Waterstoftoepassingen

Waterstof kan voor allerlei toepassingen worden ingezet en voor veel toepassingen wordt stevig ingezet op onderzoek en ontwikkeling. Een overzicht van welke ontwikkelingen er rond 2018 speelden werd door de Topsector Energie/TKI Nieuw Gas gepubliceerd (Jörg Gigler, Marcel Weeda 2018^w). Een factsheet van waterstof in de gebouwde omgeving van CE Delft (wat een van de oud-docenten van TB141E ontwikkelde) geeft een overzicht van de mogelijkheden (CE Delft 2020^w). Hier is een overzicht uit deze factsheet:

Figuur 1. Overzicht toepassingen van waterstof. Deze toepassingen zullen verder op de pagina worden toegelicht. Bron: (CE Delft 2020^w)

Hieronder staan een aantal ontwikkelingen opgesomd, voor de industrie, voor mobiliteit, voor opslag en voor de gebouwde omgeving.

Industrie

Traditioneel speelt waterstof al een belangrijke rol in de industrie voor diverse processen. In de industrie wordt waterstof voornamelijk gebruikt als grondstof. De belangrijkste hiervan is de productie van ammoniak (goed voor 65%^w van het waterstofgebruik in de industrie), dat veel gebruikt wordt voor de productie van kunstmest en methanol. Daarnaast wordt waterstof ook veel gebruikt bij de productie van warmte voor diverse industriële processen in de chemie en in de staalindustrie. Maar waterstof wordt ook ingezet bij aardolieraffinaderijen, waar het wordt gebruikt voor hydrotreating^w (zwavel uit ruwe aardolie verwijderen) en voor hydrocracking^w (zware koolwaterstoffen omzetten in lichtere koolwaterstoffen). Hier wordt waterstof dus vooral gebruikt om onzuiverheden, zoals zwavel, uit de olie te halen. Olieraffinaderijen zijn goed voor ongeveer 25% van het totale gebruik van waterstof in de industrie. De laatste 10% wordt gebruikt voor veel verschillende dingen. Zo wordt waterstof toegepast in de voedingsmiddelenindustrie voor het maken van suikervervangers, maar ook voor de productie van margarine en zonnebloemolie. In de kledingindustrie wordt waterstof gebruikt voor het maken van bijvoorbeeld nylon en polyesters.

Figuur 2 geeft een overzicht van de ontwikkelingen van waterstof voor hogetemperatuurwarmte. Hier staat voor verschillende ontwikkelstadia en toepassingen welke prioriteit ze hebben. Een aantal van deze toepassingen hebben nog een lage TRL (of Technology Readiness Level), wat betekent dat de ontwikkeling nog niet marktrijp is. Desondanks kan het interessant zijn om op zulke technologieën in te zetten, zodat op lange termijn de industrie verder kan worden vergroend. Vrijwel alle toepassingen zijn groen gekleurd, wat betekent dat ze een hoge prioriteit kennen: ze zijn interessant en kansrijk voor Nederland. Wat de figuur laat zien is dat waterstof in de industrie een grotere rol kan gaan spelen bij het opwekken van hoge temperatuur proceswarmte (>300°C). Waterstof zou hier de rol van aardgas kunnen overnemen, met als voordeel dat er bij de verbranding geen CO$_2$ vrijkomt. Daarnaast kan het dienen als hernieuwbare grondstof voor duurzame chemische producten en materialen (mits de waterstof groen wordt geproduceerd). Zo kan waterstof in de staalindustrie gedeeltelijk cokes in de hoogovens vervangen, kan het worden gebruikt voor de productie van kunstmest en bij de raffinage van aardolie.

Figuur 2. Ontwikkelingsstadia toepassingen van waterstof voor hogetemperatuurwarmte. In deze figuur is per toepassing weergegeven wat de energie-functionaliteit is en wat het ontwikkelingsstadium is. Hierbij wordt onder andere de term "TRL" gebruikt. De TRL staat voor de Technology Readiness Level^w. In totaal zijn er 9 verschillende TRL's welke onderverdeeld kunnen worden in enkele overkoepelende fasen. TRL 1,2 en 3 vormen de ontdekkingsfase. TRL 4 - 7 vormen de ontwikkelingsfase en fase 8 - 9 vormen de demonstratiefase. Bron: Jörg Gigler, Marcel Weeda 2018^w

Op dit moment wordt waterstof in de industrie voornamelijk geproduceerd uit aardgas en is daarmee dus grijze waterstof. Bij de productie van waterstof in de industrie komt jaarlijks zo’n 13 megaton CO$_2$^w vrij, wat gelijk staat aan ongeveer 8% van de totale CO$_2$-uitstoot in Nederland.

