Waterstof maken met behulp van duurzame energie

Waterstof is een veelbelovende energiedrager die kan bijdragen aan de energietransitie. Door water met behulp van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen te splitsen, kun je waterstof maken. Hierbij komt ook zuurstof vrij. Deze waterstof wordt ook wel groene waterstof genoemd.

– Er zijn verschillende methoden om waterstof te maken. Door water te splitsen met behulp van zonne- of windenergie kun je op duurzame wijze waterstof maken.
– Voor de duurzame productie van waterstof is een elektrolyser nodig. Deze apparaten zijn nu nog niet erg energie-efficiënt.
– De geproduceerde waterstof kan opgeslagen worden in zoutcavernes of lege aardgasvelden. Ook kan het onder druk worden opgeslagen in tanks.

Voor de elektrolyse is energie nodig. Die kan uit verschillende bronnen komen. De energie kan duurzaam worden opgewekt, door bijvoorbeeld zonnepanelen of windmolens. In dat geval wordt gesproken van groene waterstof. 

Het is ook mogelijk biomassa in te zetten voor de productie van waterstof, in dat geval spreekt men van bruine waterstof. 

Ook is kernenergie in te zetten voor de elektrolyse. Dan is er sprake van paarse waterstof.   

Grijze en blauwe waterstof verwijzen naar andere productiemethoden om waterstof te maken zonder elektrolyse. Grijze waterstof wordt gemaakt uit aardgas of kolen, maar daarbij komt veel CO2 vrij, wat slecht is voor het klimaat.

Blauwe waterstof wordt ook gemaakt uit aardgas maar de CO2 die daarbij vrijkomt wordt opgevangen en opgeslagen onder de grond. Dit wordt CCS genoemd. Zo komt er significant minder CO2 in de lucht. 

Om te leren hoe groene waterstof op zee geproduceerd kan worden, is de pilot PosHYdon gestart. PosHYdon is een innovatief project dat groene waterstof gaat produceren op een operationeel platform in de Noordzee. Het project combineert drie systemen: offshore wind, offshore gas en offshore waterstof. Het doel is om te leren hoe waterstof gemaakt kan worden in een offshore omgeving en welke uitdagingen en kansen daarbij komen kijken.  

Neptune Energy, lid van Element NL, is één van de partners van dit project. 

Waterstof wordt op dit moment vooral geproduceerd met behulp van aardgas. Dit proces heet kraken of reforming. Hierbij wordt aardgas verhit tot hoge temperaturen en reageert het met stoom. De reactie levert waterstof en koolstofdioxide (CO2) op. Dit is de meest gebruikte methode om waterstof te produceren in Nederland, omdat het goedkoop en snel is. Het nadeel is dat er veel broeikasgassen vrijkomen bij deze methode van waterstof maken. Bovendien willen we graag de gaswinning in Nederland afbouwen. 

Een andere methode om waterstof te maken, is door een proces genaamd ‘elektrolyse’, wat betekent dat water (H2O) wordt gesplitst in zuurstof (O2) en waterstof (H2) met behulp van elektriciteit. Dit gebeurt in een apparaat dat een ‘elektrolyser’ wordt genoemd. 

In de elektrolyser worden twee elektroden geplaatst in een oplossing van water en een beetje elektrolyt (zoals natriumhydroxide). Wanneer er elektriciteit wordt gezet op de elektroden, worden zuurstof en waterstof worden geproduceerd. De zuurstof verzamelt zich aan de positieve elektrode (anode) en de waterstof verzamelt zich aan de negatieve elektrode (kathode).

Nederland wil overstappen van waterstof maken uit aardgas naar hernieuwbare waterstof op basis van elektrolyse. In het Klimaatakkoord is de ambitie vastgelegd om in 2025 500 megawatt (MW) elektrolysecapaciteit te realiseren. In 2030 zou de capaciteit 3 tot 4 gigawatt (GW) moeten bedragen. Naar verwachting is de fabriek in 2025 operationeel. 

Op dit moment zijn er alleen nog kleinere installaties in Nederland met een gezamenlijke capaciteit van zo’n 10 MW. Shell is in 2022 gestart met de bouw van Holland Hydrogen I op de Tweede Maasvlakte in de Rotterdamse haven. De groene waterstoffabriek krijgt een capaciteit van 200 MW. 

Voor het windenergiegebied ten noorden van de Waddeneilanden wordt nu ook een windpark gepland voor 500 MW elektrolysecapaciteit. Dat moet in 2031 operationeel zijn. De tenders voor dit project zijn nog niet uitgeschreven.

Om waterstof te maken, is elektriciteit nodig om water te splitsen in waterstof en zuurstof. De hoeveelheid elektriciteit die nodig is, hangt af van verschillende factoren, zoals de grootte van het elektrolyse-apparaat, de efficiëntie van het proces en de kwaliteit van het water dat wordt gebruikt. 

