Hoe waterstofenergie wordt gebruikt bij de productie van elektriciteit

De elektriciteitsopwekking met waterstof vindt voornamelijk plaats door twee methoden: brandstofcellen en verbrandingsturbines die zijn aangepast voor het gebruik van waterstof. De brandstofceltechnologie werkt door elektriciteit te produceren door middel van elektrochemische processen, en wanneer deze worden gecombineerd met warmteherstelsystemen, kunnen deze efficiëntiecijfers rond 60% bereiken. Veel bestaande verbrandingsturbines die oorspronkelijk voor aardgasbedrijven zijn gebouwd, kunnen nu waterstofmengsels of zelfs zuivere waterstof verwerken, waardoor netbeheerders de broodnodige flexibiliteit hebben om een stabiele stroomvoorziening te behouden. Groene waterstofproductie bestaat uit het splitsen van watermoleculen met behulp van hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie door middel van een proces dat elektrolyse wordt genoemd. Deze groene waterstof wordt opgeslagen tot er een daling is in de beschikbaarheid van hernieuwbare energie, waarop het kan worden omgezet in elektriciteit. Neem bijvoorbeeld Duitsland, waar al verschillende offshore windinstallaties groene waterstof produceren. Deze projecten hebben in bepaalde proefgebieden de afhankelijkheid van kolencentrales met ongeveer 40% kunnen verminderen, hoewel de resultaten afhankelijk van de lokale omstandigheden en de specifieke kenmerken van de uitvoering variëren.

Integratie van Waterstof in Bestaande Elektriciteitsnetten

Waterstof draagt bij aan schonere elektriciteitsnetten en zorgt tegelijkertijd voor stabiliteit. Wanneer er overtollige hernieuwbare energie beschikbaar is, slaat waterstof deze op en geeft deze terug wanneer de vraag piekt. Neem Denemarken als voorbeeld: hun proefprojecten hebben aangetoond dat het opslaan van waterstof in zoutkoepels het verspillen van energie jaarlijks met tussen de 15 en wellicht zelfs 20 procent vermindert. We zien steeds vaker dergelijke hybride opstellingen opduiken, waar zonneparken samenwerken met elektrolyse-apparatuur. Om alles soepel te laten verlopen, is echter een zeer geavanceerd energiebeheer nodig, aangezien de energiestroom in beide richtingen door het systeem loopt. Kijk naar wat Californië doet met hun Renewable Hydrogen Backbone-project: zij gebruiken waterstof om het net stabiel te houden tijdens de hevige hittegolven die de laatste tijd de normale werking ernstig verstoren.

Casusstudie: Door Waterstof Aangedreven Installaties in Duitsland en Japan

Het Energiepark Mainz in Duitsland combineert een 6 megawatt elektrolyseur met windenergiebronnen om jaarlijks ongeveer 200 ton waterstof te produceren. Deze installatie kan bij stroomuitval via haar 1,4 MW brandstofcelinstallatie elektriciteit leveren aan ongeveer 2.000 huishoudens. Aan de andere kant van de Stille Oceaan heeft Japan iets nog groters ontwikkeld, genaamd het Fukushima Hydrogen Energy Research Field, of FH2R voor vrienden. Met een capaciteit van 10 MW is dit de grootste groene waterstofinstallatie ter wereld. Het levert niet alleen stroom aan delen van Tokio, maar onderzoekers gebruiken het ook om experimenten uit te voeren met het overzee vervoeren van waterstof. Wat deze projecten onderscheidt, is hun indrukwekkende efficiëntie van ongeveer 95%. Ze behalen deze hoge prestaties doordat ze de hoeveelheid geproduceerde waterstof aanpassen op basis van de daadwerkelijke behoefte van het elektriciteitsnet op elk moment.

