Waterstof, klaterstof?
GERTJAN COBELENS
In 1972 woonde de Amerikaanse chemicus F. Sherwood Rowland bij toeval een lezing bij van James Lovelock. Daarin vertelde Lovelock over zijn Electron Capture Detector, een apparaat dat hij in 1957 gebouwd had om er stoffen in de atmosfeer mee te kunnen detecteren. Een van de recentste vondsten van zijn detector waren cfk’s – chloorfluorkoolstofverbindingen.*
Lovelock meende dat die cfk’s geen kwaad konden. Toch was Rowland geïntrigeerd geraakt door de vraag wat er precies met die verbindingen gebeurde zodra ze in de atmosfeer belandden. Datzelfde jaar nog vroeg hij financiering aan voor een onderzoek, en toen die werd toegekend gingen hij en zijn kompaan Mario Molina in 1973 aan de slag. Een en ander resulteerde een jaar later in een groot artikel in Nature. En rest is, zoals dat heet, geschiedenis. Was Rowland op de avond van Lovelocks lezing gezellig naar de kroeg gegaan, dan had de aantasting van de ozonlaag nog vele jaren langer ongehinderd kunnen plaatsvinden.*
In 2021 bracht het doorgaans goed geïnformeerde European Environmental Bureau een kritisch rapport uit over de waterstofambities van de EU. Over groene waterstof – waterstof geproduceerd met behulp van duurzame elektriciteit – meldt het rapport dat dit de enige vorm van waterstof is die geen enkel schadelijk klimaateffect heeft. Toch was toen al twintig jaar bekend dat de werkelijkheid aanzienlijk complexer is.
Academisch onderzoek naar de effecten van waterstof op de atmosfeer komt en gaat in golven, en volgt vrij nauwgezet de oplevingen in de maatschappelijke belangstelling voor waterstof. Eind jaren tachtig, begin jaren negentig van de vorige eeuw was er zo’n periode van verhevigde belangstelling. Toen de Rowlands en Molina’s van die tijd op onderzoek uitgingen, richtten ze hun aandacht logischerwijze op wat op dat moment de grootste dreiging leek: het effect van waterstof op de ozonlaag.*
Tijdens de volgende grote opleving van begin jaren nul – met Jeremy Rifkins De waterstofeconomie uit 2002 als aanjager – was de grootste zorg inmiddels verschoven van de aantasting van de ozonlaag naar de aantasting van het klimaat. Tussen 2001 en 2006 resulteerde dat in een reeks wetenschappelijke publicaties* waarin werd aangetoond dat waterstof wel degelijk een aanzienlijke klimaatimpact heeft. Dat wil zeggen, waterstof op zich is geen broeikasgas. Wel zorgt ze er onder meer voor dat methaan langer in de atmosfeer blijft en leidt ze tevens tot een toename van de hoeveelheid waterdamp in de hogere luchtlagen.
Om enig zicht te krijgen op de precieze omvang van die impact moesten we wachten tot de huidige aandachtsexplosie voor waterstof, al blijft er ook nu nog veel in nevelen gehuld. Cruciale factor bij die klimaatimpact is de hoeveelheid waterstof die tijdens het productie-, distributie- en gebruiksproces weglekt, en dat is uitgerekend iets waar nog nooit gericht onderzoek naar gedaan is.
Hoe het precies zit met die lekken en hoe groot de klimaatimpact van weglekkend waterstof is, lees je in aflevering 10 en 11.
Waterstof (H₂) wordt wel de brandstof van het universum genoemd. Alle sterren, de zon incluis, bestaan bij gratie van de fusie van waterstofatomen. Van die waterstof is een nagenoeg onbeperkte hoeveelheid. Ze beschikt over unieke chemische eigenschappen, heeft een hoge vlamtemperatuur die zeer geschikt is voor industriële processen en kent een hoge energiedichtheid. En verbrand je H₂, dan resteren er slecht water en zuurstof. Hoe kan iemand daar niet enthousiast over zijn?
Waterstof heeft inderdaad nuttige chemische eigenschappen. In die zin is waterstof allesbehalve een ‘klaterstof’. In dit artikel draait het echter om de vraag of waterstof ook geschikt is voor energiedoeleinden en of ze een prominente rol in de energietransitie moet innemen.
Bij de bovenstaande opsomming zijn alvast wat kanttekeningen te maken. Er bestaat inderdaad een vrijwel oneindige hoeveelheid waterstof, maar afgezien van witte of natuurlijke waterstof – dat wil zeggen waterstof die in natuurlijke vorm op aarde voorkomt (zie aflevering 16 en 17) – moet die H₂ eerst gemaakt worden, en dat maken gaat gepaard met een aanzienlijk energieverlies (zie aflevering 8). Opnieuw met uitzondering van witte waterstof is de H₂ die we momenteel gebruiken dus geen energiebron, maar een energiedrager (zie aflevering 8 en 9). Verder klopt het dat waterstof per soortelijk gewicht een hoge energiedichtheid heeft. Een kilo H₂ bevat bijvoorbeeld zo’n drie keer meer energie dan een kilo aardgas. Maar omdat het waterstofmolecuul zo akelig klein is – grofweg 8 keer kleiner dan een aardgasmolecuul – beslaat die kilo ook een enorm volume (zie aflevering 6 en 12). Bereken je de energiedichtheid per kubieke meter, dan bedraagt die nog maar eenderde van die van aardgas.
Ook is het juist dat wanneer je waterstof in een brandstofcel verbrandt je alleen water en zuurstof overhoudt. Maar dat geldt niet voor de directe verbranding van H₂, bijvoorbeeld in een waterstofketel. Daarbij komt weliswaar geen CO₂ vrij, maar krijg je wel stikstofoxiden – 7 keer meer dan bij de verbranding van aardgas (zie aflevering 13) –, en die oxiden zijn niet alleen giftig, maar ook een bijzonder krachtig broeikasgas. Verder is waterstof nogal explosief (40 gram waterstof heeft de explosieve kracht van een kilo TNT – zie aflevering 15). En daarnaast speelt er ook nog de indirecte klimaatimpact in de vorm van waterstoflekken (zie aflevering 10 en 11).
De energietransitie is een epische onderneming die een enorm beslag legt op een dalend energiesurplus en een slinkend grondstoffenreservoir. We krijgen maar één kans om het goed te doen. Ruimte voor fouten – voor luchtspiegelingen, hoe veelbelovend en verleidelijk die van een afstand ook ogen – is er simpelweg niet. In mei 2023 becijferde The Financial Times dat als de waterstofstrategieën van de EU (zie aflevering 9), de VS, Japan, China en tal van andere landen werkelijkheid worden, dat een investering vergt die tientallen biljoenen euro’s en dollars bedraagt. Het zou funest zijn als halverwege blijkt dat we op het verkeerde paard hebben gewed, maar de fuik al zijn ingezwommen en nu niet meer terug kunnen. Daarom is het zo belangrijk om vóóraf een stevig debat te voeren over de plus- en minpunten van waterstof, niet pas als het al te laat is.
Een complicerende factor hierbij is dat het ‘waterstofkamp’, als ik dat zo onaardig mag zeggen, een bijzonder grote lobbykracht kan mobiliseren. Het belangrijkste internationale lobbyplatform voor waterstof, The Hydrogen Council, telt leden als ExxonMobil, BP, Shell, Aramco, Eneos, Engie, EDF, Synopec, Total Energies, Chemours, BMW, Honda, Mercedes. Toyota en Microsoft. Op een onvergelijkbare schaal vervult de New Energy Coalition, met coalitiepartners als de Gasunie, GasTerra, de NAM, Alliander, EBN en de Rabobank, in Nederland een soortgelijke functie.
Dat waterstof zich in een warme belangstelling van deze fossiele bedrijven mag verheugen, wil op zich natuurlijk niet zeggen dat het gebruik van H₂ dus een slecht idee is. Maar een heel klein beetje argwaan is misschien wel op zijn plaats. Een overstap naar waterstof houdt voor hen namelijk een dubbele belofte in. De eerste is die van business-as-usual – dat wil zeggen, vervang koolstofatomen met waterstofatomen, gebruik daarvoor de bestaande olie- en gasinfrastructuur en er gloort weer iets van een toekomst. De tweede belofte, zoals Silvio Erkens, de energiewoordvoerder van de VVD, toegeeft, is dat er voorlopig onvoldoende groene waterstof is (waterstof die uit duurzaam opgewekte elektriciteit is geproduceerd – zie aflevering 5 voor het complete kleurengamma) en dat die, in elk geval op de korte termijn, gewoon met aardgas gemaakt gaat worden, zij het met CO₂-afvang (in het waterstofjargon heet dat blauwe waterstof).
Willen fossiele bedrijven op de lange duur overleven, dan lukt dat alleen door waterstof tot de spil van de energietransitie te maken.
Het sterkste punt van waterstof is dat ze bijzonder veelzijdig inzetbaar is. Voor energieopslag, bijvoorbeeld door overtollige wind- en zonne-energie in waterstof om te zetten en die weer in elektriciteit te converteren wanneer het aanbod te gering is (aflevering 12). Voor transport, met name zwaar transport (zie aflevering 15). En voor verwarming, zowel in de industrie als voor de verwarming van woningen (zie aflevering 13 en 14). Zoals uit dit artikel blijkt, valt op al deze punten echter het nodige af te dingen.
Vanwege die veelzijdigheid wordt waterstof vaak als het Zwitserse zakmes van de energietransitie omschreven. Het is een vergelijking die onbedoeld heel toepasselijk is. Want zo’n mes gebruik je alleen als je echt niets beters voorhanden hebt. Ik bedoel, wie een goede schaar in de keukenla heeft liggen of een deugdelijke set schroevendraaiers in de gereedschapskist, gaat echt niet met het ongelukkige priegelschaartje of de krakkemikkige schroevendraaier uit het Zwitserse zakmes aan de slag. Voor waterstof geldt hetzelfde: voor de meeste energietoepassingen zijn er gewoon betere en goedkopere alternatieven.
En daar komt nog iets anders bij. Momenteel vindt vrijwel alle waterstof die geproduceerd wordt haar weg naar de chemische industrie. Daar wordt ze gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen die op dit moment nog onontbeerlijk zijn, zoals de productie van ammoniak voor kunstmest en het ontzwavelen van olie en gas (zie aflevering 5). Die waterstof wordt voor 96 procent uit fossiele brandstoffen gemaakt, met een bijbehorende koolstofuitstoot van jaarlijks zo’n 830 miljoen ton. Voordat we überhaupt kunnen nadenken over energietoepassingen van waterstof, zal eerst dit aandeel moeten worden vergroend, en dat vergroenen vergt al ruimschoots meer elektriciteit dan we momenteel wereldwijd met zon en wind opwekken (zie aflevering 8 en 12). Michael Liebreich heeft dit probleem inzichtelijk gemaakt in zijn onderstaande ‘groene waterstofladder’.
