Over waterstof

Welke toepassingen kent waterstof?

Aan waterstof wordt een belangrijke rol toegedicht in de energietransitie van vandaag en morgen. Om de opwarming van de aarde ten gevolge van het uitstoten van broeikasgassen een halt toe te roepen, moet er gezocht worden naar een koolstofneutraal energiesysteem. Het drastisch opvoeren van de beschikbaarheid van hernieuwbare energie en het streven naar elektrificatie van toepassingen om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffel te verminderen, zijn hier sleutelonderdelen van.

Maar ook in de energievoorziening van de toekomst is er een cruciale rol weggelegd voor moleculen. Niet alles zal rechtstreeks elektrisch of via batterijen aangedreven kunnen worden. Waterstof biedt een excellente basis om in pure of afgeleide vorm de moleculaire energievraag diepgaand te decarboniseren, in het bijzonder binnen sectoren waar alternatieven niet of nauwelijks voorhanden zijn. Waterstof laat ook transport en opslag van energie op onevenaarbare schaal toe.

Gebruik van groene (of blauwe) waterstof in bestaande industriële processen

Vandaag is er binnen de industrie ((petro)-chemie, voeding, staal, elektronica,…) een wereldwijde vraag van ongeveer 70 miljoen ton naar waterstof als grondstof. In Vlaanderen gaat het om vele honderden kilotonnen. Zoals gezegd, wordt de benodigde waterstof vandaag nog quasi volledig op fossiele basis gemaakt. In principe kan deze waterstofvraag duurzaam gemaakt worden via blauwe en in de toekomst volledig groene waterstof. Dit is een prioritaire uitdaging, aangezien er geen alternatieven voor deze industriële processen bestaan.

Nieuwe toepassingsmogelijkheden

Naast de verduurzaming van de bestaande waterstofvraag, kan er ook naar nieuwe toepassingsmogelijkheden gekeken worden voor waterstof binnen industriële processen. Zo kan in de staalindustrie een gedeeltelijke vervanging van cokes in hoogovenproces uitgevoerd worden door groene waterstof of zelfs gekeken worden naar een compleet nieuw productieproces van directe reductie van (“Direct Reduction Iron core”).

Waterstof ligt ook aan de basis van zogenaamde synthetische brandstoffen. Die worden gemaakt in een e-fuel fabriek waar (groene) waterstof en CO₂ samengevoegd worden. Bij verbranding zijn deze brandstoffen CO₂ neutraal. Er wordt voornamelijk naar synthetische brandstoffen gekeken voor de aandrijving van zeer zware toepassingen zoals schepen en vliegtuigen.

Nog binnen de industrie kan waterstof ook een rol spelen bij hoge temperatuur warmtevragen. Waterstof kan de rol overnemen van aardgas voor deze warmtevragen, maar met het voordeel dat er bij verbranding geen CO2 vrijkomt. Hoogwaardige warmte (warmte op hoge druk en temperatuur) is moeilijker te elektrificeren dan laagwaardige warmte.

Bekijk onze 'industrie'-projecten.

De meeste aandacht voor waterstof als duurzame energiedrager gaat naar het gebruik daarvan in transport.

Een belangrijke reden hiervoor is dat verduurzaming van transport een belangrijke rol speelt in het verbeteren van de luchtkwaliteit en actief gepromoot wordt door bedrijven en overheden. De nadruk hierin ligt op batterij-elektrische aandrijvingen, maar er is een toenemende belangstelling voor aandrijflijnen waarin niet alleen batterijen, maar ook waterstof gevoede brandstofcellen een rol spelen. Deze zijn complementair aan batterij-elektrische aandrijvingen en voor bepaalde transportmiddelen (heavy-duty) is het de meest aangewezen optie.

Branstofcel

Zowat elk denkbaar gemotoriseerd transportmiddel kan in theorie aangedreven worden op waterstof. Dat gebeurt meestal door de combinatie van een brandstofcel en een elektromotor. Een brandstofcel (fuel cell) is een apparaat dat elektriciteit opwekt door middel van een elektrochemische reactie. In zekere zin doet het de omgekeerde beweging van een electrolyser: het zet waterstof om in elektriciteit door middel van zuurstof uit de omgevingslucht. Het enige restproduct is water.

