Welke rol speelt waterstof in energietransitie?

waterstof

Als we sommige krantenkoppen over waterstof van de voorbije jaren mogen geloven, dan is waterstof dé oplossing in de strijd tegen de klimaatverandering. We zouden ermee verwarmen, onze auto’s mee aandrijven … Maar is dat wel het geval? Welke rol zal waterstof daadwerkelijk spelen in de energietransitie? Een poging tot antwoord.

WAT IS WATERSTOF?

Waterstof is een molecuul (H₂) die is opgebouwd uit twee waterstofatomen (H). Waterstof komt veel voor in de natuur, maar altijd verbonden met andere atomen. Het moet altijd gescheiden worden van andere chemische elementen, wat betekent dat er altijd energie nodig is om waterstof te bekomen. De scheiding kan op verschillende manieren.

Waterstof maken

Een mogelijkheid is een fossiele brandstof, zoals aardgas, thermisch kraken. Door de hoge temperatuur wordt het gas gesplitst in waterstof en koolstof. Die waterstof kan je dan als een soort gedecarboniseerd gas gebruiken. Een andere manier is elektrolyse. Hierbij wordt elektriciteit gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof.

Waterstof kan ook ‘per ongeluk’ gemaakt worden. Dat wil zeggen dat het als bijproduct ontstaat, bijvoorbeeld in de chemische industrie. Zo ontstaat waterstof als bijproduct bij de productie van chloorgas, waarbij een oplossing van natriumchloride wordt geëlektrolyseerd.

Kleuren

Het spreekt voor zich dat de manier waarop waterstof wordt bekomen bepaalt hoe milieuvriendelijk ze is. Dat wordt aangegeven met drie kleuren. Die geven uiteraard niet aan welke kleur waterstof heeft, maar wel hoeveel uitstoot de productie veroorzaakt.

Grijze waterstof

Grijze waterstof is waterstof die gemaakt wordt uit fossiele bronnen, zoals aardgas, stookolie of zelfs steenkool, zonder dat daarbij CO₂ wordt afgevangen.

Blauwe waterstof

Blauwe waterstof is ook waterstof die gemaakt wordt uit fossiele bronnen, maar waarbij de CO₂ wordt opgeslagen of afgevangen, zodat ze opnieuw gebruikt kan worden voor andere doeleinden. De netto-uitstoot van de productie ligt dus laag. Ook waterstof die ontstaat als bijproduct is blauwe waterstof, omdat de CO₂-uitstoot wordt toegekend aan het oorspronkelijke product, zoals chloor.

Groene waterstof

Met groene waterstof wordt meestal waterstof bedoeld die gemaakt is met (overschotten van) hernieuwbare elektriciteit, zoals zonne- of windenergie. Een andere mogelijkheid is om biogas of biomassa te splitsen. In onze regio zijn die echter heel weinig beschikbaar, waardoor het hier niet echt van toepassing is.

In de praktijk

Vandaag wordt zo’n 90 à 95 procent van de waterstof die we hebben gemaakt uit fossiele bronnen. Het grootste deel daarvan is aardgas, een klein deeltje is afkomstig van stookolie en steenkolen. Een ander deeltje daarvan is waterstof die ontstaat als bijproduct. Slechts 1 procent van alle waterstof wordt vandaag gemaakt uit hernieuwbare stroom. Dat komt hoofdzakelijk doordat we geen overschotten aan hernieuwbare energie hebben. Daarnaast is grijze waterstof het goedkoopst om te produceren. Algemeen geldt: hoe groener, hoe duurder.

Zo’n 90 à 95% van de waterstof die we komt uit fossiele bronnen

VERWARMEN MET WATERSTOF

Het mag duidelijk zijn dat waterstof vandaag nog niet op grote schaal beschikbaar is. Het hoeft dan ook niet te verbazen dat we vandaag amper gebouwen en woningen verwarmen met waterstof. Er zijn wel manieren waarop dat mogelijk is en waar verschillende fabrikanten volop aan werken.

Er zijn twee manieren om te verwarmen met waterstof: centraal en lokaal.

Centraal

Centraal verwarmen met waterstof steunt op hetzelfde principe als verwarmen met aardgas. Daarbij wordt het aardgas, of in dit geval waterstof, centraal aangemaakt en komt het via een uitgebreid leidingsysteem in gebouwen terecht. Die methode wordt voor waterstof in ons land nog niet gebruikt, maar in Engeland worden in het H21-project in Leeds daar wel de eerste stappen toe gezet. De voordelen van deze manier zijn legio. Zo kan je de koolstof die vrijkomt gemakkelijk centraal opslaan, in plaats van dat elke woning afzonderlijk zijn CO₂ moet afvangen. Bovendien is het een goedkope manier door de schaalgrootte. Alleen vergt deze methode een volledig waterstofleidingnetwerk, en dat hebben we in ons land niet.