Uitdagingen bij het opschalen van waterstof voor basislastvermogen

Drie belangrijke belemmeringen beperken de rol van waterstof in basislastvermogen:

• Kosten : Elektrolyseerkapitaalkosten blijven ongeveer drie keer hoger dan die van aardgasturbines.
• Rendementsverliezen : Het tweerichtingsproces van elektriciteit omzetten naar waterstof en weer terug leidt tot een energieverlies van 30–35%.
• Infrastructuur : Minder dan 15% van de wereldwijde gasleidingen kan veilig waterstofmengsels boven 20% vervoeren.

Een sectoroverzicht uit 2021 wees op de duurzaamheid van brandstofcellen en het verbrokkelen van leidingen als belangrijke onderzoeks- en ontwikkelingsprioriteiten, met naar schatting 1,2 biljoen dollar aan infrastructuurmodernisering nodig tegen 2040. Hoewel waterstof een aanvulling is op hernieuwbare energie, ontbreekt er momenteel kostenpariteit voor wijdverbreide basislasttoepassingen.

Waterstof voor verwarming: decarbonisatie van industriële en residentiële systemen

De rol van waterstofenergie bij de decarbonisatie van verwarmingssystemen

Volgens gegevens van het IEA uit vorig jaar komt ongeveer 40 procent van alle CO2-uitstoot door energieverbruik wereldwijd van verwarming, wat veel experts ertoe brengt om waterstof als een echte gamechanger te zien voor de vervanging van fossiele brandstoffen in zowel industriële ovens als huishoudelijke ketels. Het feit dat waterstof brandt bij temperaturen tot bijna 2800 graden Celsius, maakt het bijzonder geschikt voor zware industrieën zoals staalproductie. Enkele tests met micro-warmtekrachtkoppelingsystemen op waterstofbrandcellen lieten ook indrukwekkende resultaten zien, met een rendement van ongeveer 90 procent wanneer gebruikt voor stadsverwarmingnetwerken. Interessant is dat waterstof in ongeveer 20 procent van de huidige gasleidingen vrij goed werkt zonder aanpassingen aan de infrastructuur, wat de snelheid waarmee deze technologie in verschillende sectoren wordt overgenomen, aanzienlijk kan versnellen.

Het mengen van waterstof met aardgas in leidingen

Het mengen van waterstof in bestaande gasnetwerken biedt een overgangsoplossing:

Europese proeven tonen aan dat mengsels van 20% jaarlijks 6 miljoen ton emissies kunnen verminderen terwijl de veilige werking behouden blijft. Vanwege de lagere volumetrische energiedichtheid van waterstof, moeten debieten bij hogere mengniveaus met 15–25% toenemen.

Pilotprojecten in het Verenigd Koninkrijk en Nederland waarbij waterstof wordt gebruikt voor verwarming van woningen

Het HyDeploy-programma in het Verenigd Koninkrijk is erin geslaagd om waterstof te mengen in de gastoepassing voor ongeveer 300 huishoudens met een aandeel van ongeveer 20%, en de meeste mensen leken hier tevreden mee – ongeveer 8 van de 10 deelnemers gaven aan tevreden te zijn. In Nederland werd het nog interessanter met het H2Stad-experiment, waarbij 1.500 huishoudens volledig werden overgeschakeld op waterstofgestookte boilers. De resultaten waren ook indrukwekkend, aangezien hiermee de emissies door verwarming met bijna 90% werden verlaagd in vergelijking met reguliere aardgassystemen. Hoewel deze testprojecten aantonen dat waterstof op grotere schaal kan werken, zijn er wel enkele zorgen die de moeite waard zijn om te noemen. Tests op materialen geven aan dat als leidingen continu volledig met waterstof worden bediend, hun nuttige levensduur mogelijk tussen de 12% en 18% kan afnemen. Geen geweldig nieuws, maar nog steeds beheersbaar met goede planning.