Het gaat bijna altijd om waterstof is gasvorm en onder druk. Bij personenwagens wordt met een druk van 700 bar gewerkt, terwijl logistieke toestellen, bussen en vrachtwagens op 350 bar tanken. Kleinere transportmiddelen met beperkte eisen aan actieradius, zullen in de toekomst hoofdzakelijk batterij-elektrisch zijn, terwijl zwaardere transportmiddelen met een grote actieradius (en energie)behoefte zich meer lenen voor op waterstof gebaseerde oplossingen.

Vrachtwagens

Icoon_truck.png

In het bijzonder op vlak van vrachtvervoer ligt er een groot potentieel voor waterstof. Batterij-elektrische oplossingen schieten hier tekort en er zijn geen andere zero-emissie alternatieven. Enkele tientallen modellen van bekende merken zijn in ontwikkeling, voornamelijk in de Verenigde Staten en Europa. De range van deze prototypes schommelt rond de 400 kilometer en de tonnages gaan van 27 tot 60 ton. Momenteel worden de eerste demonstraties uitgevoerd, ook in onze regio. Commercialisatie van de voertuigen wordt verwacht vanaf 2023.

Auto's

Icoon_wagen.png

Personenwagens op waterstof staan verder in hun technologische ontwikkeling dan waterstofvrachtwagens, maar de batterijtechnologie is meer volwassen en betaalbaar. Dat maakt waterstofwagens beperkter in aanbod en duurder qua aanschafprijs. Ze onderscheiden zich echter wel door hun grotere range (600 – 800 km) en snelle tanktijd (enkele minuten). Op korte termijn zien we vooral aan rol weggelegd voor vloten die gebaat zijn met veelvuldige inzet en korte tanktijden, zoals taxivloten. Ook bestelwagens op waterstof bieden potentieel om meer zero-emissie range te bieden aan distributieactiviteiten, maar vergen nog verdere ontwikkeling.

Heftrucks

Icoon_heftruck.png

Een bijzondere nichevloot vormen logistieke toepassingen op waterstof, zoals heftrucks, orderpickers of stapelaars. Ook hier is elektrificatie de norm, maar het vervangen van batterijpakketten door fuel cells kan leiden tot een hogere inzetbaarheid van de logistieke vloot omwille van de korte tanktijden. In de Verenigde Staten rijden reeds 30.000 brandstofcelheftrucks rond. Voor zwaarder logistiek materiaal, zoals zware heftrucks of havenwerktuigen, ligt elektrificatie moeilijker en wordt uitgekeken naar waterstof. De eerste prototypes werden ontwikkeld en worden momenteel gedemonstreerd.

Treinen, vliegtuigen en schepen
Icoon_boot.png

Voor zeer zware transportmodi zoals treinen, vliegtuigen en schepen kan waterstof rechtstreeks of in afgeleide vorm een rol spelen. Waterstoftreinen kunnen dieseltreinen vervangen op lijnen die niet geëlektrificeerd zijn. De eerste exemplaren rijden in Duitsland en worden ook in Nederland getest. Op vlak van schepen en vliegtuigen zijn er vandaag nog geen prototypes die worden aangedreven door fuel cells en gasvormig waterstof onder druk. Het is moeilijk voldoende energie aan boord te krijgen met waterstof in gasvorm. We verwachten dat vloeibare synthetische brandstoffen – met groene waterstof aan de basis – een rol zullen spelen in de toekomst in combinatie met verbrandingsmotoren.

Bekijk hier voor de projecten van WaterstofNet in verband met transport

Infrastructuur

Icoon_waterstoftank.png

Voertuigen op waterstof behoeven tankinfrastructuur om te kunnen tanken. Een waterstoftankstation is een samenbouwinstallatie, waarbij waterstof onder druk wordt aangeleverd op het station of ter plaatse wordt geproduceerd, vervolgens op een (hogere) druk wordt gebracht en tenslotte wordt afgeleverd op een druk van 350 bar of 700 bar. Globaal bestaat een waterstofinstallatie uit een compressor, een bufferopslag, een koeler en de tankzuil. Indien waterstof ter plaatse wordt gemaakt, is er ook een elektrolyse-installatie aanwezig.

De kostprijs is afhankelijk van de capaciteit van het tankstation (hoeveel waterstof het kan bevatten). Een klein tankstation kost al snel ruim 1 miljoen euro. Een elektrolyse-installatie verdubbelt deze kostprijs nog eens. Mede omwille van de dure investeringskost en de huidige beperkte afzetmogelijkheden, zitten we in een kip-en-ei-verhaal vervat wat betreft waterstoftankstations en waterstofvoertuigen.