Lokaal

Een tweede manier om te verwarmen met waterstof is door ze lokaal op te slaan en te gebruiken. Wanneer er een overschot aan hernieuwbare energie is, zoals elektriciteit opgewekt door pv-panelen, kan je die energie opslaan in waterstof. Zo kan je die energie later gebruiken.

Het grote nadeel van deze methode is de kostprijs. Waterstof neemt bij luchtdruk heel veel plaats in, dus je moet ze samendrukken en onder hele hoge druk bewaren. Daarvoor heb je heel wat externe apparatuur nodig, zoals een compressor en speciale drukvaten. Dat is vandaag absoluut niet economisch rendabel.

Een brandstofcel is een verwarmingstoepassing op waterstof

lokale verwarming met waterstof

Brandstofcel

Een verwarmingstoepassing op waterstof die vandaag al ‘ingeburgerd’ is, is een brandstofcel. Een microwarmte-krachtkoppeling kan bijvoorbeeld op basis van een brandstofcel werken. Het aardgas wordt daarbij intern in het toestel gekraakt. Op dat moment is er even waterstof beschikbaar. De brandstofcel gaat die waterstof dan omvormen door middel van een chemische reactie, en dus niet door verbranding, naar stroom en warmte. Vandaag zijn die toepassingen nog aangesloten op het aardgasnet, omdat er uiteraard nog geen waterstofnet is. Dat betekent ook dat deze manier van verwarmen met waterstof niet CO₂-neutraal is. Bovendien kan een brandstofcel vaak niet voldoende warmte leveren in putje winter. De meeste fabrikanten voorzien dan ook een aanvulling, bijvoorbeeld in de vorm van een gascondensatieketel.

Condensatieketels

Sommige fabrikanten bieden ook waterstofcondensatieketels aan. Het principe is hetzelfde als een gascondensatieketel, alleen wordt in dit geval waterstof gebruikt. Om zo’n ketel met 100% waterstof te kunnen gebruiken, heb je wel een continue bron van waterstof nodig. Dat is vandaag dus nog niet mogelijk, behalve in bepaalde proefprojecten. In Nederland zijn er bepaalde proefwijken waar deze methode momenteel gebruikt wordt.

Een andere optie is een gascondensatieketel waar waterstof bijgemengd wordt. Dat is een haalbaardere methode die toch voor een CO₂-reductie zorgt.

waterstof

Beginfase

Het mag duidelijk zijn dat verwarmingstoepassingen op waterstof nog erg in de beginfase zitten. Hoewel er al mogelijkheden bestaan, zijn ze vandaag nog te duur of te omslachtig. Er is ook nog geen toereikende infrastructuur om de eerstkomende jaren over te schakelen op waterstof in plaats van gas. Bovendien heb je steevast te maken met een energieverlies: bij elektrolyse gaat er zo’n twintig à dertig procent energie verloren. Wanneer dat waterstof opnieuw moet omgezet worden naar elektriciteit gaat er zelfs nog meer energie verloren. Dat verlies manifesteert zich wel als warmte, wat betekent dat het nettoverlies op gebouwniveau eerder beperkt kan blijven.

Wat is het potentieel dan?

Waterstof is dus niet dé toekomst van de gebouwverwarming, dat is duidelijk. Maar dat kan evenmin worden van andere moderne toepassingen, zoals warmtepompen. Er zal een mix van verschillende oplossingen nodig zijn om klimaatneutraliteit te bereiken. Waterstof zal daar wellicht één van zijn. Maar hoe precies?

Energie opslaan op lange termijn

Het grote potentieel van waterstof zit in het feit dat er elektriciteit mee kan opgeslagen worden. De belangrijkste toepassing daarvan zal centraal gebeuren. Als er in ons land overschotten hernieuwbare energie beschikbaar zouden zijn, dan zullen die ergens opgeslagen moeten worden. Batterijen kunnen soelaas bieden op zeer korte termijn, maar volstaan bijvoorbeeld niet voor seizoensopslag. Daarom kan waterstof daar een oplossing bieden. Op momenten dat er geen hernieuwbare energie geproduceerd wordt, kan die waterstof dan weer omgezet worden in elektriciteit als back-up.

Waterstof kan dienen voor transport van hernieuwbare elektriciteit

Ook voor transport van hernieuwbare elektriciteit kan waterstof een rol spelen. Energie die opgewekt wordt met fotovoltaïsche panelen en wind in pakweg Chilli kan je niet via een enorme kabel naar ons land brengen. Je kan ze wel opslaan in waterstof, die waterstof vloeibaar maken of verder converteren naar of binden aan een vloeibare of gasvormige drager , en dat dan op een schip naar ons land vervoeren.