Figuur 1: De ‘groene waterstofladder’. De figuur is afkomstig van Natuur & Milieu.
En tegen de tijd dat er ruimte is voor andere toepassingen – als het daar al ooit van komt –, is de energiedichtheid van accu’s wellicht zover gestegen* dat het gros van die bestemmingen sowieso overbodig is geworden.
In vogelvlucht kijken we in dit artikel naar:
- De geschiedenis van waterstof (aflevering 4).
- Waar waterstof momenteel vooral voor gebruikt wordt (aflevering 5).
- De geschiedenis van het begrip waterstofeconomie (aflevering 6 en 7).
- De gebrekkige efficiëntie van waterstof als energiedrager (aflevering 8).
- Het EU-beleid rond waterstofsubsidies en de milieubelasting van groene waterstof (aflevering 9).
- De klimaatimpact van groene en blauwe waterstof (aflevering 10).
- De omvang van waterstoflekken (aflevering 11).
- De misvattingen rond waterstof als instrument voor energieopslag (aflevering 12).
- De zin en onzin van het verwarmen van woningen met waterstof (aflevering 13).
- De onduidelijkheid over de vraag of het bestaande netwerk van gaspijpleidingen voor het transport voor waterstof kan worden gebruikt (aflevering 14).
- Het gebruik van waterstof voor zwaar transport (aflevering 15).
- En tot slot de meest hoopgevende ontwikkeling rond waterstof: de vondst van natuurlijke of witte H₂. Gaat natuurlijke waterstof de energietransitie redden (aflevering 16 en 17)?
In de energietransitie is er ongetwijfeld ook ruimte voor waterstof, maar die ruimte is zeker niet van een omvang dat die een investering van vele honderden, zo niet duizenden miljarden euro’s rechtvaardigt.
Als er iets is wat niet snel op zal raken, dan is het waterstof wel. Het waterstofatoom (H) is met afstand het meest voorkomende, lichtste en eenvoudigste element in het universum. Ook op aarde is waterstof alomtegenwoordig: zo’n twee derde van alle moleculen bevat een of meer waterstofatomen. Dat geldt uiteraard voor water (H₂O), dat uit 2 waterstofatomen en 1 zuurstofatoom bestaat. En ook voor methaan (aardgas; CH₄) dat 1 koolstofatoom en 4 waterstofatomen telt. En verder bestaat alles wat leeft uit waterstofverbindingen. De Latijnse naam van het waterstofatoom luidt Hydrogenium en in het periodiek systeem bezet het element de eerste plek.
Hebben we het over waterstof, dan gaat het doorgaans om het waterstofmolecuul (H₂), dat uit twee waterstofatomen is opgebouwd. Formeel wordt deze stof diwaterstof, moleculaire waterstof of ook wel waterstofgas genoemd. Het gaat om een niet-giftige, kleurloze, smaakloze, reukloze en uiterst brandbare substantie, die 8 keer lichter is dan aardgas en 14 keer lichter dan lucht. Bij kamertemperatuur en onder een normale druk is waterstof gasvormig. Koel je H₂ af tot -253°C, dan wordt ze vloeibaar. Naast afkoelen kun je waterstof ook onder druk brengen. Door de druk te verhogen neemt haar dichtheid, en dus ook haar energiedichtheid per kubieke meter, toe. Bij kamertemperatuur en onder een normale druk van 1 bar bedraagt de dichtheid ongeveer 0,09 kilogram per kubieke meter; bij een druk van 200 bar loopt die dichtheid op naar zo’n 16 kilogram per kubieke meter.
In de atmosfeer van de aarde komt waterstof nauwelijks in geïsoleerde vorm voor (0,5 ppm) en dat hebben we te danken aan de ozonlaag, zoals Peter Westbroek beeldend uitlegt in zijn boek De ontdekking van de aarde. Het ozonschild weert het meest energierijke deel van het uv-licht namelijk uit de atmosfeer en zorgt er zo voor dat water niet spontaan gesplitst wordt in zuurstof en waterstof. Zuurstof en waterstof zijn namelijk dol op elkaar, maar hun relatie is nogal explosief van aard. Eén vonk en er volgt een forse ontploffing.
Waterstof komt wel in pure vorm op aarde voor, maar dan vooral diep weggestopt in de aardkorst (zie aflevering 16 en 17). Om die reden heeft het behoorlijk lang geduurd voordat de stof voor het eerst gedetecteerd werd. In 1670 was de Ierse alchemist Robert Boyle de eerste die ontdekte dat er bij een reactie tussen ijzer en een verdund zuur een brandbaar gas vrijkwam. Het zou nog een kleine eeuw duren voordat de Britse natuur- en scheikundige Henry Cavendish vaststelde dat dit gas in feite een chemisch element is. Cavendish meende echter dat deze ‘ontvlambare lucht’ niet uit het zuur voortkwam maar uit het metaal. Om die reden noemde hij het ‘flogiston’, brandbaar gas uit metalen.
In het laatste kwart van de 18de eeuw ontkrachtte de Franse vader van de moderne scheikunde, Antoine Lavoisier, deze flogistontheorie. Ook ontdekte hij dat water geen element is, zoals men tot die tijd gemeend had, maar opgemaakt is uit de samenstellende delen oxygène (zuurstof) en hydrogène (waterstof – hydrogène betekent letterlijk ‘water vormend’).
Hierna volgen de ontwikkelingen elkaar snel op. In 1800 stuitten de Engelse wetenschappers William Nicholson en Anthony Carlisle op het procedé dat nu bekendstaat als elektrolyse: door elektriciteit en water samen te brengen, produceerden ze waterstofgas en zuurstofgas. En in 1838 ontdekte de Duits-Zwitserse scheikundige Christian Friedrich Schönbein het brandstofceleffect door met platina, waterstof en zuurstof te experimenteren. Uit de combinatie van waterstof- en zuurstofgas ontstonden water en elektrische stroom – precies het omgekeerde principe van elektrolyse dus. Een paar jaar later was de eerste brandstofcel een feit, toen William Grove een gasbatterij ontwikkelde. Deze gasbatterij bestond uit twee platina elektrodes in zwavelzuur, waarbij de ene elektrode met waterstofgas in contact stond en de andere met zuurstof.
Wanneer François Isaac de Rivaz in 1807 de eerste functionerende verbrandingsmotor bouwt, draait deze op waterstofgas – een mengsel van waterstof en koolmonoxide dat hij met behulp van elektrolyse produceerde. Ook de eerste auto, de hippomobiel uit 1863, reed op waterstofgas.
Twee jaar na de uitvinding van de hippomobiel toerden er in Parijs zo’n 400 waterstofauto’s rond. In 1865 waren dat er dus meer dan nu.
Hoewel we bij waterstof meestal aan energie denken, heeft het overgrote deel van de grofweg 120 miljoen ton waterstof die jaarlijks geproduceerd wordt een chemische toepassing.* Ongeveer een derde deel van die waterstof wordt in olieraffinaderijen gebruikt voor het ontzwavelen van olie en aardgas (hydrotreating) en het omzetten van zwaardere koolwaterstoffen in lichtere (hydrocracking). Nog eens een derde deel gaat op aan de productie van ammoniak, dat weer gebruikt wordt om er kunstmest mee te maken. Zo’n 10 procent is bestemd voor het reduceren van ijzererts (‘direct-gereduceerd ijzer’) en het overige deel vindt een brede reeks aan toepassingen binnen de (petro-)chemische industrie, onder andere voor de productie van methanol.
Volgens cijfers van IRENA wordt 96 procent van al die waterstof geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen. Dat verloopt voor een flink deel via een proces dat stoom-methaan-reformatie of stoomreforming heet. Dat is een chemisch procedé waarbij koolwaterstof met behulp van stoom en/of zuurstofgas en eventueel een katalysator wordt omgezet in een waterstofrijk gasmengsel (naast waterstof bevat het ook koolstofmonoxide en CO₂). Breng water aan de kook, voeg er bij een temperatuur van 850°C een snufje aardgas aan toe, zet de boel onder een druk van 25 bar, en voilà, wat je overhoudt zijn waterstof, zwaveldioxide en CO₂.
Om ze een beetje uit elkaar te kunnen houden, hebben de verschillende productiemethoden van waterstof elk een eigen kleurcodering meegekregen. Op Wikipedia staan ze als volgt vermeld:
- Grijs staat voor waterstof die geproduceerd is met gas en olie (wereldwijd 69 procent) middels stoomreforming of POX*, met CO₂ en zwaveldioxide als bijproduct.
- Blauw staat voor waterstof die geproduceerd is met gas en olie, waarbij de CO₂ wordt afgevangen en ondergronds wordt opgeslagen (0 procent – deze methode wordt dus nog niet in praktijk gebracht). Het hierbij gebruikte procedé heet autothermische reforming (dat is hetzelfde als stoomreforming maar dan met een extra reactie met pure zuurstof aan het eind).
- Bruin staat voor waterstof die geproduceerd is met behulp van steen- of bruinkool (27 procent). In klimaattermen is deze methode de meest schadelijke.
- Paarse waterstof wordt geproduceerd met behulp van kernenergie, zonder CO₂-uitstoot maar wel met nucleair afval als bijproduct (0 procent).
- Groene waterstof wordt geproduceerd door middel van elektrolyse (1 procent), met duurzame elektriciteit die wordt opgewekt door middel van zonnepanelen en windmolens.
- Oranje waterstof wordt geproduceerd door water in ijzerrijke ondergrondse rotsformaties te pompen, waarbij waterstof vrijkomt door de reactie tussen water en de ijzerrijke rotsen.
- Witte waterstof wordt op natuurlijke wijze geproduceerd op plaatsen waar water en ijzerrijke rotsformaties ondergronds samenkomen.*
Onvermeld in dit officiële kleurenoverzicht is de waterstof die ontstaat als bijproduct van de fabricage van bleek en natrumhydroxide (bijtende soda). Dit aandeel is nota bene groter dan dat van blauwe, groene, paarse, oranje en witte waterstof bij elkaar.
