Als het gaat over duurzame energie, noemt vroeg of laat altijd iemand waterstof. Dit kleine molecuul zal over de hele wereld een grote rol gaan spelen in onze energievoorziening, is al jarenlang de belofte. We kunnen er overtollige duurzame elektriciteit mee opslaan, auto’s mee laten rijden en huizen verwarmen. Maar hoe ver zijn we daar nou echt mee?

Eigenlijk maken we al aardig wat waterstof, maar dan vooral in de chemische industrie, vertelt hoogleraar future energy systems Ad van Wijk van de TU Delft. ‘De chemische bedrijven maken het uit aardgas en water met stoomreforming. Daarbij komt ook veel CO2 vrij.’ Je kunt dit proces duurzamer maken door tegelijkertijd CO2 af te vangen en op te slaan in lege gasvelden. Dit noemen we ‘blauwe waterstof’.

Maar de echt duurzame waterstof maak je met duurzame elektriciteit uit water. Van Wijk: ‘Daar liggen kansen, want de hoeveelheid energie uit wind en zon neemt enorm toe, en dat kunnen we niet kwijt in ons energienet. Dus we moeten wel omzetten naar waterstof.’

Basische oplossing

Maar hoe krijg je dat precies voor elkaar? Want elektrolyse klinkt misschien simpel, maar er zijn verschillende manieren om het water te splitsen. Een bekende manier is de zogenaamde alkali-technologie, waarbij je twee elektrodes in een basische oplossing plaatst. ‘Alkali lijkt het meest geschikt om op grote schaal toe te passen’, stelt Thijs de Groot, universitair docent aan de TU Eindhoven en innovatietechnoloog bij Nouryon. ‘We hebben al veel ervaring met deze techniek, we gebruiken iets vergelijkbaars om chloor te produceren.’

Alleen zijn er nog een aantal hobbels op de weg. ‘Voor alkaline heb je grote apparaten nodig, waarmee je relatief weinig waterstof maakt’, legt De Groot uit. ‘Dat komt onder andere door de hoge weerstanden in het systeem. Dus wij kijken naar verbeterpunten zoals nieuwe membranen, een ander celontwerp of alternatieve elektroden. We willen de productiviteit graag verder verhogen, ongeveer tot het niveau van de PEM-technologie.’ PEM staat voor Proton Exchange Membrane, de andere belangrijke techniek in de waterstofwereld. In een PEM-cel gebruik je een vast polymeermembraan die zorgt voor de verplaatsing van de protonen en het scheiden van je producten.

In Nederland doet onder andere ECN.TNO onderzoek naar de mogelijkheden van dit type elektrolyse. ‘PEM is compacter en flexibeler dan alkali’, meent Lennart van der Burg, business developer groene waterstof bij ECN.TNO. ‘Als de aanvoer van stroom fluctueert, vang je dat met PEM beter op.’

‘Je moet het inzetten waar het echt toegevoegde waarde heeft’

Maar ook op de PEM-technologie valt nog van alles aan te merken. ‘Voor PEM heb je een platina elektrode nodig, een schaars en vrij duur materiaal’, zegt Van der Burg. ‘Daar willen we graag een alternatief voor. Ook zie je nog nauwelijks bedrijven die PEM-installaties voor grote schaal verkopen. Die markt is dus nog niet echt aanwezig.’ Daarom probeert TNO startups en bedrijven te helpen met hun ontwikkelingen. ‘We kijken niet alleen naar de producenten van de hele cel, maar ook naar bedrijven die onderdelen van de cel kunnen leveren. We moeten de hele keten verbeteren en opschalen om echt resultaat te krijgen.’

Vanuit universitaire onderzoeksgroepen en onderzoeksinstellingen komen veel suggesties voor betere en efficiëntere elektroden en membranen voor beide technieken. Met de nieuwe Hydrohub, een megawatt-testcentrum die bij de Hanzehogeschool Groningen komt te staan, gaan onder andere Nouryon en ECN.TNO de potentie van deze materialen testen. ‘Dit centrum heeft al bijna een industriële schaal, dus we zien goed hoe die nieuwe membranen of elektroden op grote schaal werken’, zegt De Groot. ‘We hopen de bevindingen over vijf tot tien jaar te kunnen implementeren in nieuwe fabrieken.’ De Hydrohub is gekoppeld aan het Faraday Waterstofab van ECN.TNO in Petten. Van der Burg: ‘We onderwerpen de materialen daar aan extremere condities, zodat we zien hoe lang ze meegaan.’

Licht en lucht

Waar de alkaline en PEM-technieken vooral handig zijn om op grote schaal waterstof te produceren, pakken onderzoekers van de KU Leuven het iets kleinschaliger aan. In het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse ontwikkelde hoogleraar Johan Martens een zonnecel die waterstof produceert. ‘We maken gebruik van licht en water uit de lucht’, legt Martens uit. ‘Dit water leiden we langs een elektrokatalysator die gebruik maakt van zonne-energie.’ De katalysator splitst het water, en kleine leidingen voeren de waterstof en zuurstof af naar een opslagtank.

De hele installatie is dun en kun je gemakkelijk installeren zoals een zonnepaneel. Heel handig voor plekken waar water niet altijd voorradig is, maar de zon volop schijnt. Met de techniek weten de onderzoekers in België gemiddeld 250 l waterstof per paneel per dag te produceren. ‘Niet genoeg om een heel land draaiende te houden’, geeft Martens toe. ‘Maar voor bijvoorbeeld de landbouw zie ik wel mogelijkheden.’ Volgens de hoogleraar hebben boeren nu nog niet veel aan zonnepanelen, omdat ze in de zomer niet veel energie gebruiken. ‘De meeste energie gebruiken ze in de herfst, tijdens de oogst. Het zou mooi zijn als ze die energie kunnen halen uit waterstof die ze in de zomer produceren.’