Er is ongeveer 50 kilowattuur (kWh) aan elektriciteit nodig om één kilogram waterstof te produceren. Daarnaast is er ook nog extra energie nodig om waterstof op te kunnen slaan en te transporteren. Dit betekent dat waterstof maken behoorlijk wat energie vereist. In totaal gaat zo’n 50% van de energie die ingezet wordt, verloren bij de productie opslag en het gebruik van de waterstof.  

Naast de kosten voor energie, opslag en transport, spelen ook de kosten en de efficiëntie van de elektrolyser een grote rol bij een succesvolle toekomst voor waterstof. Naar schatting stijgt de vraag naar elektrolysers de tot 2031 met 8000%. 

Een elektrolyser is relatief duur omdat het apparaat bij de productie van groene waterstof slecht een deel van de tijd gebruikt wordt. Wanneer een elektrolyser bijvoorbeeld ingezet wordt bij de productie van waterstof op zee, wordt het alleen gebruikt wanneer er wind is om windenergie mee op te wekken. Wanneer het windstil is, staat de elektrolyser op non-actief. 

Bovendien heeft een gemiddelde elektrolyser op dit moment een efficiëntie van ongeveer 75%. Dat betekent dat er 25% van de energie verloren gaat wanneer waterstof geproduceerd wordt. Er wordt hard gewerkt om elektrolysers te maken die efficiënter werken. Het Australische bedrijf Hysata claimt inmiddels een efficiëntie van 95%.  

Ook in Nederland vindt innovatie op dit vlak plaats. Zo is de startup Battolyser bezig met de ontwikkeling van een batterij die de groene stroom van bijvoorbeeld windmolens of zonnepanelen opslaat. Als de Battolyser vol is, schakelt het apparaat vervolgens automatisch over op de productie van waterstof.

Waterstof biedt veel kansen voor de energietransitie. Maar voordat waterstof op grote schaal gemaakt kan worden, zullen wel de volgende uitdagingen overwonnen moeten worden:

1. Productie moet duurzamer
   De meest gebruikte methode voor de productie van waterstof (kraken van aardgas) is niet duurzaam op de lange termijn, omdat het nog steeds afhankelijk is van fossiele brandstoffen en gaswinning. Er moet daarom worden gezocht naar alternatieve, duurzamere methoden voor de productie van waterstof, zoals elektrolyse van water met behulp van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie. 
2. Productie is niet efficiënt
   Momenteel is de efficiëntie van de productie van waterstof laag. De meeste productiemethoden vereisen aanzienlijke hoeveelheden energie, wat de kosten en het energieverbruik verhoogt. Er moet daarom worden gezocht naar methoden om de efficiëntie van de productie van waterstof te verbeteren. 
3. Schaalbaarheid moet omhoog 
   Momenteel is de productiecapaciteit van elektrolysers beperkt. Nieuwe methoden en technologieën moeten de productie van waterstof op grote schaal mogelijk maken.

De productie van waterstof moet zorgvuldig gebeuren. Waterstof is een zeer licht en brandbaar gas dat moeilijk te zien of te ruiken is. Als waterstof ontsnapt uit een leiding of een tank, kan het zich snel verspreiden in de lucht en ontbranden bij een kleine vonk of een hoge temperatuur.  

Waterstof kan ook zuurstof verdringen in een afgesloten ruimte, waardoor er verstikkingsgevaar ontstaat. Daarom zijn er strenge veiligheidsmaatregelen nodig om waterstof te produceren, op te slaan en te vervoeren.

Door duurzame energie uit zon of wind op te slaan in waterstof wanneer er geen vraag naar is en weer om te zetten in energie wanneer de zon niet schijnt of het windstil is, kan waterstof een belangrijke rol in de energietransitie spelen.  

Daarvoor is het wel noodzakelijk dat je de waterstof op kunt slaan. Dat kan op verschillende manieren. Waterstofgas heeft een behoorlijk volume. Daarom wordt er gewerkt aan de mogelijkheid om grote hoeveelheden waterstof op te slaan in zoutcavernes. Dat zijn grote holtes in de grond die ontstaan door het oplossen van zoutlagen. In Nederland zijn er zulke zoutcavernes in Groningen, waar nu al aardgas wordt opgeslagen. Gasunie wil vanaf 2026 vier zoutcavernes gebruiken om waterstof in op te slaan.  

Een andere manier is om waterstof in tanks te bewaren onder hoge druk of lage temperatuur. Ten slotte is het ook mogelijk om waterstof te binden aan andere stoffen. Zo kun je waterstof vervoeren of opslaan in vaste of vloeibare vorm.

Het transport van waterstof op land en zee gebeurt via leidingen. Daarbij kan gebruik gemaakt worden van het bestaande aardgasnetwerk. Dit netwerk kan geschikt gemaakt worden voor waterstof door aanpassingen aan de leidingen, compressoren en meetapparatuur. Zo kan de bestaande infrastructuur duurzaam hergebruikt worden.