Waterstof beschikt weliswaar over bijzondere chemische eigenschappen, maar is een ‘uitdaging’ om mee te werken. De stof blijkt een ware ontsnappingskunstenaar. De voornaamste reden is dat het molecuul zo verduveld klein is. Paul Martin, een chemisch ingenieur met waterstof als specialiteit, vertelt in een podcast over de talloze hoofdbrekens waarvoor het goedje hem steeds weer stelt. Als een geest ‘wandelt’ waterstof probleemloos door een behuizing van roestvrij staal of dik plastic. In een ontwerp voor een nieuw type elektrolyser lukte het hem uiteindelijk om het weglekken te vertragen door de membranen van een coating van goud te voorzien. Maar zelfs dan vervloog een deel van de waterstof.
En dat is niet alleen economisch gezien een probleem – de productie van waterstof, vooral van groene waterstof, is bepaald niet goedkoop. Ook levert dat extra risico’s op. Wanneer waterstof zich in een (ongeventileerde) ruimte met lucht mengt, levert dat een bijzonder explosief mengsel op.* Daarnaast heeft waterstof dat in de atmosfeer vrijkomt de nodige klimaateffecten, zoals in aflevering 9 nog uitgebreid aan bod komt.
Maar eerst kijken we naar de energetische eigenschappen van waterstof, naar wat het is dat waterstof als energiedrager zo onweerstaanbaar aantrekkelijk maakt. En de belofte van een waterstofeconomie.
Zoals ik in de inleiding schreef, is het niet moeilijk om te zien wat waterstof op het eerste gezicht zo woest aantrekkelijk maakt.* H₂ vormt de brandstof voor het universum en de voorraad ervan is nagenoeg oneindig. De energiedichtheid is hoog – dat wil zeggen, in termen van gewicht (een kilo waterstof bevat grofweg drie keer zoveel energie als een kilo aardgas), zij het niet in termen van volume (een kubieke meter aardgas bevat weer drie keer zoveel energie als een kubieke meter waterstof). Maar dat volume kun je samenpersen, waardoor ook de energiedichtheid per kubieke meter stijgt. Je kunt H₂ zelfs vloeibaar maken door het af te koelen naar -252,9°C. In dat laatste geval is de energiedichtheid zo hoog dat je er raketten mee naar de maan kan sturen. En verder kan H₂ plaatselijk geproduceerd worden, komt bij het verbruik geen CO₂ vrij en bestaat de enige ‘afval’ van een brandstofcel uit water en zuurstof.
Daarnaast kun je in theorie je hele economie op waterstof laten te draaien, want ze is te gebruiken als energiedrager, als energieopslag en als brandstof voor transport en verwarming. En voor dat laatste ligt er al een complete gasinfrastructuur klaar. Geen wonder dus dat vooral gasbedrijven tot de warmste pleitbezorgers behoren. Waterstof is de ultieme ‘business as usual’-oplossing.
Het zal dus weinig verbazing wekken dat het idee van een waterstofeconomie een lange geschiedenis kent. Dat begint bij de Britse evolutiebioloog John Haldane, die in 1923 het gebruik van waterstof als energiedrager en -opslag bepleitte en een grootschalig gebruik van de brandstofcel voorzag. Maar de grote push voor een waterstofeconomie vindt plaats in het kielzog van de opkomst van kernenergie. In de jaren zestig werd duidelijk dat de hoeveelheid uranium op deze planeet ontoereikend is voor een onbeperkte uitbouw van kernenergie. De oplossing voor dit probleem was de kweekreactor, een ‘snelle’ reactor die splijtstof kon kweken in de vorm van plutonium. Met deze technologie zou het moment van ‘piekuranium’ een paar duizend jaar uitgesteld kunnen worden.
Die snelle kweekreactoren bleken aanmerkelijk duurder, complexer en uiteindelijk ook vervuilender* dan verwacht. Toch was hun voornaamste tekortkoming niet technologisch maar strategisch van aard. Een mondiale ‘plutoniumeconomie’ zou de exclusieve status van de kernmachten in de waagschaal stellen. Elk land met een eigen kweekreactor kon zijn eigen kernwapens ontwikkelen, en dat was uitdrukkelijk niet de bedoeling.
Dat probleem was te verhelpen door onder strikt militair toezicht een handvol hele grote kweekreactoren te bouwen van een paar terawatt elk. Zo kon je ook nog eens optimaal van schaalvoordelen profiteren. Maar dat leidde weer tot een ander probleem: hoe de elektriciteit bij de gebruikers te krijgen? De lengte van een elektriciteitskabel is niet onbeperkt, boven de duizend kilometer wordt het energieverlies te groot. Daarnaast had men in de jaren zestig nog weinig ervaring met onderzeese hoogspanningskabels. Dit is het punt waarop waterstof als energiedrager zijn intrede doet.
De Italiaanse natuurkundige Cesare Marchetti kwam in 1969 met een uitgewerkt plan. Hij berekende dat je de hele wereldwijde energiebehoefte kon dekken met tien gigantische snelle kweekreactoren. Deze reactoren moesten op ver afgelegen eilanden in de oceaan worden gebouwd, waar koelwater ruim voorhanden was. De elektriciteit werd dan omgezet in vloeibare waterstof, die met speciaal ontworpen waterstofschepen naar elke plek op aarde vervoerd kon worden. Een van Machetti’s studies bevat een afbeelding van hoe het atol Kanton in de Grote Oceaan tot een gigantische kerncentrale van 1 terrawatt getransformeerd kon worden.
In de jaren zestig koos de NASA voor vloeibare waterstof als de uitverkoren brandstof voor haar ruimtevaartprogramma en in 1970 muntte de Zuid-Afrikaanse chemicus John Bockris de term waterstofeconomie. De ‘waterstofgeest’ was nu definitief uit de fles.
Met twee fikse oliecrises hadden de jaren zeventig het tijdperk van de plutoniumeconomie moeten worden, maar het omgekeerde gebeurde. De technologie bleek te duur en te complex en stuitte op een breed gedragen verzet. Daarnaast speelde er een actieve tegenwerking door oliemaatschappijen, die hun bestaansgrond ondermijnd zagen.
De implosie van de plutoniumeconomie had ook de doodsteek voor een prominente rol van waterstof kunnen betekenen, maar dat bleek niet het geval. Begin jaren tachtig werd waterstof opnieuw in de markt gezet, ditmaal als onmisbaar onderdeel van een duurzaam energiesysteem.
Uiteraard is een duurzaam energiesysteem veel minder gecentraliseerd dan een systeem dat gebaseerd is op een klein aantal gigantische kweekreactoren en dus leek de rol van waterstof op het eerste gezicht uitgespeeld. Maar duurzame energie heeft een eigen tekortkoming. De opbrengt van wind- en zonne-energie fluctueert, en waterstof bleek de geëigende kandidaat voor grootschalige energieopslag. Daarnaast bestonden er nog geen geschikte accu’s om auto’s op de laten rijden, wat de introductie van de waterstofauto inluidde. Wat met loodbatterijen onmogelijk was, kon de brandstofcel wel voor elkaar krijgen. Met als gevolg dat de term waterstofeconomie voor het eerst breed ingang vond en de eerste waterstofhype een feit was.
De hype was geen lang leven beschoren. Er waren de nodige technische hobbels waarvoor geen oplossing werd gevonden. Waterstof als energiedrager bleek bijzonder inefficiënt, en brandstofcellen waren onbetrouwbaar en werkten alleen met platina als katalysator. En platina is niet alleen duur, wat de brandstofcel in de praktijk onbetaalbaar maakte, maar ook relatief zeldzaam. Er is simpelweg onvoldoende platina voorhanden om het complete wagenpark op brandstofcellen te laten toeren. Toen olie midden jaren tachtig fors in prijs daalde, vervloog ook de belangstelling voor een waterstofeconomie.
Ondanks de tanende belangstelling bleven verschillende chemici aan de brandstofcel sleutelen. In 1989 slaagde Geoffry Ballard erin om een nieuw type brandstofcel te ontwikkelen dat zowel betrouwbaarder als goedkoper was. De uitvinding vormde de aanleiding voor een nieuwe – zij het zeer kortstondige – piek in de belangstelling voor waterstof.
Begin jaren nul spanden een aantal zaken samen om een derde waterstofhype te ontketenen. In 1998 stelden de oliegeologen Colin Campbell en Jean Laherrere in een invloedrijk artikel in Nature dat het tijdperk van de goedkope olie op zijn laatste benen liep. De aanslagen van 11 september 2001 markeerden een nieuw tijdperk van geopolitieke instabiliteit, waarin een ongehinderde aanvoer van olie uit het Midden-Oosten niet meer zo vanzelfsprekend was. En heel langzaam ontlook er in bredere kring een bezorgdheid om klimaatverandering. De publicatie in 2002 van Rifkins The Hydrogen Economy joeg de belangstelling verder aan.*
Maar zo rond 2006 liep ook deze hype ten einde, toen begon door te dringen dat de eerdere problemen nog steeds niet waren opgelost. Waterstof als energiedrager was onverminderd inefficiënt, het verplichte gebruik van platina in brandstofcellen zette een rem op een ongehinderde expansie en zorgde ervoor dat de prijsdaling beperkt bleef. En ondanks technische verbeteringen was de betrouwbaarheid van brandstofcellen nog verre van optimaal. Daarnaast was er een nieuwe generatie accu’s ontwikkeld, de lithium-ion-accu, die voor de meeste transportdoeleinden veel geschikter bleek te zijn.
Zo sinds een jaar of vier, vijf zitten we midden in de vierde waterstofhype. Niet dat er plots veel veranderd is. Waterstof gaat nog steeds gepaard met een hele reeks haken en ogen, waarover het in de rest van dit artikel gaat. Het verschil is dat de tijd van vrijblijvendheid voorbij is. We moeten ergens voor kiezen, en vooral olie- en gasbedrijven willen ons graag doen geloven dat waterstof onze beste optie is. Vrijwel alle waterstof wordt immers met fossiele brandstoffen geproduceerd en met of zonder CO₂-afvang zal dat nog wel even zo blijven. Daarnaast worden gasbedrijven niet moe erop te wijzen dat er al een complete gasinfrastructuur klaarligt. Vervang dat gas geleidelijk aan met waterstof en klaar is kees. Zo redden ze in elk geval hun eigen businesscase.
In het vervolg van dit artikel kijken we naar waterstof als energiedrager, waterstof voor energieopslag, waterstof voor transport en waterstof voor verwarmingsdoeleinden.
Volgens de organisatoren zouden de Olympische Spelen van 2021 in Tokio de groenste ooit worden. Voor het eerst werd het hele evenement op louter waterstof aangedreven. Een primeur! Wat de organisatoren er niet bij vermeldden was dat de waterstof 5 duizend kilometer verderop uit bruinkool was geproduceerd. Daar was ze afgekoeld tot -252,9 graden en in vloeibare vorm per schip naar Japan vervoerd.
