De Waterstofladder van WattisDuurzaam: Wat ‘mag’ op waterstof?

Paulius Dragunas, via Unsplash Public Domain

‘De energietransitie mislukt zonder waterstof’. Wie dat statement maakt, stijgt in achting van kritische energie-experts. Ik heb daar niets tegenin te brengen. Toch sta ik na enkele goed gelezen blogs opeens bekend als waterstofcriticus. 

Verbruikers vinden is het probleem niet

Begrijp mij niet verkeerd. Waterstof is werkelijk fantastisch spul. Met duurzame waterstof kun je duurzaam rijden, duurzaam verwarmen, duurzaam varen, duurzaam produceren en zelfs duurzaam naar mars vliegen.

Het kan allemaal. Maar duurzame waterstof is net als geld. Alleen als je er ontiegelijk veel van hebt, kun je er alles mee doen. En daar schort het aan. Iedereen die gouden bergen belooft over waterstofauto’s, waterstofketels en industrieel gebruik is stiekem platzak. Niemand heeft beschikking over duurzame waterstof. Niet op enige relevante schaal. Niemand.

Groene en blauwe waterstof tot 2030 uitverkocht

Er zijn talloze routes om emissievrije waterstof te maken maar er is er nog niet een serieuze fabriek operationeel. Mijn inschatting is dat het in Nederland minimaal 10 jaar duurt voordat de productie (dan wel import) van CO2-neutrale waterstof ons huidige grijze waterstofverbruik evenaart. Op wereldschaal zal dat moment niet voor 2040 vallen.

Hand op de waterstofknip

Terwijl de productie van waterstof in transitie is, is het prima vast voor te sorteren op nieuw verbruik. Gezien de giga-ontwikkeling die duurzame waterstof nog moet doormaken past daarbij echter terughoudendheid.

Voor veel concepten die waterstof-promotors aandragen, zijn vandaag al alternatieven beschikbaar. In de jaren die verstrijken totdat CO2-neutrale waterstof in volumes beschikbaar is, staat de ontwikkeling van deze en nieuwe alternatieven natuurlijk niet stil. Het gegeven dat iets met waterstof kan, is daarmee op zich zelf nooit een valide reden om datgene ook met waterstof te doen. Als het ook zonder waterstof kan, is de optie zonder – met de kennis van nu – in de regel de betere optie.


Stap voor stap naar een duurzame waterstofeconomie

Losjes geïnspireerd op de ‘De ladder van Lansink‘ (voor recycling), de Veiligheidsladder en de ‘CO2-prestatieladder‘ presenteer ik de Waterstofladder. In de rest van dit stuk analyseer ik voor verschillende toepassingsgebieden het belang van groene dan wel blauwe waterstof in relatie tot de potentie van bewezen en denkbare alternatieven, waaronder besparing op eindgebruik.

Kalm afdalen op de Waterstofladder

Zolang de beschikbaarheid van duurzame waterstof onzeker is, stel ik voor hoog op de ladder te blijven hangen. Als de productie rond 2030 inderdaad goed op gang is gekomen, dalen we behoedzaam een of enkele treden af.


1. Duurzame productie van kunstmest met waterstof

Zonder kunstmest was de wereldbevolking waarschijnlijk nooit tot 7,5 miljard mensen gegroeid. Dankzij kunstmest ‘eten’ we met zijn allen heel veel waterstof, de belangrijkste grondstof voor ammonia. Ammonia is op zijn beurt de kritieke grondstof voor kunstmest. Een paar procent van het mondiale aardgasgebruik gaat op in de productie van CO2-intensieve (grijze) waterstof voor de kunstmestfabrieken.

Alternatieven voor waterstof in de productie van duurzame kunstmest: Geen.

Het chemische element waterstof is inherent onderdeel van het product. Een alternatief voor kunstmest is natuurlijk echte mest maar veel echte mest betekent automatisch veel klimaatintensieve veehouderij.