Mobiliteit, transport en logistiek

In de onderstaande afbeelding is een overzicht te vinden van diverse transportmiddelen en de vooruitzichten van de rol die waterstof hierbij zal spelen.

Figuur 3. Ontwikkelingsstadia toepassingen van waterstof voor mobiliteit, transport en logistiek. Ook hier wordt gebruik gemaakt van de TRL, oftewel de Technology Readiness Level^w. Opvallend is dat voor zowel personenvervoer als voor goederentransport al transportmiddelen (bijna) marktrijp zijn, zoals waterstofauto's. Later op deze pagina zullen verschillende van deze transportmiddelen en hun relatie tot waterstof worden besproken. Bron: Jörg Gigler, Marcel Weeda 2018^w

Brandstofcel met elektromotor; verbrandingsmotor

Allereerst kort over de technologie gebruikt voor waterstof in transportmiddelen. Transportmiddelen kunnen worden aangedreven door een combinatie van een brandstofcel en een elektromotor. Een brandstofcel doet in zekere zin het tegenovergestelde van een elektrolyser: het zet de getankte waterstof om in elektriciteit door middel van zuurstof uit de omgeving. Water is hierbij het enige restproduct. Behalve een brandstofcel kan ook een verbrandingsmotor worden gebruikt die op waterstof werkt. Het voordeel van deze technologie is dat deze ook op diesel kan werken in het geval er geen waterstof beschikbaar is.

De getankte waterstof wordt in gasvorm in een tank onder druk meegenomen. Voor personenwagens wordt vaak met een druk van ca. 700 bar gewerkt, voor vrachtwagens en stadsbussen is dit ca. 350 bar. Het opslaan van waterstof in vloeibare vorm is ook mogelijk, zeker wanneer er beperkte ruimte voor opslag beschikbaar is.

Zie hier een animatie van waterstofgebruik in een vrachtwagen: youtube^w

Figuur 4. De werking van een waterstofauto. Te zien is dat waterstof wort getankt en vervolgens in een waterstoftank kan worden opgeslagen. Vervolgens wordt de waterstof door een brandstofcel omgezet in elektriciteit die naar de elektromotor gaat. De elektromotor drijft vervolgens de wielen van de auto aan. Bron: BMW^w

Hier een overzicht^w van waterstof voor de verschillende modaliteiten:
• Auto’s^w: De verwachting is dat personenvervoer in de toekomst voornamelijk batterij-elektrisch zal zijn. Personenauto’s op waterstof bestaan echter wel al: zowel Hyundai^w als Toyota^w bieden al commerciële waterstofauto’s aan. Deze zijn echter wel nog relatief duur. Het voordeel van auto’s op waterstof ten opzichte van bestaande elektrische auto’s, zijn de korte tijd die het duurt om te tanken (net zo lang als een ‘normale’ benzineauto, dus enkele minuten) en de grote actieradius van meer dan 600km. Waterstof neemt erg veel volume in beslag bij atmosferische druk. Voor een volle tank, van ca. 5,5 kilogram, zou je maar liefst 62m$^3$^w nodig hebben. Omdat dit natuurlijk niet in een normale auto past, wordt de waterstof onder zeer hoge druk tot 700 bar gecomprimeerd in een tank van ongeveer 90 liter^w.
Wanneer je waterstof tankt komt deze waterstof terecht in een tank. Vanuit deze tank wordt de waterstof getransporteerd naar een brandstofcel waarin de waterstof wordt omgezet in elektriciteit. Een elektromotor drijft vervolgens de auto aan.
• Vrachtverkeer^w: Vanwege de lage actieradius en het grote gewicht van batterijen ligt er een groot potentiaal voor waterstof bij vrachtverkeer. Op het moment zijn er nog geen andere zero-emissie alternatieven die geschikt zijn. Voordelen van waterstoftruck zijn dus dat ze in de toekomst schoon kunnen zijn (bij een grote actieradius). Daarnaast kunnen waterstoftrucks relatief veel kracht leveren terwijl ze een laag gewicht hebben. De grootste nadelen voor waterstoftrucks liggen voornamelijk bij de kosten van waterstof en de bereikbaarheid van waterstof. Anno 2021 zijn er slechts 337^w waterstoftankstations wereldwijd, waarvan de meesten zich in Duitsland en Japan bevinden. Dit vormt een probleem wanneer trucks zich door verschillende landen moeten verplaatsen: je wil immers niet grote afstanden omrijden om te kunnen tanken.
• Treinen^w: Voor treinen zou waterstof een rol kunnen spelen op lijnen die nog niet geëlektrificeerd zijn. In Nederland zijn praktisch alle lijnen dit wel, dus zal de rol van waterstof in ons land waarschijnlijk beperkt blijven. In sommige landen zijn echter nog niet alle lijnen geëlektrificeerd waardoor de potentie voor waterstof hier groter is. In Duitsland zijn er al enkele projecten gaande om dieseltreinen te vervangen door waterstoftreinen.
• Schepen: Waterstof kan met name in de binnenvaart, kustvaart en voor kleine vaartuigen een mogelijkheid bieden. Waterstof zou hier meegenomen kunnen worden in gasvorm onder druk en zou voldoende energie-inhoud bieden. Anno 2021 is er door het Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat 4 miljoen euro^w uitgetrokken de ontwikkeling en bouw van een 135 meter lang waterstofschip voor de binnenvaart. Hiervan wordt verwacht dat deze in 2023 in gebruik wordt genomen. Voor grote zeeschepen kan waterstof waarschijnlijk niet voldoende energie bieden.
• Luchtvaart^w: Tot dusver wordt waterstof nog niet als een grote optie gezien in de luchtvaart. De uitdaging ligt hier met name in de opslag van voldoende brandstof aan boord in waterstoftanks. Deze tanks zijn voor waterstof in vloeibare vorm vaak vier maal zo groot als kerosinetanks met dezelfde energie inhoud. Voor vluchten op korte afstand zal dit een minder groot probleem zijn, echter is dit wel een grote uitdaging voor langere vluchten.