De productie van waterstof uit aardgas of steenkool heeft een efficiency van zo’n 75 procent. Trek daar 10 procent vanaf voor de koeling en nog eens zo’n 30 procent voor het omzetten van waterstof in elektriciteit en je uiteindelijke energierendement bedraagt ruwweg 35 procent – aanmerkelijk lager dan wanneer je die bruinkool rechtstreeks in elektriciteit had geconverteerd. In plaats van de groenste Spelen ooit waren die in Tokio de ‘bruinste’ ooit.
De kleurcodering uit aflevering 5 is dan ook ernstig vertekenend. Omgerekend per joule is de klimaatimpact van grijze (aardgas) en bruine (steenkool) waterstof tenminste 1,2 keer groter dan wanneer je dat gas of die steenkool direct zou verbranden. Dat is niet grijs of bruin maar, tja, wat eigenlijk? Ultrazwart?
Wil je overstappen op een groene waterstofinfrastructuur, dan moet je dus eigenlijk beginnen met het vergroenen van de 120 miljoen ton waterstof die we nu jaarlijks voor 96 procent ‘ultrazwart’ produceren (met een gezamenlijke uitstoot van 830 miljoen ton CO₂ per jaar). Zoals we in aflevering 4 zagen, wordt daarvan zo’n 40 miljoen ton gebruikt voor het ontzwavelen van olie en gas, en nog eens 40 miljoen ton voor de productie van kunstmest. Goed, daar kan best wat van af. Schrap je in een gul gebaar die 40 miljoen ton voor ontzwaveling en ga je ervan uit dat we in de toekomst meer alternatieven voor kunstmest gaan gebruiken, dan houd je zo’n 70 miljoen ton over. Met de huidige elektrolysers vergt de productie daarvan zo’n 3360 terawattuur per jaar, nagenoeg evenveel als de totale hoeveelheid energie die in 2022 met zon en wind werd opgewekt.*
Geen wonder dus dat er veel aan gelegen is om de definitie van groene waterstof wat op te rekken. Eind 2022 hanteerde de EU’s Renewable Energy Directive II nog een hele strakke definitie: waterstof was alleen groen wanneer die geproduceerd werd in dezelfde regio en in het zelfde uur met energie die speciaal voor de waterstofproductie uit biomassa, wind- of zonne-energie is opgewekt (opdat die energie niet ten koste gaat van andere duurzame doeleinden).
Maar hiermee kom je er natuurlijk niet. En dus werden de richtlijnen begin 2023 – op 20 juni 2023 zijn ze officieel geratificeerd – schielijk bijgesteld. Waterstof geldt nu ook als groen als ze geproduceerd is met het bestaande hoogspanningsnet, mits de daaraan gerelateerde uitstoot maximaal 18 gram CO₂-equivalent per megajoule elektriciteit bedraagt. Dat staat gelijk aan 65 gram CO₂ per kilowattuur (kWh). Zoals Thijs den Brinck op Watisduurzaam voorrekent: ‘Helaas is waterstof gemaakt met 65 gram CO₂/kWh nog steeds verre van CO₂-arm. Als we uitgaan van een elektrolyser met een rendement van 75 procent, dan komt er 3,5 kilo CO₂ vrij bij de productie van een kilo waterstof, die nu volgens de EU groen mag heten. Dat is slechts 60 procent minder dan bij de productie van grijze waterstof uit fossiel aardgas.’
In het bovenstaande hanteert Ten Brinck voor elektrolyse een rendement van 75 procent. Dit (Amerikaanse) Wikipedialemma geeft een rendement aan van tussen de 70 en 80 procent. Dit zijn inschattingen die echter niet door iedereen worden gedeeld. De belangrijkste waterstofexpert van Oostenrijk, Prof. Dr. Christoph Hochenauer van het Instituut voor Thermische Technologie van de TU Graz, zegt hierover in een interview uit november 2022: ‘De huidige elektrolysers hebben nog steeds een vrij laag rendement van 50 tot 60 procent. Dat geldt zowel voor alkalische elektrolyse als voor PEM-elektrolyse, dat met membranen werkt. Dit betekent dat van 100 procent elektrische energie uiteindelijk slechts 50 tot 60 procent chemische energie kan worden verkregen in de vorm van groene waterstof. De rest is warmteverlies, dat niet of nauwelijks gebruikt kan worden.’
Hoe hoog dat rendement ook precies ligt, er wordt in elk geval hard gewerkt aan het opvijzelen ervan, onder anderen door Hochenauer zelf. Veruit de grootste doorbraak* van de laatste jaren kwam in mei 2023 op het conto van het Australische bedrijf Hysata, dat een nieuwe techniek heeft ontwikkeld die – onder laboratoriumomstandigheden weliswaar– een elektrolyse-efficiency belooft van tot 98 procent. De techniek staat beschreven in Nature Communications. Het bedrijf stelt dat de vondst tot een enorme prijsdoorbraak van groene waterstof zal leiden.
Of de nieuwe techniek de aangekondigde prijsdoorbraak naar 2 of zelfs 1,5 euro per kilo groene waterstof waarmaakt – momenteel bedraagt die prijs een kleine 6 euro per kilo –, daar kun je best vraagtekens bij plaatsen.* De eerste waterstoffabriek op basis van de nieuwe techniek staat gepland voor 2025.
Het REPoweREU-plan uit mei 2022 stelt ten doel dat de EU in 2030 jaarlijks 10 miljoen ton groene waterstof produceert* en nog eens 10 miljoen ton importeert. Aangezien groene waterstof zichzelf nu nog uit de markt prijst, kunnen producenten subsidie aanvragen en een beroep doen op fondsen als de European Hydrogen Bank, de Recovery and Resilience Facility, de Connecting Europe Facility, het Cohesion Fund, het Innovation Fund, het Just Transition Mechanism en InvestEU. Hoewel REPowerEU geen specifieke bedragen noemt, gaat het – mits de plannen doorgang vinden en de kolossale prijsdoorbraak uit de vorige aflevering uitblijft – om vele tientallen miljarden euro’s.
Het rapport Hydrogen Subsidies In The EU, Norway, and the US uit mei 2023 zet de cijfers behulpzaam op een rij. Voor de eerste 40 tot 60 duizend ton heeft de Europese Commissie 1 miljard euro uitgetrokken, wat neerkomt op een subsidie van tussen de 1,7 en 2,5 euro per kilo groene waterstof. Na 2025 verwacht de Commissie een forse prijsdaling als gevolg van schaalvergroting en innovatie. De huidige raming luidt dat de totale subsidie om in 2030 op 20 miljoen ton groene waterstof uit te komen tussen de 90 en 115 miljard euro zal bedragen.* De totale waterstofinvestering voor 2030 wordt door de Europese Commissie op een kleine 1 biljoen euro begroot.
Hoewel er in een duurzaam energiesysteem zeker ruimte is voor groene waterstof, kun je je wel afvragen of die pak hem beet 100 miljard euro overheidsgeld een doelmatige investering is, te meer omdat groene waterstof zo zijn eigen milieuproblemen met zich meebrengt.
Het eerste probleem is dat elektrolyse een groot beslag legt op de zoetwatervoorziening. De productie van een kilo groene waterstof vergt ongeveer 9 liter zuiver water. Volgens het Joint Research Centre van de Europese Commissie is dat 50 tot 90 procent meer dan bij andere vormen van energieopwekking. Nu al trekt de energiesector een zware wissel op de krimpende zoetwatervoorraden, De overmatige dorst van deze branche dreigt steeds meer in botsing te komen met gebruik voor drinkwater en de voedselproductie. Worden de plannen om in 2030 tien miljoen ton groene waterstof te produceren verwezenlijkt, dan zal een deel van het benodigde water uit ontzilt zeewater moeten bestaan. Hoewel de efficiëntste osmose-technieken relatief weinig energie – tussen de 3,5 en 5 kWh per kubieke meter – verbruiken, legt het ontzilten van zeewater niet alleen een extra druk op het toch al overbelaste energiesysteem, maar ook op het milieu. Voor elke liter schoon water produceren ontziltingsinstallaties gemiddeld genomen 1,5 liter pekel, een toxische brij die veelal in zee geloosd wordt.
Het tweede probleem is dat de productie van 10 miljoen ton groene waterstof jaarlijks zo’n 500 terawattuur (TWh) aan elektriciteit vergt, wat overeenkomt met 46 procent van alle elektriciteit die in de EU momenteel duurzaam wordt opgewekt – energie die dus niet voor de elektrificatie van andere sectoren gebruikt kan worden, wat een rem zet op de klimaatambities van de EU voor 2030.
Die 10 miljoen ton vereist dus heel veel extra windturbines en zonnepanelen, en dus heel veel extra mijnbouw, in ecologisch opzicht de meest destructieve activiteit op aarde. En heel veel extra elektrolysers, die weer op zeldzame metalen als iridium en platina zijn aangewezen. Op dat laatste vlak is er gelukkig ook goed nieuws. In mei 2023 berichtte de Volkskrant over een doorbraak aan de Universiteit Twente. Een onderzoeksgroep onder leiding van Chris Beaumer is erin geslaagd om een alternatief te vinden voor platina en iridium. Werkt het nieuwe composiet ook buiten het lab naar behoren, dan is het platinaprobleem uit aflevering 6 na 40 jaar zoeken eindelijk opgelost.
Het derde en in potentie grootste probleem, dat van waterstoflekken, komt in de volgende twee afleveringen aan de orde.
Er is opmerkelijk weinig bekend over de omvang van waterstoflekken. Als onderdeel van de veiligheidsvoorschriften (explosiegevaar) worden waterstofproducenten wel geacht om die lekken in kaart te brengen, toch gebeurt dat zelden aan de hand van directe metingen. In plaats daarvan geeft de bedrijfstak de voorkeur aan theoretische inschattingen en simulaties. En dat is in potentie een groot probleem, omdat er steeds meer duidelijk wordt over de klimaatimpact van ontsnappend waterstof.
Het overgrote deel – zo’n 70 tot 80 procent – van dat ontsnappende waterstof wordt in de bodem opgeslagen. Dat het resterende deel zich in de atmosfeer aan hydroxylradicalen (OH) hecht en dat die daardoor minder goed in staat zijn om methaan, een krachtig broeikasgas, af te breken, is al zeker sinds het begin van deze eeuw bekend.