Potentie tot besparen: Nauwelijks.

Het verbruik van kunstmest is te beperken door genetische modificatie van gewassen, door effectievere aanwending van kunstmest (precisielandbouw), door minder vlees te eten en door minder voedsel te verspillen. Maar zelfs als we geen gram kunstmest teveel aanbrengen, allemaal vegetarisch zijn en geen snee brood meer weggooien, groeit de wereldbevolking en de gemiddelde welvaart door. Daarmee groeit inherent de behoefte aan kunstmest.

Potentie voor blauwe waterstof: Groot.

De productie van kunstmest is een enorme bestaande markt voor waterstof die blijft bestaan na de energietransitie. Om de waterstofbehoefte van kunstmestproducent Yara in het Zeeuwse Sluiskil te dekken, zijn 6 tot 8 kerncentrales nodig. Die staan er voor 2035 zeker niet. Wachten op voldoende groene waterstof betekent dat de kunstmestsector nog decennialang loeiveel CO2 uitstoot. CO2-opslag is hier een uitstekende maatregel, ook vanwege de sterk geconcentreerde uitstoot bij de ammoniaproductie.


2. Duurzame chemie en productie van plastics met waterstof

Aardolie en aardgas staan aan de basis van verpakkingen, medicijnen, kleding, smeermiddelen, isolatie en de behuizing van je smartphone. Producten gebaseerd op koolwaterstoffen zijn onmisbaar in onze maatschappij. De aan de productie en afvalverbranding gekoppelde CO2-uitstoot moeten we kwijt. In plaats van fossiele grondstoffen zijn plastics ook te maken uit waterstof en (hernieuwbare) koolstof.

Alternatieven voor waterstof in de productie van duurzame plastics en chemie: Beperkt.

Recycling van plastics en smeermiddelen is complex maar goed mogelijk. Biomassa heeft als grondstof voor de chemie het grote voordeel dat het – net als aardolie – zowel koolstof als waterstof bevat. Inzet van biomassa voor producten ligt alleen daarom al meer voor de hand dan biomassa voor energie. In veel toepassingen is plastic zelf ook direct te vervangen door bijvoorbeeld karton, hout, natuurlijk textiel of metaal. CO2-opslag bij de afvalovens is tot slot ook nog een optie om de klimaatimpact van fossiele plastics en andere aardolieproducten in te perken.

Potentie tot besparen: Aanzienlijk.

Niet alle verpakkingen zijn noodzakelijk, niet alle kleding en spullen die we kopen zijn noodzakelijkerwijs aan vervanging toe. Producten met een langere levensduur, die beter geschikt zijn voor hergebruik en/of op andere grond passen in de circulaire economie reduceren de impact van onze consumptie sterk. Ook (of juist) in opkomende economieën.

Potentie voor blauwe waterstof: De moeite waard.

Alle processen in de chemie die nu direct afhankelijk zijn van grijze waterstof kunnen 1 op 1 overschakelen op blauwe waterstof. Voor processen die óók koolstof verbruiken, ligt inzet van biomassa meer voor de hand.


3. Pionieren met duurzame waterstof in alle kleuren van de regenboog

CO2-neutrale waterstofproductie, innovatieve waterstoftoepassingen en integrale energiesystemen met een prominente rol voor waterstof zijn er nog bijna nergens. Welke plek waterstof in de economie van 2050 of 2150 inneemt weet nog niemand. Dat wordt mede bepaald door de pioniers van vandaag. Hulde voor de doeners die tijd en geld investeren in de onderzoek en ontwikkeling, van welke technologie dan ook.

Alternatieven voor waterstof in research & development: Geen.

De enige manier om te bepalen hoe waterstofconcepten zich in de praktijk handhaven, is testen in de praktijk. De ombouw van een Tesla of een veegwagen naar waterstof, de proeven met waterstofwarmte in Hoogeveen en Stad aan het Haringvliet en de totale shift van de Olympische Spelen of zelfs de hele stad Leeds naar waterstof levert onmiskenbaar waardevolle kennis op over de (on)mogelijkheden van waterstof. Daar is geen alternatief voor.

