Waterstof is overal: zo’n twee derde van alle moleculen op aarde bevat een of meer waterstofatomen, zoals water (H2O) en methaan (aardgas; CH4). Aan waterstof is dus geen gebrek. Maar in geïsoleerde vorm, als H2-molecuul, komt waterstof nauwelijks voor, terwijl juist die zuivere waterstof een cruciale rol kan spelen in de energietransitie. Wie waterstof wil gebruiken, moet het dus maken.
Er zijn verschillende manieren om waterstof te produceren die vaak worden onderscheiden door ze een kleur te geven. De belangrijkste soorten waterstof zijn grijs, blauw en groen. Grijze waterstof wordt gemaakt met fossiele brandstoffen, zoals aardgas of kolen. Hierbij komt het broeikasgas CO2 vrij. Blauwe waterstof wordt op dezelfde manier geproduceerd als grijze waterstof, maar het grootste deel van de CO2 wordt opgeslagen. Dat kan bijvoorbeeld in lege gasvelden onder de Noordzee. Groene waterstof wordt gemaakt door water te splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2), met een proces dat ‘elektrolyse’ heet. Elektrolyse vereist elektriciteit en als deze groen is opgewekt – met bijvoorbeeld windmolens of zonnepanelen – spreken we van groene waterstof. Er komen dan geen broeikasgassen vrij.
Energiedrager, grondstof en buffer
Waterstof heeft drie belangrijke functies in onze huidige en toekomstige economie: als energiedrager, grondstof en buffer in het energiesysteem. Het kan in bijvoorbeeld de chemische industrie en de staalindustrie worden ingezet voor het CO2-neutraal genereren van hogetemperatuurwarmte. Met waterstof kunnen, in combinatie met andere grondstoffen, uiteenlopende producten gemaakt worden, waaronder kunststoffen, staal, kunstmest en synthetische brandstoffen. Daarnaast kan waterstof in het elektriciteitssysteem worden gebruikt om (grote) overschotten aan groene elektriciteit op te slaan. Deze buffervoorraad kan worden aangesproken bij piekvraag en langdurige tekorten. Ook in de vervoerssector is waterstof een alternatief voor fossiele brandstoffen zoals benzine, diesel en kerosine. Tot slot kun je met waterstof huizen en gebouwen verwarmen. Overigens zijn niet al deze toepassingen even gewenst, waarover later meer.
Er zitten ook nadelen aan waterstof. Zo gaat er bij de omzetting van elektriciteit in waterstof door ‘electrolysers’ relatief veel energie verloren. Grootschalige productie van groene waterstof vereist veel groene stroom en dus veel windmolens en zonnepanelen. Groene waterstof zal dan ook tot ver in volgende decennium schaars zijn. In het rapport Greening hydrogen – big issues around a small molecule bespreken we de belangrijkste voetangels en klemmen op weg naar een groene waterstofeconomie. We noemen hier de belangrijkste drie.
Blauwe waterstof
De Europese Unie moet in 2030 tien miljoen ton groene waterstof produceren, volgens de Europese Commissie. Dat vergt evenveel elektriciteit als alle windmolens en zonnepanelen in de EU in 2020 samen opwekten. Electrolysers zouden wel eens zo veel groene stroom kunnen verbruiken dat er meer aardgas en kolen moeten worden verstookt om andere gebruikers van stroom te voorzien. In dat geval helpt groene waterstof niet om de CO2-uitstoot te verminderen. Zeker in landen waar nog geen overschot aan groene stroom is, zoals Nederland, bestaat het gevaar dat groene waterstof de vergroening van de elektriciteitsvoorziening vertraagt.
Daar komt blauwe waterstof om de hoek kijken. Volgens de voorstanders levert het maken van waterstof uit aardgas, waarbij de vrijkomende CO2 wordt opgeslagen onder de zeebodem, vooralsnog meer klimaatwinst op dan elektrolyse. Maar ook aan blauwe waterstof kleven nadelen. Zo wordt in de praktijk niet alle CO2 afgevangen en opgeslagen; blauwe waterstof is niet klimaatneutraal. Het extra benodigde aardgas zal grotendeels uit Rusland komen. Dat vergroot Europa’s toch al riskante afhankelijkheid van Moskou. Bovendien gaan winning en transport van Russisch aardgas gepaard met forse lekkages van methaan, dat als broeikasgas dertig keer zo krachtig is als CO2. Zo lekt ook de klimaatwinst van blauwe waterstof weg. Als de EU een eerlijke bijdrage wil leveren aan het doel om de opwarming van de aarde tot anderhalve graad te beperken, zijn nieuwe installaties voor blauwe waterstof – met een levensduur van dertig jaar – een sta-in-de-weg. Ze klinken ons langer vast aan de gaspijp dan we ons kunnen veroorloven.
Het risico van een fossiele lock-in is kleiner als bestaande installaties voor grijze waterstof hun CO2 gaan opslaan. Dat leidt ook niet of nauwelijks tot een extra vraag naar aardgas. Voor het ‘verblauwen’ van grijze waterstof valt dan ook veel te zeggen. Daarbij moeten overheden de eis stellen dat ten minste 90 procent van de CO2 wordt opgeslagen.
Het gevaar dat groene waterstofproductie met haar honger naar groene stroom de energietransitie ‘kannibaliseert’ kan worden verkleind door in nog hoger tempo wind- en zonneparken te bouwen. De Europese Commissie werkt aan een regel die het overheden alleen toestaat om electrolysers te subsidiëren als de benodigde groene stroom uit ‘additionele’ opwek komt. Daarmee wordt Nederland uitgedaagd om de bouw van windparken op zee te versnellen.
Waterstofladder
‘Groene waterstof is als champagne’, zei de Belgische wetenschapper Thijs Van de Graaf eens. ‘Het is fantastisch, maar erg duur en daarom alleen geschikt voor bijzondere gelegenheden.' Dat is de spijker op zijn kop. Want zoals gezegd kost de productie van groene waterstof veel groene stroom. Groene waterstof is vooralsnog schaars en kostbaar.
Ondertussen willen vele bedrijven aan de slag met waterstof. Zo zijn er plannen voor vliegtuigen die op waterstof vliegen, woonwijken die van aardgas overstappen op waterstof en je kunt zelfs een waterstoffiets kopen. Sommige van deze toepassingen kunnen eigenlijk best zonder waterstof, maar andere juist weer niet. Tata Steel kan bijvoorbeeld niet klimaatneutraal worden zonder waterstof, terwijl we ook in de toekomst staal nodig hebben, bijvoorbeeld voor windmolens of spoorrails.