Wat men toen nog niet wist is dat de oxidatie van waterstof in de troposfeer een hele keten aan reacties tot gevolg heeft, die resulteert in de aanmaak van troposferische ozon, een broeikasgas. Dit ozon is verantwoordelijk voor zo’n 20 procent van de klimaatimpact van waterstof. Wat men toen evenmin wist is dat de oxidatie van waterstof in de stratosfeer tot meer waterdamp leidt, wat een toename tot gevolg heeft van het infrarood stralingsvermogen van de stratosfeer, wat op zijn beurt weer resulteert in een afkoeling van de stratosfeer. Dat klinkt gunstig, maar het omgekeerde is het geval, omdat er daardoor minder energie (warmte) de ruimte in verdwijnt. Dit effect neemt zo’n 30 procent van de klimaatimpact van waterstof voor zijn rekening.
Al met al is de klimaatimpact van waterstof dus grofweg twee keer zo groot als aanvankelijk werd aangenomen. Neem je alle atmosferische effecten in je berekening mee, dan is het indirect opwarmende effect van waterstof per eenheid massa 200 keer groter dan dat van CO₂. Daar staat wel tegenover dat waterstof relatief kort (enkele jaren) in de atmosfeer verblijft en in tegenstelling tot CO₂ dus geen cumulatief effect heeft.
Doorgaans wordt die klimaatimpact niet per eenheid massa berekend, maar aan de hand van het global warming potential (GWP) van een broeikasgas – gemeten in CO₂ -equivalenten – over een tijdsspanne van 100 jaar (GWP-100). Het GWP-100 is de officiële maatstaf die in klimaatverdragen, beleidsstukken en rapportages van broeikasgassen wordt gebruikt. Omdat waterstof relatief kort in de atmosfeer verblijft – de meeste effecten zijn binnen 10 jaar uitgewerkt – is haar GWP-100 ook relatief gering. Volgens de huidige schattingen bedraagt het GWP-100 van waterstof grofweg 10, wat dus wil zeggen dat de klimaatimpact van waterstof gemeten over een periode van 100 jaar zo’n 10 keer groter is dan dat van CO₂.
Het gebruik van de ‘GWP 100′-maatstaf voor waterstof is echter problematisch. Niet alleen omdat deze indicator ten onrechte de indruk wekt dat waterstof 100 jaar actief blijft, maar vooral omdat de kortetermijneffecten van waterstoflekken hierdoor aan het zicht worden onttrokken. Om die reden hanteren steeds meer studies naast het GWP-100 ook een GWP-10. Verkort je de tijdsspanne van 100 naar 10 jaar, dan blijkt ook het klimaateffect met zo’n factor tien toe te nemen. Volgens een studie van Ilissa Ocko en Seven Hamburg ‘zweeft’ het GWP-10 van waterstof namelijk rond de 100, wat dus wil zeggen dat het opwarmende effect van weglekkend waterstof, gemeten over een periode van 10 jaar, zo’n 100 keer groter is dan dat van CO₂.
Hoe groot die klimaatimpact in de praktijk is, hangt af van hoeveel waterstof er weglekt. Vervliegt er vrijwel niets, dan is er niets aan de hand. Maar vervliegt een aanzienlijk deel, dan vervliegt ook de klimaatwinst van groene en blauwe waterstof. Hierover gaat het in de volgende aflevering.
Wil je enig zicht krijgen op de huidige en toekomstige omvang van waterstoflekken, dan stuit je op het probleem dat daar akelig weinig over te zeggen valt, om de simpele reden dat daar nooit gericht onderzoek naar gedaan is. Hooguit kun je heel in het algemeen stellen dat de viscositeit van waterstof 40 procent lager is dan die van aardgas, wat inhoudt dat er bij een lek 40 procent meer waterstof wegstroomt dan aardgas. En dat voor de aardgaswinning in de VS is berekend dat aardgas als gevolg van de lekken bij de winning, het transport en het gebruik, over een tijdshorizon van 20 jaar (GWP-20) gemeten dezelfde klimaatimpact heeft als het verbranden van steenkool. Kortom, lekken doen ertoe.
Helaas wordt in de waterstofketen – productie, transport en gebruik – alleen naar lekken gekeken voor zover die een veiligheidsrisico vormen. Dat wil zeggen dat men zich uitsluitend focust op grote lekken – voor de kleintjes, die wel van invloed zijn op het klimaat, maar niet op de veiligheid, is zelfs geen commercieel verkrijgbare opsporingsapparatuur beschikbaar. Omdat vrijwel alle waterstof momenteel ‘grijs’ geproduceerd wordt, gaat daar dus ook de meeste aandacht naar uit. Het overgrote deel van de groene (en eventueel ook blauwe) waterstofinfrastructuur moet immers nog gebouwd worden (wel is er een voorzichtige aanwijzing dat bij de productie van groene waterstof wat meer weglekt dan bij grijze, zeker wanneer die groene waterstof ook gebruikt gaat worden om woningen rechtstreeks te verwarmen, zoals het VK en in mindere mate Nederland van plan zijn – zie drie paragrafen verderop).
Verder weten we evenmin hoe groot de waterstofproductie in de toekomst zal zijn en voor welke doeleinden die waterstof precies gebruikt gaat worden. In zijn Global Hydrogen Review gaat het Internationaal Energieagentschap uit van ruim 500 miljoen ton in 2050. Maar het zou ook zomaar het dubbele kunnen worden of zelfs 1370 miljoen ton bedragen. Die omvang hangt onder meer af van de vraag of waterstof op grote schaal zal worden ingezet voor transportdoeleinden en de verwarming van woningen.
Wat betreft waterstoflekken zijn er dus geen harde cijfers om op terug te vallen. Wel is er her en der wat veiligheidsonderzoek gedaan, waarin ook het lekkageprobleem ter sprake komt. Voor grijze waterstof zijn deze studies niet gebaseerd op directe metingen, maar op extrapolaties van het gedrag van andere gassen. Zo komen Xia en collega’s in 2019 tot een schatting van 1 procent, door waterstof met stikstof te vergelijken. Op basis van een vergelijking met methaanlekken kwamen Barrett en Cassarino in 2011 uit op een schatting van 1,5 procent. Daarbij baseerden ze zich op de veronderstelling dat er in de hele gasketen iets meer dan 1 procent methaan weglekt, terwijl we inmiddels weten dat die lekkage ongeveer het drievoudige bedraagt.
In het geval van groene waterstof zijn de schattingen niet het product van extrapolaties en evenmin van directe metingen, maar van een theoretische inschatting op basis van het verschil tussen wat een elektrolyser in theorie zou moeten opleveren en hoeveel elektriciteit er in de praktijk uitkomt. Dat verschil zou dan deels door lekkages verklaard moeten worden. Stansberry komt uit op een lekkage van 3,4 procent en Harrison en Peters op 4 procent.
De chemische industrie beschikt over een goed geoutilleerde waterstofinfrastructuur met speciale pijpleidingen. Schattingen van de omvang van lekkages bij het transport hangen dus sterk af van of deze binnen of buiten de chemische industrie plaatsvinden. Voor lekkages binnen de industrie variëren de schattingen van 0,4 tot 2 procent, buiten de chemische industrie van 3-6 tot 20 procent of hoger.
Over lekkages bij eindgebruikers kan ik kort zijn, want daarover heb ik niets kunnen vinden. Hooguit kun je heel in het algemeen stellen dat hoe meer het eindgebruik er buiten de chemische industrie plaatsvindt, hoe groter de kans is op lekkage.*
Omdat de betrouwbaarheid van bovengenoemde cijfers met heel veel vraagtekens is omgeven, kiezen Ocko en Hamburg in hun artikel ‘Climate consequences of hydrogen emissions‘ voor een andere invalshoek. Hierin rekenen ze voor groene en blauwe waterstof (waterstof uit aardgas met CO₂-afvang) de klimaateffecten door bij een lekkage van respectievelijk 1 procent (het ‘lage scenario’) en 10 procent (het ‘hoge scenario’). Blauwe waterstof begint hierbij trouwens met een achterstand omdat de onderzoekers ook de 3 procent methaanlekken bij de aardgaswinning meerekenen. Het ‘hoge scenario’ voor blauwe waterstof is dan ook funest. Bij een lekkage van 10 procent is het beduidend ‘schoner’ om je elektriciteit rechtstreeks met aardgas op te wekken, bij het ‘lage scenario’ is de klimaatwinst zo’n 65 procent. Voor groene waterstof is er ook in het ‘hoge scenario’ nog een klimaatwinst van zo’n 60 procent. Hier ligt het omslagpunt ergens rond een lekkage van 20 procent. Gaat er in de hele waterstofketen meer dan 20 procent verloren, dan slaat de klimaatwinst van groene waterstof om in een klimaatverlies.
Bij het Noorse klimaatinstituut CICERO loopt momenteel een onderzoek waarin waterstoflekken in de hele keten direct gemeten worden. De resultaten worden eind 2024 verwacht. In Noorwegen wacht men eerst de resultaten van de studie af alvorens te besluiten in groene waterstof te investeren. Een voorbeeld dat navolging verdient.
Het idee is even elegant als simpel. De opbrengsten van wind- en zonne-energie fluctueren en zijn deels seizoensafhankelijk. Soms is er te veel, soms is er te weinig. Zet overtollige en dus ‘waardeloze’ duurzame energie om in groene waterstof en gebruik die om de overschotten en de tekorten met elkaar in evenwicht te brengen.
Helaas is de praktijk weerbarstig, Het waterstofmolecuul is zo akelig klein dat je voor de opslag van een kilo waterstof een tank van 11 duizend liter nodig hebt. Voor grootschalige opslag heb je dus of heel veel ruimte nodig – je kan die H₂ bijvoorbeeld in lege gasvelden opslaan, wat ook gebeurt, zij het op kleine schaal* – of je moet er eerst iets mee doen, in de zin dat je die waterstof in een vaste stof omzet, onder druk samenperst of vloeibaar maakt.*
Je kunt die kilo waterstof bijvoorbeeld omzetten in ammoniak, methanol of synthetische methaan – dan krimpt het volume van 11.000 liter naar zo’n 1400 liter. Je kunt die kilo waterstof ook samenpersen, bijvoorbeeld onder een druk van 700 bar. Dan kun je die kilo kwijt in een tank van 24 liter. En je kunt die kilo waterstof vloeibaar maken bij een temperatuur van -253 graden. Dan heb je voor die kilo een opslagtank van nog maar 14 liter nodig.*
Elk van deze stappen kost niet alleen geld, maar vergt ook veel energie en neemt dus een hap uit de zogenaamde round-trip efficiency. Afhankelijk van het omzettingsproces en de – chemische, thermische of mechanische – toepassing van de waterstof gaat in dit proces tussen de 45 en 80 procent van de energie verloren.