Efficiëntie- en veiligheidszorgen bij verwarming op basis van waterstof

Waterstofketels werken met een rendement van ongeveer 85 tot 90 procent, wat eigenlijk iets lager is dan wat we zien bij aardgas, namelijk ongeveer 94%. Het bijzondere aan waterstof is dat het veel gemakkelijker ontbrandt, omdat het slechts 0,02 mJ nodig heeft vergeleken met 0,3 mJ voor methaan. Dit betekent dat we zeer goede lekdetectiesystemen nodig hebben die zelfs heel kleine hoeveelheden kunnen opsporen, misschien al vanaf een concentratie van 1%. Volgens recente studies van DNV uit 2023 dringt waterstof ongeveer 30 keer sneller door polyethyleenbuizen heen dan regulier gas. Vanwege dit probleem zullen de meeste oudere leidingnetwerken waarschijnlijk op termijn speciale composietvoeringen moeten krijgen. En ook goede ventilatie mag niet worden vergeten. Wanneer gebouwen correct worden gerenoveerd, kan deze eenvoudige maatregel alleen al de explosiegevaar met bijna 92% verminderen.

Waterstof in vervoer: van brandstofcellen tot luchtvaart

Voertuigen met waterstofbrandstofcel als schone alternatief voor transport

Brandstofcel-elektrische voertuigen werken door energie te produceren via chemische reacties binnen de cel, en stoten vrijwel uitsluitend waterdamp uit als uitlaatgassen. Het grote voordeel is dat het tanken minder dan vijf minuten duurt, en deze auto's kunnen ruim 500 kilometer rijden voordat ze opnieuw gevuld moeten worden. Voor toepassingen zoals langeafstands vrachtwagens en containerschepen zijn ze daarmee beter dan reguliere batterijen, omdat ze meer energie in kleinere ruimtes kunnen opslaan zonder al te veel laadruimte op te offeren. Bedrijven als Toyota en Hyundai investeren onlangs steeds meer in waterstoftechnologie voor hun grotere transportbehoeften.

Invoering van waterstofbussen en -vrachtwagens in Californië en Zuid-Korea

Het H2 Frontier Project van Californië heeft sinds 2023 meer dan 50 met waterstof aangedreven bussen ingezet over 12 vervoersdistricten heen, waardoor jaarlijks 1.200 ton emissies worden bespaard. In Zuid-Korea transporteert de Ulsan Waterstofhaven 120 brandstofcelvrachtwagens containers, ondersteund door nabijgelegen elektrolyseapparatuur die wordt aangedreven door offshore windenergie.

Waterstofaangedreven treinen in Duitsland en Frankrijk

De Coradia iLint-treinen van Duitsland hebben in 2023 een afstand van 220.000 kilometer zonder uitstoot afgelegd. Op de TER Occitanie-lijn in Frankrijk zijn 15 dieseleenheden vervangen door waterstofhybride treinen, die gebruikmaken van op het dak gemonteerde brandstofcellen om het bereik op niet-geëlektrificeerde trajecten te verlengen.

Opkomende toepassingen in de maritieme en luchtvaartsector

Maritieme exploitanten gebruiken waterstofafgeleid ammonia om vier vrachtschepen in de Noordzee van brandstof te voorzien, waardoor CO2-uitstoot met 85% wordt verminderd ten opzichte van zware stookolie. In de luchtvaart worden emissievrije regionale vliegtuigen, aangedreven door verbranding van vloeibare waterstof, verwacht in bedrijf te nemen tegen 2035, waarbij huidige prototypen testvluchten van 750 km voltooien.

Infrastructuuruitdagingen voor waterstoftanknetwerken

Wereldwijd bestaan er minder dan 1.000 waterstoftankstations, waarvan 42% in Europa en 38% in Azië. Opslag onder hoge druk blijft duur—voor $1.800 per kg in 2024—en brosheid van leidingmateriaal vormt een uitdaging voor grootschalige distributie.