Potentie tot besparen: Irrelevant.

Pilots, proeftuinen en demonstratieprojecten mogen geld kosten en inefficiënt of onpraktisch zijn. Dat hoort erbij.

Potentie voor blauwe waterstof: Beperkt.

Op pilotschaal is alles geoorloofd. Als CO2-afvang en opslag het onderzoeksdoel is, is blauwe waterstof top. Als het onderzoek het verbruik of de distributie van waterstof betreft is grijze waterstof ook geen bezwaar.


4. Duurzame productie van staal met waterstof

IJzererts is in zijn simpelste vorm een verbinding van ijzeratomen en zuurstofatomen. De functie van hoogovens zoals die van Tata Steel in IJmuiden is het laten wegreageren van de zuurstof uit de erts. Dat gebeurt traditioneel met cokes of steenkool (koolstof) waarbij veel CO2 ontstaat. Staal maken kan in theorie ook met waterstof, onder vorming van waterdamp in plaats van CO2. Dit proces is echter nog verre van marktrijp.

Alternatieven voor waterstof in de productie van duurzaam staal: In opkomst.

Staal is volledig recyclebaar. In vlamboogovens op windenergie, waterkracht of kernenergie is zo zonder CO2-uitstoot nieuw staal te maken uit schroot. Een ander alternatief is CO2-opslag bij de reguliere productie van staal uit ijzererts met steenkool. Een variant daarop is het vervangen van steenkool door (sterk voorbewerkte) biomassa. CO2-opslag zou dan resulteren in negatieve emissies.

Potentie tot besparen: Voorlopig niet.

In veel toepassingen is staal te vervangen door bijvoorbeeld hout, koolstofvezels of aluminium. Ook is het gebruik van staal in auto’s of windmolens te beperken door hogesterkte staal toe te passen en het ontwerp te optimaliseren. Ondanks deze kansen tot vervanging of besparing per individueel product zal de absolute vraag naar staal de komende jaren stijgen. Enerzijds door de mondiaal groeiende welvaart, anderzijds juist vanwege de energie- en klimaattransitie.

Potentie voor blauwe waterstof: Beperkt.

Productie van staal met waterstof is nog niet gangbaar. Als er toch CO2 afgevangen en opgeslagen moet worden, ligt het meer voor de hand deze CO2 uit de rookgassen van operationele staalfabrieken op cokes en steenkool af te vangen. Uiteindelijk is er zoveel staal in omloop dat de vraag naar nieuw staal volledig te dekken is uit het aanbod aan schroot. Het is maar zeer de vraag of de productie van staal met waterstof al daarvoor op commerciële schaal toepasbaar is.


5. Duurzaam rond de wereld vliegen en varen met waterstof

Lucht- en scheepvaart tussen de continenten vreet energie. Goedkoop internationaal transport voor goederen, toeristen en klimaatwetenschappers brengt de wereld echter ook heel veel. Waterstof (of synthetische brandstoffen gemaakt uit waterstof) kunnen het intercontinentaal transport van goederen en grondstoffen (waaronder waterstof zelf) en onze snoepreisjes naar verre landen ontdoen van CO2-uitstoot.

Alternatieven voor waterstof in duurzaam intercontinentaal transport: Beperkt.

Het gebruik van zeilen in de scheepvaart kan brandstofverbruik reduceren maar niet vervangen. Gebruik van accu’s scheelt bij de start en landing (dan wel vertrek en binnenkomst in de haven) maar is niet afdoende voor een reis van Amsterdam naar Sydney. Verantwoorde inzet van biobrandstoffen maakt transport CO2-neutraal maar is niet geheel schaalbaar en doet weinig om andere schadelijke emissies (fijnstof, nox, roet) in te perken. Transport per rail of hyperloop tussen continenten is voorlopig verre toekomstmuziek.