Een voorstander zal tegenwerpen dat wanneer je die H₂ van energie maakt die anders toch verloren gaat, het niet uitmaakt hoe hoog of laag je efficiency is. Alles wat je produceert is hoe dan ook winst. Dat klinkt heel aannemelijk, en toch klopt het niet.
Mijn bezwaar geldt de propositie zelf. Het overgrote deel van die overschotten zullen namelijk van tijdelijke aard zijn, want die gaan gepaard met lage en soms zelfs negatieve elektriciteitsprijzen. Grootverbruikers (en trouwens ook steeds meer gewone consumenten) worden steeds flexibeler in hun elektriciteitsverbruik en passen hun productiemethoden almaar meer op wisselende prijzen aan, zodat ze bij een lage prijs spoorslags kunnen toeslaan. Het gevolg is dat het merendeel van die overschotten mettertijd vanzelf verdwijnt.
En zelfs al zouden die overschotten van blijvende aard zijn, dan nog is de rekensom simpelweg onjuist. Om te beginnen gaat het omzetten van elektriciteit in waterstof in elektriciteit gepaard met een efficiency van om en nabij de 55 procent. Wil je vraag en aanbod het hele jaar door met groene waterstof uit overschotten in evenwicht brengen, dan moeten je overschotten dus een kleine twee keer zo groot zijn als de tekorten, en dat is niet zo.*
Daar komt verder bij dat er voor die omzetting een (hele prijzige) elektrolyser nodig is. Wil je de overschotten maximaal benutten, dan moet die een capaciteit hebben van het maximale vermogen van wind en zon minus het minimale elektriciteitsverbruik. Omdat de energie-opbrengsten zo wisselend zijn, staat zo’n elektrolyser het ene moment dus op vol vermogen te draaien om het volgende moment in ledigheid te verzinken. Thijs ten Brinck rekent voor dat deze elektrolyser over een jaar gemeten nog geen 15 procent van zijn capaciteit benut. Afgezien van het feit dat weinig exploitanten daar brood in zullen zien, is dit de geëigende manier om ‘gratis’ energie in hele dure waterstof te converteren.
En tot slot zou alle groene H₂ die we produceren in eerste instantie bestemd moeten worden voor de verduurzaming van die chemische toepassingen waar we momenteel niet zonder kunnen. Pas als dat gebeurd is, is er er ruimte voor andere toepassingen. In aflevering 6 liet ik aan de hand van een rekensommetje zien hoe lastig die opgave is. Laten we daar nog eens naar kijken en nu van het gunstigst mogelijk scenario uitgaan, namelijk dat het lukt om de huidige 120 miljoen ton naar 60 miljoen te halveren en dat we er daadwerkelijk in slagen om de elektrolyse-efficiency naar 98 procent op te vijzelen. Dan nog vergt de productie van die waterstof jaarlijks zo’n 2390 terawattuur,* wat overeenkomt met grofweg 70 procent van alle energie die we momenteel met zon en wind opwekken.
Dit leert (1) dat het al een wonder is als we hierin slagen; (2) dat er voorlopig helemaal geen ruimte is voor grootschalige bufferopslag, laat staan voor toepassingen in het transport of verwarming van woningen; en (3) dat de efficiency van de waterstofproductie – of beter, het gebrek eraan – onverminderd een probleem blijft.
In december 2022 ontving Alliander toestemming van de Autoriteit Consument & Markt om in de wijk Berkeloord in Lochem twaalf woningen ‘via het bestaande aardgasnet’ met waterstof te verwarmen. Het betreft een pilot-project voor ‘lastig te isoleren monumentale woningen’. Volgens de site van Alliander is het ‘uitgangspunt dat het waterstof gemaakt wordt uit duurzame energie (zon- en/of windenergie), maar dat daarvan op dit moment nog niet genoeg beschikbaar is.’ Uiteraard is alle begin moeilijk, toch laat de site wijselijk in het midden hoe hoog het percentage groene waterstof is (niet heel hoog, anders had dat er wel bij gestaan) en hoe grijs, zwart of ultrazwart het alternatief is.
Een consortium met partners als GasTerra, de Gasunie, Alliander, Arcadis, BAM en Enexa Netbeheer is voornemens om in een nieuwbouwwijk in Hoogeveen honderd woningen met waterstof te verwarmen. Om hun plannen kracht bij te zetten, financierde het consortium in 2020 een ‘publiek rapport’,* Waterstofwijk: plan voor waterstof in Hoogeveen. De conclusies van het rapport zijn opmerkelijk: H₂ zou niet alleen de beste verwarmingsoplossing zijn voor zowel oud- als nieuwbouw, maar ook nog eens de meest klimaatvriendelijke keuze.
Die eerste conclusie staat volledig haaks op de studie van Jan Rosenow in het wetenschappelijk tijdschrift Joule, waarin hij aan de hand van 32 onafhankelijke studies concludeert dat grootscheepse verwarming met waterstof, een enkele uitzondering daargelaten, een beroerd idee is.* En de tweede claim, dat waterstof de klimaatvriendelijkste keuze is voor verwarming, wordt onderuit geschoffeld in een in 2021 in Energy Conversion & Management verschenen artikel, waarin alle mogelijke verwarmingstechnologieën op basis van 19 criteria op hun klimaatimpact beoordeeld zijn. Waterstof kwam 19 keer als slechtste optie uit de bus, de warmtepomp 19 keer als beste. Kennelijk wist het ‘publiek rapport’ ook de ACM niet te overtuigen, want in oktober 2023 werd de vergunning geweigerd. Daarmee is het project voorlopig afgeblazen.
Het is best verdedigbaar om incidenteel oude, grote en moeilijk te isoleren woningen met waterstof te verwarmen, maar nieuwbouwwijken waarvan je mag verwachten dat de huizen goed geïsoleerd zijn? Daar is geen enkel redelijk argument voor te bedenken.
Misschien dat het verduidelijkend is om er eens in termen van exergie naar te kijken. Exergie, ook wel netto-energie genoemd, is het vermogen van energie om arbeid te verrichten. Vanuit een exergie-perspectief is niet elke joule gelijk geschapen. Elektriciteit is bijvoorbeeld een en al exergie, die kun je zeer veelzijdig inzetten en heel efficiënt in mechanische arbeid omzetten. Dus is een joule elektriciteit simpelweg meer waard dan, zeg, een joule laagwaardige warmte.
Zou je een exergie-ladder opstellen, dan staat elektriciteit helemaal bovenaan, gevolgd door energie in vaste vorm, energie in gasvorm, energie als druk- of stralingsveld, en helemaal onderaan energie in de vorm van laagwaardige warmte. Zet je elektriciteit (met een fors exergieverlies) om in een gasvorm, dan daal je al twee treden af op de exergie-ladder. Converteer je dat gas vervolgens in warmte voor de verwarming van woningen, dan daal je helemaal naar de onderste tree van de ladder af. Mijns inziens komt dat neer op een onvergeeflijke vorm van exergie-verspilling.
Zeker, een warmtepomp zet ook elektriciteit om in warmte, maar hierbij treedt geen energieverlies op. Integendeel, hier gaat dat omzetten gepaard met een enorme energiewinst. Stop je 1 kWh elektrisch vermogen in een warmtepomp, dan levert die afhankelijk van de omstandigheden 4 à 5 kWh op door er 3 à 4 uit de omgeving te betrekken. Een warmtepomp heeft een COP (Coëfficiënt Of Performance, oftewel winstfactor) van 4 à 5, het COP van waterstof bedraagt 0,75.
Daar komt nog een probleempje bij. Verbrand je waterstof in een brandstofcel, dan komen daar alleen water en zuurstof bij vrij. Maar doe je dat rechtstreeks, dan levert dat – vanwege de grotere vlamsnelheid – 7 keer meer stikstofoxiden (NOx) op dan wanneer je aardgas verbrandt, zoals TNO in haar rapport Waterstofverbranding en stikstofemissies meldt. En stikstofoxiden zijn niet alleen giftig, ze vormen ook een bijzonder krachtig broeikasgas met een GWP-100 (zie aflevering 10) van 256. Het is dus zaak om de stikstofoxiden, die bij de verbranding van waterstof in waterstofketels vrijkomen, zeer zorgvuldig af te vangen.
Een andere en zelden genoemde potentiële hobbel is de unieke eigenschap van waterstof om bij een dalende druk niet af te koelen maar juist warmer te worden. Dit wordt ook wel een omgekeerd Joule-Thomson-effect genoemd. In het rapport Spontaneous ignition of hydrogen van het Britse Health and Safety Laboratory gaan de auteurs uitgebreid in op de veiligheidsrisico’s die hieraan verbonden zijn.
In het bovengenoemde TNO-rapport uit april 2023 staat in de inleiding trouwens te lezen dat een grootscheepse verwarming van woningen met waterstof – als dat er al ooit van komt – pas voor na 2030 in het verschiet ligt. Tot die tijd moeten we het doen met het bijmengen van waterstof in de bestaande gasinfrastructuur om de verduurzaming alvast een zetje in de goede richting te geven. Het gaat hierbij om een mix van 80 procent aardgas en 20 procent waterstof. Dus dat is toch maar mooi een klimaatwinst van 20 procent! Tja, dat wil zeggen, totdat je het narekent. Omdat de bijgemengde waterstof per kubieke meter drie keer minder energie bevat dan aardgas (zie aflevering 6), daalt de energie-inhoud van je mengsel naar 86 procent. Met andere woorden, om dezelfde energie-inhoud te leveren, moet je 14 procent meer gas verstoken. De klimaatwinst bedraagt dus geen 20 procent maar 6 procent.*
En die 6 procent klimaatwinst is nog geflatteerd ook, want het gebruik van bestaande gaspijpleidingen vervijfvoudigt (zie de volgende aflevering) het risico op waterstoflekken (met een GWP-10 van 100), en de rechtstreekse verbranding van waterstof levert een verhoogd risico op het weglekken van stikstofoxiden (met een GWP-100 van 256). Tel uit je (klimaat)winst.
Hoeveel mag je aan de bestaande gasinfrastuctuur versleutelen voordat de bestaande gasinfrastuctuur niet langer de bestaande gasinfrastructuur is? Deze variant op de paradox van het schip van Theseus is natuurlijk een strikvraag. Aangezien je gas of waterstof onmogelijk door een niet-bestaande infrastructuur met niet-bestaande leidingen kunt dirigeren, is de bestaande infrastructuur – hoeveel je daar ook aan vertimmert – per definitie de bestaande infrastructuur.