‘De vraag is altijd hoe je het op de plek krijgt waar je het wil gebruiken’

 

Op dit moment werken de Vlaamse onderzoekers nog hard aan het verbeteren van hun techniek. ‘We zetten nu ongeveer 15 % van de zonne-energie om in waterstof. Dat willen we graag nog wat verbeteren.’ Ook moeten de kosten nog omlaag, maar dat verwacht Martens voor elkaar te krijgen door de productie op te schroeven. ‘We praten nu met verschillende partijen over commerciële productie’, vertelt de hoog­leraar. ‘Zo gaan we in een demonstratieproject onze waterstofpanelen op een paar huizenblokken leggen, om te kijken of het voor huishoudens interessant kan zijn.’ Toch benadrukt de hoogleraar dat zijn vinding vooral op kleine schaal winst kan opleveren: ‘Ik ben blij dat ik mijn steentje bij kan dragen, maar als we een echte waterstofeconomie willen, hebben we heel veel waterstofpanelen en heel veel grote elektrolyse-installaties nodigStroom bij de bron omzetten

Of je het waterstof nou op grote of kleine schaal produceert, de vraag blijft hoe je het op de plek krijgt waar je het wil gebruiken. Dat is volgens Van Wijk geen enkel probleem: ‘Onze aardgasleidingen zijn met een kleine aanpassing ook geschikt voor waterstof. Je hebt alleen andere compressoren nodig.’ Gasunie wil dan ook voor 2030 aardgasleidingen in heel Nederland ombouwen. De eerste waterstofleiding van 12 km is zelfs al in gebruik in Zeeland, waarmee DOW hun overtollige waterstof naar YARA transporteert.

Als het aan Van Wijk ligt, vervangen we de grote elektriciteitskabels die nu van de windparken op zee naar land lopen ook door dit soort leidingen. ‘Het is veel efficiënter om de elektriciteit bij de bron meteen om te zetten naar waterstof’, aldus de hoogleraar. Dit vergt wel flinke investeringen van bedrijven die de windmolenparken laten bouwen, want de technieken die we nu hebben zijn nog niet op die manier gebruikt. Maar op termijn ziet Van Wijk veel kansen, ook financieel: ‘Er liggen al veel leidingen in de zee die je kunt hergebruiken. En transport van elektriciteit door een kabel kost al snel tien keer zo veel als waterstof door een pijplijn.’

Zo’n infrastructuur van waterstofleidingen maakt ook veel extra toepassingen mogelijk. Door het hele land waterstof tanken of je huis verwarmen met waterstof lijkt dan geen probleem meer. ‘Waterstof is vooral interessant voor zwaar vervoer, vanwege de hoge energiewaarde. In Zwitserland hebben ze al duizend waterstofvrachtwagens besteld, en ook voor boten is het interessant. En wat betreft onze huizen verwarmen met waterstof, die technologie bestaat al lang. Vroeger gebruikten we stadsgas, dat bevat meer dan 50 % waterstof.’

Langzaam maar gestaag

Toch zien anderen het nog niet zo snel gaan. ‘Al die extra toepassingen zorgen ervoor dat de ontwikkelingen sneller gaan en er meer interesse komt voor waterstof’, zegt Van der Burg. ‘Mooie initiatieven, maar de efficiëntie voor het verwarmen van je huis is niet zo hoog als bijvoorbeeld een warmtepomp. We hebben nu nog lang niet genoeg groene waterstof en het is een hoogwaardig product. Je moet het gebruiken waar het echt toegevoegde waarde heeft: de chemische industrie.’

‘We moeten de hele keten verbeteren en opschalen om echt resultaat te krijgen’

Die terughoudendheid komt ook door de kosten. ‘De prijs voor duurzame energie daalt steeds verder naarmate het aanbod groeit, maar we wekken ook veel energie op in afgelegen gebieden. En de technologie die we moeten gebruiken bestaat inderdaad al wel, maar hij kan nog kostenefficiënter’, vertelt De Groot. Daar is Van Wijk het wel mee eens: ‘De technieken bestaan grotendeels, maar alles ombouwen kost veel geld en coördinatie. Ook de wetten zijn niet zomaar veranderd, want de politiek is nog niet zo bekend met waterstof. Daarom lijkt het mij goed om breed in te zetten op zowel groene als blauwe waterstof.’

Al met al zijn er technisch voldoende mogelijkheden, maar laat de echte waterstofrevolutie nog op zich wachten. ‘Ik zie het niet als een revolutie, maar meer als een evolutie’, zegt Martens. ‘Langzaam maar gestaag gaat waterstof een steeds grotere rol spelen.’ Ook Van Wijk is realistisch: ‘Ik ben een optimist, maar het gaat echt nog wel even duren. We staan dus echt nog maar aan het begin van de veranderingsgolf.’

---

Opslaan in cavernes

Mocht het ooit zo ver komen dat we meer waterstof produceren dan we gebruiken, waar moeten we het dan laten? ‘In lege zoutcavernes’, stelt Van Wijk. ‘Dat doen ze in het Verenigd Koninkrijk al sinds 1972.’ De Gasunie kijkt voor de lange termijn ook naar de mogelijkheden van de zoutcavernes in Nederland. In één zo’n caverne kun je potentieel ontzettend veel waterstof kwijt. ‘Evenveel energie als in twee miljoen Tesla-batterijen’, vertelt de Groot. ‘De opgeslagen waterstof kun je gebruiken voor de chemische industrie, maar ook om weer elektriciteit te produceren, bijvoorbeeld om pieken op te vangen.’