Potentie tot besparen: Groot.

Het is bijna onvermijdelijk dat klimaatneutraal transporteren en reizen de eerste decennia prijziger is dan dezelfde kilometers mét CO2-uitstoot. Dat schept kansen voor lokale productie en toeristische trekpleisters dichter bij huis.

Potentie voor blauwe waterstof: Groot.

Wereldhandel en toerisme is mooi, die behoefte verdwijnt niet als het zonder CO2 moet. De switch naar brandstofcellen en blauwe waterstof is voor een goed deel van de internationale luchtvaart en het zeetransport noodzaak.


6. Duurzame backup voor wind- en zonnestroom met waterstof

Windturbines en zonnepanelen zijn de werkpaarden van de transitie. Toch wil je ook op een windstille nacht licht in de badkamer en daarna een volle EV-accu in de ochtend. Daarom staan er ook in 2100 altijd centrales klaar om op afroep elektriciteit te leveren. Ook deze dispatchables moeten medio deze eeuw vrij van CO2-uitstoot zijn. Gascentrales of brandstofcellen op waterstof kunnen leveren als het niet waait of donker is.

Alternatieven voor waterstof in een zekere energievoorziening: Veel.

Vaak waait het maar een paar uurtjes niet. Op die momenten is een accu of een pompcentrale beter geschikt dan waterstof. Als er dagenlang te weinig wind en zon is ,concurreert waterstof met biogas, biomassa en kernenergie. Of met stuwmeren in Scandinavië of de Alpen.

Potentie tot besparen: Groot.

Heel veel elektriciteitsverbruik is flexibel. Een elektrische auto aan de laadpaal hoeft gemiddeld niet binnen een halfuur op te laden, een aluminiumfabriek kan zijn productie prima verschuiven en een gemaal kan goedkoop pompen als het waait zodat de dijk niet direct overstroomt als de wind gaat liggen. En meestal waait het wel een beetje. Als alle windparken die voor 2030 gepland staan op slechts 20% van hun vermogen leveren, produceren ze meer dan alle Nederlandse kolencentrales vandaag samen kunnen leveren.

Potentie voor blauwe waterstof: De moeite waard.

Waterstof als seizoensopslag is een ontzettend duf idee. Het zijn niet de ‘overschotten’ maar de tekorten die we zonder CO2-uitstoot moeten oplossen. Als we tot de conclusie komen dat waterstof nodig is voor energiezekerheid dan vervult blauwe waterstof die rol voorlopig veel goedkoper en dus sneller dan groene waterstof.


7. Duurzame industriële proceswarmte met waterstof

In de proceschemie, de productie van papier, karton, en autobanden maar ook in broodbakkerijen en chipsfabrieken gaat een groot deel van het energieverbruik op aan warmte. Vaak gaat het om bescheiden temperaturen, bijvoorbeeld om papier of patat te drogen. Sommige chemische reacties komen echter pas op gang boven de 600 °C. Vrijwel alle warmte komt in Nederland nu nog uit aardgas. Waterstof is een duurzaam alternatief.

Alternatieven voor waterstof in proceswarmte: Veel.

Ook zonder vlammen is veel warmte beschikbaar: geothermie, concentrated solar power, kernenergie en elektriciteit leveren desgewenst allemaal warmte op hoge temperatuur en/of hoogwaardige stoom. En wie per se fik nodig heeft, kan ook kiezen voor aardgas of kolen met CO2-opslag, of voor direct CO2-neutraal met houtpellets, biogas of metaalpoeder.

Potentie tot besparen: Groot.

Warmte uit aardgas is voor industriële grootverbruikers vooralsnog vrij goedkoop. Veel warmte lekt weg door gebrekkige isolatie van pijpen en reactorvaten. Ook is veel optimalisatie mogelijk in de processen zelf, bijvoorbeeld door direct gebruik van afvalwarmte, toepassing van nieuwe katalysatoren, stoomrecompressie of simpelweg door kortere routes voor warme tussenproducten in de fabriek.