Deze vraag wierp zich op bij het lezen van het rapport H21 Leeds City Gate, waarin een consortium van gasbedrijven in samenwerking met ingenieursbureau KIA de mogelijkheid onderzoekt om woningen in Leeds via de bestaande gasinfrastructuur met waterstof te verwarmen. Geen probleem, concludeert de Executive Summary, met wat ingrepen hier en daar weliswaar. Wat die ingrepen inhouden wordt pas duidelijk in het rapport zelf: tussen neus en lippen door vermeldt pagina 12 dat de huidige leidingen daar niet geschikt voor zijn en dat die – in drie jaar tijd – met nieuwe vervangen moeten worden.
Het probleem dat het rapport signaleert is tweeledig. Het eerste is dat waterstof het kleinste molecuul is dat we kennen en om die reden makkelijk door de bestaande flenzen, kleppen en afsluiters kan ontsnappen. Het tweede heet waterstofbrosheid, dat wil zeggen het bros worden van harde metalen door de diffusie en oplossing van waterstof in de microstructuur van de metalen leidingen, wat tot haarscheurtjes kan leiden die naar verloop van tijd tot echte scheuren uitgroeien.
Wat de Engelse onderzoekers als een onoverkomelijk probleem zien, lijkt in Nederland echter nauwelijks een issue. In opdracht van Netbeheer Nederland heeft Kiwa in 2018 een rapport uitgebracht dat op pagina 12 concludeert: ‘Ten slotte zijn er nog twee andere fenomenen die vaak in relatie worden gebracht met waterstof. Dat zijn de permeatie van waterstof door kunststofleidingen en waterstofbrosheid van staal. Beide effecten zijn bij de omstandigheden, die gelden in distributienetten, verwaarloosbaar en zorgen niet voor een significante degradatie of verhoging van het veiligheidsrisico.’ Alfons Krom van de Gasunie deelt deze visie en stelt in dit interview dat metaalverbrossing als gevolg van waterstof nauwelijks voorkomt.
De Engelse gasinfrastructuur lijkt sterk op de Nederlandse. De vraag is dus wie er gelijk heeft. Het uitgebreidste onderzoek dat bij mijn weten ooit naar deze kwestie gedaan is, Investigation of Steel Materials for Gas Pipelines and Plants for Assessment of their Suitability with Hydrogen (Januari 2023), op bestelling van het Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, stelt Kiwa en de Gasunie op het eerste gezicht in het gelijk. De samenvatting stelt kortweg ‘dat alle staalsoorten voor pijpleidingen die in dit project zijn onderzocht, fundamenteel geschikt zijn voor waterstoftransport.’ Verlaat je je niet op de samenvatting en spit je het rapport zelf uit, dan rijst er toch een ander beeld op.
Zo stelt het rapport dat elk land een eigen stelsel van normen hanteert voor het ontwerpen, produceren en inspecteren van pijpleidingen, maar dat de Amerikaanse normen in de meeste landen (waaronder Nederland, Engeland en Duitsland) als referentiestandaard gelden. Het betreft dan ASME B31.8 voor pijpleidingen voor aardgas en andere brandstoffen en ASME B31.12 voor pijpleidingen die specifiek voor waterstof zijn ontwikkeld. Het belangrijkste verschil zit hem in de gebruikte metaalsoort: voor gaspijpleidingen is dat doorgaans hard metaal met een hoge treksterkte, bij waterstofleidingen is het zacht metaal met een lage treksterkte.
Om te berekenen bij welke druk waterstof veilig door een gaspijpleiding kan worden geleid, gebruiken ingenieurs de Barlow-vergelijking. En die geeft aan dat dat bij een druk is van 34 procent. Bij deze druk (zie pagina 169 van de bovengenoemde Duitse studie) is de kans op scheuren en metaalverbrossing van dezelfde orde van grootte als bij het gebruik van aardgas, maar zodra je de druk opvoert neemt het risico snel en exponentieel toe. Op voorwaarde dat de druk met twee derde is teruggebracht, zou het gebruik van gaspijpleidingen voor waterstof dus veilig moeten zijn, zo concludeert de Duitse studie.*
Op basis van dezelfde informatie komt de Amerikaanse studie Hydrogen Blending into Natural Gas Pipeline Infrastructure: Review of the State of Technology (oktober 2022), in opdracht van de Amerikaanse federale overheid, tot een tegenovergestelde conclusie. De onderzoekers stellen namelijk dat de bestaande gasinfrastructuur fundamenteel ongeschikt is voor het transport van waterstof, ook wanneer het gaat om het bijmengen van waterstof (de 80/20-mix uit de vorige aflevering).
Zij signaleren namelijk twee bijkomende problemen. Het eerste is dat uitvoerige tests uitwijzen dat de kans op waterstoflekken in de bestaande gasinfrastructuur met een factor 5 toeneemt (in tegenstelling tot de Duitse onderzoekers nemen de Amerikaanse ook de klimaatimpact van waterstof in hun afweging mee). Het tweede probleem heet line packing. De line pack is de hoeveelheid gas die zich in het netwerk van pijpleidingen ophoudt. Die hoeveelheid is doorgaans goed voor een buffer van zo’n 3 à 4 uur. Aangezien de energiedichtheid van waterstof per kubieke meter een derde bedraagt van die van aardgas en je de druk noodgedwongen ook nog eens met twee derde moet terugschroeven, slinkt de energie-inhoud van je line pack van 3 à 4 uur naar hooguit een halfuur. En dat is simpelweg onvoldoende om plotselinge pieken in de vraag mee op te vangen.
Om met waterstof dezelfde energie-inhoud te leveren als aardgas, moet je de druk in de pijpleidingen grofweg verdrievoudigen, maar in plaats daarvan wordt die druk juist met twee derde teruggebracht.
Wil je voorkomen dat je huishoudens op een koude – of in elk geval lauwwarme – douche trakteert, moet je dus het nodige aan je gasinfrastucuur veranderen. Wat ons terugbrengt bij de vraag waarmee deze aflevering begint: hoeveel mag je aan de bestaande gasinfrastuctuur versleutelen voordat de bestaande gasinfrastuctuur niet langer de bestaande gasinfrastructuur is?
De strijd – als daar al ooit sprake van geweest is – tussen de ‘gewone’ elektrische auto en de waterstofauto is duidelijk in het voordeel van de eerste beslecht. Wat (afgezien van de grotere actieradius) het grootste voordeel van de waterstofauto had moeten zijn, dat je min of meer gewoon je tank vol kan gieten, blijkt nu haar grootste minpunt. Een gewone elektrische auto kun je altijd nog thuis opladen, maar voor een waterstofauto heb je een fijnmazig netwerk van waterstofstations nodig, en dat netwerk is er niet en dat komt er ook niet.*
En dat is maar goed ook. Gemiddeld genomen verbruikt een waterstofauto 3,3 keer meer energie dan een gewone elektrische auto. Zou je hele autovloot op waterstof rijden, dan moet je dus ook 3,3 keer meer windturbines en zonnepanelen installeren. Die opdracht is al enorm en er is geen enkele reden om die klus nog zwaarder te maken dan nu al het geval is.
Blijft over het lastig te elektrificeren zware (goederen)transport over de weg, zee en door de lucht. Het is juist bij de lucht- en scheepvaart en zware trucks en treinen waar H₂ in theorie een uitkomst zou moeten bieden. Toch blijkt de praktijk opnieuw weerbarstig.
Zo had de Duitse deelstad Baden-Württemberg in augustus 2022 een wereldprimeur door als eerste waterstoftreinen in gebruik te nemen – geen hele grote weliswaar, zelfs voor lightrail gaat het om miniformaat. Maar toch, de nieuwe treinen zijn bedoeld ter vervanging van het oude dieselmaterieel, en dat is natuurlijk een uitstekende zaak.*
De voordelen van waterstoftreinen zijn dat je niet in bovenleidingen hoeft te investeren en dat hun actieradius groter is dan die van treinen die uitsluitend op oplaadbare accu’s rijden. Nadelen zijn dat:
- waterstoftreinen grofweg twee keer zoveel elektriciteit verbruiken als treinen met bovenleiding;
- dat ze (heel erg) duur in gebruik zijn – over hun hele levensduur gemeten grofweg 80 procent duurder dan bovenleidingtreinen;
- dat hun betrouwbaarheid te wensen overlaat;
- dat de groene waterstof die je ervoor gebruikt wellicht een nuttigere bestemming heeft – namelijk voor toepassingen waarvoor geen alternatief bestaat;
- en dat je de winst van de besparing op bovenleidingen elders in het systeem weer verliest door de hogere kosten en de noodzaak extra windturbines te installeren om voor het dubbel zo hoge elektriciteitsverbruik te compenseren.
In september 2023 had Baden-Württemberg opnieuw een wereldprimeur, dit keer als de eerste opdrachtgever die ervoor gekozen heeft om af te zien van de geplande aanschaf van nog eens een reeks waterstoftreinen. Inderdaad, vanwege de hoge kosten en de geringe betrouwbaarheid. Een soortgelijke discussie, maar dan rond waterstofbussen, speelt momenteel ook in de Australische staat Victoria.
In juni 2022 werd bekend dat de Nederlandse overheid 110 miljoen euro investeert in de ontwikkeling van een waterstofvliegtuig dat in 2028 gebruiksklaar moet zijn. Het propellertoestel zal op vloeibare waterstof vliegen en heeft Londen als bestemming.
Net zoals het mogelijk is om trucks, treinen en schepen met H₂ aan te drijven, kun je ook vliegtuigen op waterstof voortstuwen. De vraag is natuurlijk of het ook een goed idee is. Bernard van Dijk, docent airplane performance aan de Hogeschool van Amsterdam, vindt in elk geval van niet. Op zijn LinkedIn-pagina somt hij zijn bezwaren op:
- ‘Ten eerste heb je ongelooflijk veel groene energie nodig om die H₂ te produceren. 89.500 windturbines om alleen de Europese vluchten van groene H₂ te voorzien.
- Waterstof heeft een energie/volume probleem. De extra zware en grote cryogene tanks zullen de betalende lading van een vliegtuig met 15-40% verminderen.
- Het tanken van zo’n waterstofvliegtuig is een extreem ingewikkelde zaak, omdat vloeibare H₂ een temperatuur heeft van -252 graden C.