Oude gebouwen

Daarnaast kan waterstof een rol spelen in de verwarming van oude gebouwen die niet of slechts gedeeltelijk gerenoveerd kunnen worden. Voor nieuwbouw en zeer grondige renovaties zal een warmtepomp altijd efficiënter en interessanter blijven. Maar als je niet op lage temperatuur kan verwarmen, kom je nog bijna altijd uit bij aardgas, de ‘schoonste’ fossiele brandstof. Gesteld dat er waterstofleidingnetwerken worden uitgewerkt, dan kan waterstof als emissievrij gas gebruikt worden voor gebouwverwarming. Daarbij zou dan – zoals we eerder bespraken – op dezelfde manier verwarmd worden als op aardgas, bijvoorbeeld met een condensatieketel.

In moeilijk te renoveren gebouwen kan waterstof een oplossing bieden

Het net

Om klimaatneutraal te worden in 2050 zal de gebouwverwarming hoe dan ook grotendeels geëlektrificeerd moeten worden. Een vaak gehoord knelpunt daarbij is dat ons elektriciteitsnet nog niet voorbereid is op een doorgedreven elektrificatie van de maatschappij. Wat als iedereen tegelijk zijn elektrische wagen oplaadt en zijn warmtepomp op volle toeren laat werken? Vandaag zien we bijvoorbeeld al regelmatig stroompannes, een gaspanne daarentegen komt bijna nooit voor. Een gasnetwerk is dus een heel robuuste oplossing en zou zoals zonet aangehaald een oplossing kunnen zijn voor oude gebouwen.

Ook lokaal gaat er steeds meer aandacht naar zelfconsumptie van hernieuwbare energie, niet het minst omdat je elektriciteitsrekening in de toekomst berekend zal worden op basis van het piekverbruik. Maar denk ook aan de kosten om overschotten van pv-panelen weer op het net te steken.

Honderd procent zelfconsumptie is zelfs met slimme sturing moeilijk haalbaar. Daarom is het belangrijk om energie te kunnen opslaan, ook om zo het verbruik te kunnen spreiden en het net niet te veel te belasten. Daar kan waterstof dus een rol spelen. Denk bijvoorbeeld aan een warmtepomp voor het piekverbruik, in combinatie met brandstofcellen die kunnen bijspringen indien nodig. Natuurlijk moeten de oplossingen die fabrikanten vandaag aanbieden eerst veel goedkoper worden. En dat is een kwestie van volumes.

De efficiëntie van waterstof als verwarmingsbron is te laag om ze op grote schaal te gebruiken en als wonderoplossing te zien. Wat elektrisch kan, moet je elektrisch doen. Maar door de onzekerheid over de capaciteit van het energienet kan waterstof een ondersteunende spelen in de toekomstige verwarming van gebouwen.

brandstofcel

Overheid

En wat met de overheid? Ook zij ziet waterstof niet als prioriteit voor gebouwverwarming. Zo is er vandaag bijvoorbeeld nog maar weinig wetgeving en normering.

Er wordt eerst gekeken naar waterstof in de industrie, zowel als energievoorziening als als grondstof. De industrie en elektriciteitsproductie veroorzaken bijna de helft van alle CO₂-uitstoot in ons land. Daar liggen dus nog heel wat opportuniteiten.

Er wordt in bepaalde landen bijvoorbeeld gedacht over grote waterstofpijpleidingen die de haven en grote industriegebieden kunnen verbinden. Eens zulke netwerken er liggen, zou er gekeken kunnen worden of er genoeg waterstof is om een distributienet te kunnen vullen in steden. Gebouwverwarming met waterstof is dus zeker geen overheidsprioriteit, maar kan hand in hand gaan met de vergroening van de industrie.

waterstofnet — Waterstoftankstation voor heftrucks

UITDAGINGEN

Er zijn nog heel wat uitdagingen om van waterstof een geduchte speler in het energieveld te maken. Een van de grootste technologische uitdagingen is de opslag van waterstof. Grootschalige opslag kan efficiënt in lege gasvelden of zoutcavernes. Dat wordt momenteel onderzocht en getest in enkele landen. Opslag van gasvormig waterstof op kleinere schaal onder druk in flessen of tanks is echter nog steeds een dure oplossing. Wie daar een goede oplossing voor vindt, zou weleens een grote doorbraak kunnen betekenen voor de inzet van waterstof ...

Met dank aan Remeha, Viessmann en WaterstofNet