Potentie voor blauwe waterstof: Hand op de knip.

Waterstof lijkt op het aardgas waar de grootverbruikers van warmte aan gewend zijn. In het kader van klimaatbeleid switchen naar waterstof is de weg van de minste weerstand. Dat is met de kennis van nu vaak niet de beste oplossing voor de langere termijn. Reserveren van blauwe waterstof voor de partijen die echt niet zonder kunnen, dwingt de partijen die meer opties hebben tot creativiteit en scherper investeren.


8. Wegtransport, binnenvaart en (land)bouwmaterieel op waterstof

In goederenvervoer, bouw, landbouw en het onderhoud van onze wegen en kustlijn zijn kracht, flexibiliteit en uithoudingsvermogen van groot belang. Een brandstofcel gekoppeld aan een flinke waterstoftank biedt deze toepassingen de autonomie om duurzaam uren achtereen op vol vermogen te werken. Synthetische (vloeibare) brandstoffen gemaakt met waterstof (methanol, ammonia, Fisher-Tropsch Diesel) bieden die mogelijkheid ook.

Alternatieven voor waterstof in duurzaam duurvermogen: Beperkt.

De energie-inhoud van ordinaire diesel is met duurzame alternatieven maar lastig te evenaren. Het kan met bio-brandstoffen maar de productie van biobrandstoffen is lastig schaalbaar. De accutechniek van vandaag kan de rol van diesel nog niet overal overnemen.

Potentie tot besparen: Aanzienlijk.

Net zoals intercontinentaal transport is ook het lokale vervoer gedreven door consumptie. Zonder welvaart in te leveren kan dat best minder. Hetzelfde geldt voor de landbouw; als we minder vlees en zuivel innemen, zijn er direct minder tractoren en melktrucks nodig. Bij gelijkblijvend of groeiend consumptieniveau kan het brandstofverbruik van materieel omlaag met behulp van hybride systemen; accu’s die maken dat motoren zuiniger en stiller kunnen draaien.

Potentie voor blauwe waterstof: Hand op de knip.

De ontwikkeling van accutechniek is de afgelopen 15 jaar hard gegaan en zal de komende 15 jaar ook nog hard gaan. Wat nu nog ondenkbaar is op accu, kan in de toekomst misschien alsnog. Een te snelle switch naar waterstof remt de ontwikkeling van heavy duty toepassingen op accu enerzijds en verlaagt de druk op algemene besparing anderzijds. Blauwe waterstof reserveren voor de partijen die echt niet zonder kunnen, dwingt ook hier tot meer creativiteit daar waar andere opties nu of op middellange termijn wel haalbaar zijn.


9. Treinen, bussen, pakketbezorging en personenauto’s op waterstof

Individuele auto’s, treinen zonder bovenleiding, stads- en regiobussen, bevoorrading van winkels en het thuis afleveren van post en pakketjes zijn vandaag grootverbruikers van fossiele benzine en diesel. Ook in deze toepassingen kan waterstof een emissievrij en duurzaam alternatief zijn. Hetzelfde geldt ook hier voor synthetische (vloeibare) brandstoffen met waterstof als primaire grondstof.

Alternatieven voor waterstof in mobiliteit en distributie: Veel.

Voor het merendeel van de automobilisten en bezorgdiensten is inbouwen van een brandstofcel en optuigen van waterstoftankstations overkill. De accu’s en laadinfrastructuur van vandaag voldoen voor veel forensen vandaag al prima. De ontwikkelingen gaan bovendien zo snel dat ik de gok wel aandurf dat 80% tot 95% van de huidige automobilisten rond 2035 het best af is met een elektrische auto, ook ten opzichte van een diesel of benzinemotor. Ook voor de meeste bussen en een groot deel van de vrachtwagens heeft een accu rond dat jaar de beste papieren. Voor treinen is bovenleiding de standaard en met reden. Voor de railtrajecten waar nu nog geen bovenleiding beschikbaar is, is alsnog realiseren van de bovenleiding vanuit klimaatbeleid bijna altijd de beste oplossing.