Productie van Groen Waterstof: Het Verbeteren van Duurzame Methoden

Grijs versus blauw versus groen waterstof: Milieu- en economische afwegingen

Er zijn vrijwel een aantal verschillende manieren om waterstof te produceren, en ze hebben allemaal hun eigen milieueffecten en prijskaartjes. Grijze waterstof wordt verkregen uit stoommethaanreformering (SMR) en stoot tussen de 9 en 12 kilogram CO2 uit per kilogram geproduceerde waterstof. De kosten? Ongeveer $1,50 tot $2,80 per kilogram volgens het International Energy Agency in 2023. Dan is er blauwe waterstof, die in wezen hetzelfde SMR-proces gebruikt maar met toevoeging van koolstofafvangtechnologie. Dit vermindert de emissies met ongeveer 80 tot 90 procent, hoewel het de kosten verhoogt tot ongeveer $2,50 tot $4 per kilogram. En tot slot komt groene waterstof, die ontstaat wanneer elektriciteit uit hernieuwbare bronnen elektrolyseapparatuur aandrijft. Deze methode stoot geen directe emissies uit en ligt momenteel tussen de $3 en $5 per kilogram. Dat is eigenlijk behoorlijk gedaald vergeleken met wat het nog maar een paar jaar geleden was, toen de prijzen rond de $4 tot $6 per kilogram lagen.

Vooruitgang in elektrolyse verhoogt de productie van groene waterstofenergie

PEM-elektrolyzers (protonenuitwisselingsmembraan) bereiken nu een efficiëntie van 75–83%, tegenover 60% in 2010. Alkalische systemen werken met een efficiëntie van 65–70% en hebben een levensduur van meer dan 60.000 uur. Vaste oxidelektrolyzers (SOEC), die opereren bij 700–900°C, hebben in tests een efficiëntie van 85% behaald, wat veelbelovend is voor industriële productie van groene waterstof (ScienceDirect 2024).

Kostenontwikkelingen en schaalbaarheid van waterstofproductie op basis van hernieuwbare energie

De kosten van het produceren van waterstof via zonne-energie aangedreven elektrolyse zijn sterk gedaald, ongeveer 62% sinds 2015. In 2024 zien we nu prijzen tussen de 3 en 4,50 dollar per kilogram. Onderaan in Australië produceren windmolenparken jaarlijks meer dan 1.000 ton groene waterstof tegen ongeveer 3,80 dollar per kg. Intussen maken grootschalige elektrolyseinrichtingen in China de productie elk jaar goedkoper, met kostenverlagingen van ongeveer 18% per jaar. Vooruitkijkend voorspelt BloombergNEF dat groene waterstof tegen 2030 slechts 1,50 dollar per kg zou kunnen kosten. Dit zou gebeuren terwijl hernieuwbare energiebronnen hun snelle uitbreiding voortzetten, waardoor ze naar verwachting bijna 85% van alle nieuwe elektriciteitsopwekking wereldwijd zullen vertegenwoordigen.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de belangrijkste methoden voor het opwekken van elektriciteit met behulp van waterstof? De belangrijkste methoden zijn brandstofcellen en verbrandingsturbines die zijn aangepast voor waterstof.
Hoe draagt waterstof bij aan de stabiliteit van het elektriciteitsnet? Waterstof slaat overtollige hernieuwbare energie op en geeft deze vrij tijdens piekbelasting om de netstabiliteit te waarborgen.
Wat zijn enkele huidige uitdagingen bij het gebruik van waterstof voor basislastvermogen? Hoge kosten, efficiëntieverliezen tijdens energieomzetting en beperkingen in infrastructuur zijn belangrijke uitdagingen.
Hoe wordt waterstof gebruikt in verwarmingssystemen? Waterstof kan fossiele brandstoffen vervangen in industriële en residentiële verwarmingssystemen en biedt een duurzaam alternatief.
Welke vooruitgang is er geboekt in de productie van groene waterstof? Ontwikkelingen in elektrolysetechnologie en grootschalige installaties hebben de kosten aanzienlijk verlaagd en de efficiëntie verhoogd.