Actueel zijn er in Vlaanderen en Nederland een 8-tal publieke tankstations voor personenauto’s op waterstof in bedrijf (een ge-update kaart vindt u hier). In de regio Nederland – Vlaanderen wordt voor heel wat (een 50-tal) locaties gezocht naar de mogelijkheden van waterstoftankstations. Belangrijk hierbij is dat er voor 20 waterstoftankstations (3 in Vlaanderen en 17 in Nederland) al subsidie toegekend is vanuit Europa, zodat verwacht mag worden dat deze de komende jaren gerealiseerd gaan worden. Hopelijk kan dit, samen met een grotere beschikbaarheid van waterstofvoertuigen, het kip-en-ei-verhaal doorbreken.

Bekijk hier de projecten van WaterstofNet i.v.m. waterstofinfrastructuur

Waterstof is uitermate geschikt om grote hoeveelheden energie voor langere tijd op te slaan. Hiervoor zijn twee randvoorwaarden nodig, namelijk een grote geïnstalleerde elektrolyse-capaciteit die overschotten van wind – en zonne-energie omzet naar waterstof die vervolgens ondergronds opgeslagen wordt. Gezien de huidige kostprijs van elektrolyse, is dit pas aan de orde als de technologie significant goedkoper zal worden.

Voor die grootschalige opslag worden er momenteel op verschillende plaatsen ter wereld de mogelijkheden van ondergrondse zoutmijnen onderzocht. In Nederland is er HyStock-project dat waterstof van een 1MW elektrolyser opslaat in het gasveld Zuidwending in de omgeving van Groningen. In Vlaanderen zijn er echter geen natuurlijke opslagplaatsen voor waterstof beschikbaar. Het bestaande aardgaspijpleidingnetwerk kan in de toekomst tot op zekere hoogte wel als opslagplaats fungeren.

De nood aan opslag onder de vorm van waterstof wordt relatief bekeken tot het aandeel variabel hernieuwbaar in de totale elektriciteitsproductie. Een exponentiële stijging in vraag naar lange termijnsopslag wordt voorzien vanaf 60 tot 70% variabel hernieuwbaar. Dit punt zouden we in België pas bereiken rond 2040. Wat betreft de re-elektrificatie van het opgeslagen waterstof, kunnen bestaande gascentrales omgebouwd worden zodat ze op waterstof kunnen draaien of op een (vast) mengsel/combinatie van beide.

In Vlaanderen en Nederland is aardgas verreweg de belangrijkste bron van warmte voor huishoudens en industrie. Alternatieven voor het verduurzamen van de warmtevraag zijn voorhanden: warmtepompen, diepe geothermie, biomassa en biogas gestookte WKK’s, warmtenetten, zonneboilers,  … maar vinden maar met mondjesmaat ingang. Ook waterstof kan een rol spelen bij de verduurzaming van de warmtevragen.

Bijmenging aardgasnet

Zo kan allereerst gedacht worden aan waterstof bijmenging in het bestaande aardgasnetwerk. Dit kan tot een zeker percentage zonder al te veel technische aanpassingen, zowel aan het net als bij de eindgebruiker. Waterstof bijmenging kan tezamen met biomethaan bijdragen aan het verduurzamen van de warmtevraag op basis van bestaande infrastructuur.

Methaan

Daarnaast is er de mogelijkheid om van waterstof methaan te maken, met gelijke chemische eigenschappen als aardgas. Dit proces is kostelijk en economisch moeilijk rendabel: de investeringskosten worden bepaald door de elektriciteitsprijs, de aardgasprijs en de CO2 kosten. Het voordeel is dat er geen limiet is aan de hoeveelheden die kunnen worden geïnjecteerd en technische aanpassingen aan de infrastructuur en bij de eindgebruiker minimaal zijn.

Verbandingsboiler/WKK

Op termijn zou het bestaande aardgasnetwerk volledig kunnen omgebouwd worden (evenals gebruikersapplicaties) om integraal op waterstof te draaien. Ook nieuwe waterstofnetten kunnen met ditzelfde doel aangelegd worden. Er worden vandaag de dag alleszins uitvoerig waterstoftoepassingen getest, zoals WKK’s op waterstof, verbrandingsboilers met directe verbranding van waterstof, katalytische boilers en gasgestookte warmtepompen. Grondig studiewerk is nodig om de precieze bijdrage van waterstof aan de verduurzaming van warmtevragen te bepalen, maar vanuit technisch oogpunt is er alvast veel potentieel.

Bekijk hier de projecten van WaterstofNet rond waterstof in de gebouwde omgeving.