tussen industrie en overheden wereldwijd wijzen allemaal op een veelbelovende toekomst voor waterstof. Hoewel de weg naar volledige integratie en acceptatie uitdagend zal zijn, zijn de voordelen van waterstof als schone, veelzijdige energiebron moeilijk te negeren.
Het is duidelijk dat waterstof een rol zal spelen bij het vormgeven van onze toekomstige energielandschap. In Nederland zijn er al een aantal waterstofprojecten die lopende zijn en Nederland is momenteel ook de op een na grootste waterstofproducent van heel Europa. Het potentieel is er, de wil is aanwezig en de toekomst van waterstof blijft opwindend en veelbelovend.