Potentie tot besparen: Enorm.

Heel veel autoritjes zijn zo kort dat ook een elektrische auto overkill is. Fietsen, al dan niet ondersteund, is nog veel duurzamer en gezonder dan met een accu in de file staan. Ook de switch naar bus of trein vanuit de individuele auto en/of carpoolen biedt veel besparingkansen. Qua pakketbezorging lopen de gemiste aflevermomenten en retourzendingen de spuigaten uit, dat kan ook makkelijk veel beter.

Potentie voor blauwe waterstof: Niet doen.

In de mobiliteit zijn de alternatieven al zover uitontwikkeld dat gebruik van schaarse opslagruimte voor CO2 hier niet past in verantwoord klimaatbeleid.


10. Verwarmen, douchen en koken op duurzame waterstof

In Nederland zijn we sinds de vondst van de gasbel in Slochteren in sneltreinvaart overgeschakeld op aardgas voor de verwarming van onze huizen, ons tapwater en de pannen op het fornuis. Vanwege klimaatverandering en de bevingen in Groningen komt de tijd van zorgeloos aardgasverbruik ten einde. Waterstof zou aardgas bijna 1 op 1 kunnen vervangen, gebruikmakend van de bestaande gasinfrastructuur.

Alternatieven voor waterstof in lagetemperatuurwarmte: Veel.

Het op 18 tot 21 °C houden van woonkamers, kantoren en klaslokalen kan op ontzettend veel manieren. Wereldwijd doet iedereen het anders. In Finland en Canada hebben ze veel hout en verwarmen ze met hout. In IJsland en delen van China en de Verenigde staten is de bodem warm en verwarmen ze met geothermie. In Frankrijk is de stroom goedkoop en verwarmen ze elektrisch. In Nederland vonden we een gasbel. Daarom verwarmen we op gas. Nu het fossiele gas uit de gratie is, kunnen we kiezen uit talloze bewezen opties om onze huizen duurzaam warm te houden.

Potentie tot besparen: Enorm.

Vanwege de beschikbaarheid van veel goedkoop gas heeft isolatie in de Nederlandse woningbouw lang geen prioriteit gehad. Het resultaat daarvan is dat best veel Nederlanders in een veredeld bushokje wonen, met enkelglas, tochtgaten en koudebruggen in alle hoeken en kieren. Zonder hysterisch te doen zijn daarin grote verbeterslagen mogelijk. Iets korter douchen helpt daarin natuurlijk ook.

Potentie voor blauwe waterstof: Niet doen.

In de gebouwde omgeving zijn de alternatieven al zover uitontwikkeld dat gebruik van schaarse opslagruimte voor CO2 hier niet past in verantwoord klimaatbeleid.


Waterstof niet gebruiken om luchtballonnen op te blazen

Waterstof die niet bestaat verlamt de energietransitie

Het frustreert dat voor de toepassingen die in de waterstofhype alle aandacht krijgen, juist uitstekende alternatieven mogelijk zijn. Ketel- en autoverkopers houden consumenten een worst voor die stiekem niet bestaat en misschien wel nooit gebakken wordt.

Zoals aangehaald in de introductie is waterstof is fantastisch spul. Spul waar niet alleen fantastisch veel mee kan maar waar ook ontzettend veel mee moet. De totale economie moet binnen enkele decennia CO2-neutraal zijn. Voor grote delen van de wereldeconomie lukt dat niet zonder duurzame waterstof. Verjubel dus geen groene waterstof die nog niet bestaat.

ImageCredit: Paulius Dragunas, via Unsplash Public Domain

Dit vind je misschien ook leuk...