- Er zijn serieuze vraagtekens over de veiligheid bij waterstof. 40 gram waterstof heeft de explosieve kracht van een kilogram TNT. Die tanks zitten in dezelfde ruimte als de passagiers. Wat zou er toch mis kunnen gaan?’*
Zelfs als voor al deze problemen een bevredigende oplossing te vinden is, blijft er nog een forse hobbel over, zoals waterstofexpert Michael Barnard hier voorrekent. Wil je voor al je vliegverkeer kerosine met waterstof vervangen, dan brengt dat namelijk akelig hoge kosten met zich mee. Barnard neemt Heathrow als voorbeeld en gaat uit van 500 tankbeurten per dag. Verder neemt hij het het kerosineverbruik van de Airbus A321 als uitgangspunt. Die 500 tankbeurten vergen dan zo’n 3700 ton vloeibare waterstof. Tegen de huidige kostprijs komt die 3700 ton neer op een dikke 22 miljoen euro. Daar komen de kosten van het vloeibaar maken bij (nog eens ruim 5 miljoen euro) en de capex-kosten van een grote electrolyser en een koelinstallatie. En neem je in je berekening mee dat de bezettingsgraad daalt omdat je de waterstoftanks achterin je vliegtuig moet plaatsen, dan kom je in het beste geval uit op gemiddeld zo’n 3.400 euro per passagier.* Zelfs al zou je erin slagen die kosten in de hele keten te halveren, dan nog wordt vliegen iets wat alleen voor de happy few bereikbaar is.
Is het dan allemaal kommer en kwel met die waterstof? Gelukkig niet. Er is een vorm van waterstof – witte waterstof – die zich aan bovenstaande dynamiek lijkt te onttrekken. Daarover gaan de laatste twee afleveringen.
Wat in de waterstof-kleurenwaaier witte waterstof wordt genoemd, en in de academische literatuur natuurlijke of geologische waterstof, verwijst naar waterstof die op natuurlijke wijze in de aardkorst voortkomt. Hoe die natuurlijke waterstof precies gevormd wordt, daarover doen verschillende theorieën de ronde. Het artikel ‘Genesis and energy significance of natural hydrogen‘ in Unconvetional Resources (2023) geeft een overzicht. Het zou om ‘oerwaterstof’ kunnen gaan die is overgebleven bij het ontstaan van het zonnestelsel en die zich nog altijd in grote hoeveelheden in de aardkorst of zelfs de aardkern ophoudt. Een andere optie is dat ze ontstaat in een proces van diagenese, waarbij water onder dikke, ondoordringbare lagen (anders vervliegt ze de ruimte in) reageert met ijzer- of magnesiumhoudend gesteente en er bij het oxidatieproces waterstof vrijkomt. Ook kan radiolyse een rol spelen, waarbij water door de natuurlijke radioactiviteit in de aardkorst in zuurstof en waterstof wordt gescheiden. Vanwege deze geologische processen is het merendeel van de natuurlijke waterstof vermengd met andere gassen, bijvoorbeeld aardgas, of opgelost in water.
In de loop van 2023 publiceerden tal van internationale nieuwsmedia – zie onder meer CNN, Forbes, Science Communication en in Nederland het FD – uitermate enthousiaste artikelen over natuurlijke waterstof. En met reden. In tegenstelling tot de andere kleuren in het waterstofpalet is witte of natuurlijke waterstof namelijk geen energiedrager maar een heuse energiebron. En in tegenstelling tot bijvoorbeeld aardgas is natuurlijke waterstof niet alleen duurzaam in de zin dat ze zichzelf aanvult – al is vooralsnog onduidelijk hoe snel dat precies verloopt en of dat geheel of gedeeltelijk is –, maar ook dat ze een schone energiebron is. Wat dat laatste betreft heeft de gerespecteerde energie-analyticus Adam Brandt een levenscyclusanalyse gedaan. Met heel veel slagen om de arm en onder een reeks specifieke condities – het betreft mengsels met tenminste 85 procent waterstof die uitsluitend met gebruik van duurzame energie gewonnen, bewerkt en vervoerd worden – concludeert hij dat natuurlijke waterstof weleens de schoonste energiebron kan zijn.* Een ander voordeel is dat natuurlijke waterstof op dezelfde manier gewonnen kan worden als aardgas.
Geen wonder dus dat die bovengenoemde artikelen overlopen van enthousiasme. De enige vraag die dan rest is hoeveel er van die natuurlijke waterstof te winnen valt.
De directe aanleiding voor veel van die artikelen is de vondst in het Noord-Franse Lorraine van een grote hoeveelheid natuurlijke waterstof. Hoe groot precies, daarover lopen de schattingen uiteen: van 6 miljoen ton tot 250 miljoen ton. Die waterstof zit verschanst in een ondergrondse aquifer. Op een diepte van een kilometer bedraagt het aandeel waterstof 16 procent, maar bij drie kilometer loopt dat op naar 98 procent.
Dat die schatting zover uiteenloopt, is indicatief voor het verschijnsel natuurlijke waterstof. Met fossiele brandstoffen hebben we vele decennia aan ervaring, met natuurlijke waterstof hooguit 30 jaar. Het uitgebreidste overzicht ooit van ‘natuurlijke waterstof’-bronnen, ‘The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review‘ (2020) van Viacheslav Zgonnik, hanteert eveneens bijzonder ruime marges. Zgonnik komt uit op een totale hoeveelheid van tussen de 100 en 400 miljoen ton per jaar (mits de gewonnen voorraad zich inderdaad binnen een jaar geheel aanvult), waarvan naar zijn schatting slechts een gering deel winbaar is. Wel merkt hij op dat de werkelijke hoeveelheid waarschijnlijk veel hoger ligt, omdat nog lang niet overal systematisch op de juiste locaties gezocht is.
In 2022 publiceerde de United States Geological Survey een modelstudie die helaas niet openbaar toegankelijk is. Maar in een interview met Forbes licht hoofdauteur Geoff Ellis een tip van de sluier op. Hij stelt onder meer dat de aardkorst volgens het USGS-model zo’n 10 miljard ton natuurlijke waterstof bevat. ‘Ook al zou er van die 10 miljard ton maar 2 of 3 procent winbaar zijn, dan nog zou dat voor vele honderden jaren goed zijn voor zo’n 500 miljoen ton per jaar.’
Een nagenoeg oneindige en schone energiebron die zichzelf ook nog eens aanvult, dat klinkt bijna als te mooi om waar te zijn. In de volgende aflevering volgen de voorbehoudens.
Om nog even heel wijsneuzig terug te komen op het citaat van Geoff Ellis waarmee de vorige aflevering eindigde: 2 à 3 procent van 10 miljard ton per jaar is natuurlijk geen 500 miljoen ton per jaar maar 200 à 300 miljoen ton per jaar (mits de hoeveelheid natuurlijke waterstof zich in een jaar tijd geheel aanvult, wat momenteel nog niet bekend is). Dat oogt als spijkers zoeken op laag water, maar het is eerder exemplarisch voor hoe de USGS te werk gaat. De modelstudies van de Amerikaanse geologische dienst hebben namelijk niet bepaald een vlekkeloze reputatie – denk bijvoorbeeld aan hun inschatting van de hoeveelheid schaliegas en -olie die zich in Monterey, Californië, zou moeten bevinden of de gigantische schaliegasreserves die zich in de Poolse bodem op zouden houden. In het eerste geval zat de dienst er vele orden van grootte naast. En in het tweede was dat gas er wel, maar in de verkeerde rotsformaties, zodat de winning ervan meer energie vergde dan je uit de bodem wringt. Dit is misschien ook de reden dat de USGS-modelstudie in de serieuze wetenschappelijke artikelen die in 2023 over natuurlijke waterstof verschenen zijn, niet of hooguit terloops genoemd wordt.*
Maar er is meer aan de hand. Twintig jaar geleden verschenen er ook al jubelartikelen over natuurlijke waterstof. Ook toen leefde het idee dat er een nagenoeg oneindige hoeveelheid waterstof in de aardkorst opgesloten zit – ‘Onze energieproblemen zijn wellicht verleden tijd na de ontdekking van enorme voorraden waterstofgas in de aardkorst,’ berichtte Robert Matthews bijvoorbeeld in 2002 in The Telegraph. In datzelfde jaar haalde The New Scientist de bewering van hoogleraar Friedemann Freund van de NASA aan dat de aardkorst ‘onbeperkte hoeveelheden’ waterstofgas bevat en dat dat gas zich als de ‘redder’ van de energietransitie zal ontpoppen. Of die voorraden inderdaad ‘onbeperkt’ zijn of dat het hier wensdenken betreft van mensen die in oneindige groei op een eindige planeet geloven, zal de toekomst moeten uitwijzen. Ondertussen kunnen we constateren dat er de afgelopen 20 jaar in elk geval weinig van die ‘witte waterstof’-belofte terecht is gekomen.
Verder tempert het artikel ‘Natural hydrogen in the energy transition: Fundamentals, promise, and enigmas‘ (2024) de verwachtingen door erop te wijzen dat veel van die voorraden zich wellicht op ontoegankelijke plekken bevinden, of te klein blijken te zijn, of van een te lage concentratiegraad om economisch rendabel winbaar te zijn. Daar komt bij dat het overgrote deel van de natuurlijke waterstof in onzuivere vorm voorkomt. Die moet dus eerst van andere gassen gescheiden worden. Doorgaans gebeurt dit bij extreem lage temperaturen middels een energieverslindend proces dat cryogene distillatie heet. Ook merken de auteurs op dat waar burgers met name in Europa te hoop lopen tegen het boren naar schaliegas, ze vanwege de grote explosiegevaren waarschijnlijk ook niet staan te juichen bij het oppompen van waterstof.
Maar de belangrijkste hobbel is dat ook natuurlijke waterstof onderhevig is aan de nukken en grillen die elke vorm van waterstof parten spelen. Waterstof is bijzonder licht ontvlambaar, heeft de neiging om overal uit te ontsnappen en is en blijft het lichtste element in het universum – 8 keer lichter dan aardgas, 14 keer lichter dan zuurstof –, wat betekent dat een kilo waterstof hoe dan ook enorm veel ruimte in beslag neemt. En dus gaan de opslag en het transport ervan met een fors energieverlies gepaard.
Het is niet voor niets dat zo’n 85 procent van alle waterstof wordt geproduceerd op de plek waar ze gebruikt wordt. Wil je de energie-inhoud van één tankwagen met benzine vervangen met waterstof, dan heb je daar zo’n 14 tankwagens voor nodig. Dat wil zeggen, de kosten van 13 extra tankwagens (met tanks die met vloeibare waterstof overweg kunnen), van 13 extra chauffeurs, van 13 keer extra onderhoud, van 13 keer extra brandstof of elektriciteit om die tankwagens op te laten rijden. Liggen de voornaamste voorraden natuurlijke waterstof niet toevallig in of nabij de ‘bewoonde wereld’, dan is het nog de vraag of de kosten tegen de baten opwegen.
Is er een rol weggelegd voor natuurlijke waterstof? Absoluut. Gaat natuurlijke waterstof de energietransitie ‘redden’? Ik heb er een hard hoofd in, maar laat me graag verrassen.