Energieopslag

Waterstof is, in principe, erg geschikt om in grote hoeveelheden op te slaan, ook voor langere tijd. Hier is echter wel grote elektrolyse-capaciteit voor nodig (om aan voldoende waterstof te komen) en voldoende (ondergrondse) opslagcapaciteit. Lees ook terug over ondergrondse opslag kan op de pagina waterstof-transport: In Nederland zijn er in Groningen bijvoorbeeld relatief veel natuurlijke opslaglocaties beschikbaar door de zoutcavernes en de (lege) gasvelden.

Gebouwde omgeving

Tot slot zou waterstof nog een rol kunnen spelen in de gebouwde omgeving, specifiek in de verwarming van woningen en bedrijfspanden. Dit kan op verschillende manieren, zie het overzicht van CE Delft in figuur 5.

Figuur 5. Toepassingen van waterstof in de bebouwde omgeving. Bron: CE Delft 2020^w

Ten eerste kan er gebruik gemaakt worden van een reguliere CV-ketel. Het bijmengen van waterstof in het aardgasnet is tot 20% mogelijk zonder aanpassingen te doen aan het net of aan de installaties die daarbij horen. Pure waterstof kan ook worden gebruikt, echter moet hiervoor het net worden omgebouwd en de installaties als de cv-ketel en de gasmeter moeten worden vervangen. Een tweede optie is een brandstofcel, waarbij warmte en elektriciteit uit waterstof worden geproduceerd. De kosten hiervan zijn op dit moment echter nog te hoog om toe te passen in huishoudens. Een derde optie is een hybride warmtepomp waarbij er gebruik gemaakt wordt van de buitentemperatuur en waarbij een waterstof cv-ketel als het buiten erg koud is. Tot slot is er nog de optie van een warmtenet. Een dergelijk netwerk wordt gevoed met warmte die vrijkomt bij de verbranding van waterstof in een centrale of warmteketel. Hier kunnen vervolgens huizen en bedrijfspanden mee worden verwarmd.

Het gebruik van waterstof in de gebouwde omgeving is met name rendabel in panden die slecht geïsoleerd zijn. Het gebruik van elektriciteit is energetisch efficiënter waardoor dit een meer rendabele optie is in panden die wél goed geïsoleerd zijn. Daarnaast is groene waterstof voorlopig nog erg prijzig.

Bronnen

Jörg Gigler, Marcel Weeda 2018^w,
CE Delft 2020^w, Waterstof voor de gebouwde omgeving. Laatst geraadpleegd: 12 januari 2024
Jörg Gigler, Marcel Weeda 2018^w, Contouren van een Routekaart Waterstof, TKI Nieuw Gas Topsector Energie 2018. Laatst geraadpleegd: 12 januari 2024

Laatste wijziging: 12-01-2024

Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.