Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Waterstof

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Waterstof is een energiedrager, net als aardgas of elektriciteit. Waterstof kan op verschillende manieren geproduceerd worden:

Stoomreforming van aardgas
Aardgas (CH₄) en stoom (H₂O) reageren tot waterstof (H₂) en CO₂. Een alternatief is productie van waterstof uit steenkool of olie, maar dat is lastiger dan productie uit aardgas vanwege de chemische samenstelling (in aardgas is de verhouding koolstof: waterstof 1:4, bij olie 1:2 en bij kolen 1:1). Wanneer de marktprijs van kolen in de toekomst daalt en de marktprijs van aardgas stijgt (bijvoorbeeld vanwege klimaatbeleid), zou waterstofproductie uit kolen vanuit economische overwegingen wel aantrekkelijker kunnen worden.

Vergassing van biomassa
Vergassing vindt plaats bij een hoge temperatuur (850?C) en onder een beperkte toevoer van lucht of zuurstof.

Elektrolyse van water
Alleen indien de elektrolyse gebeurd met duurzaam opgewekte elektriciteit spreekt men van duurzame waterstof.

In kerncentrales
Er worden nieuwe typen nucleaire centrales ontwikkeld waarin rechtstreeks waterstof geproduceerd kan worden en de hoeveelheid radio-actief afval beperkt is in vergelijking tot de huidige centrales.

Distributie van zuiver waterstof kan waarschijnlijk alleen plaatsvinden in een specifiek hiervoor ontworpen leidingenstelsel. Distributie van waterstof via het bestaande aardgasnet is problematisch vanwege twee knelpunten. Ten eerste is de lekdichtheid van het aardgasnet een probleem, waterstof diffundeert makkelijker door de leidingen dan aardgas. Ten tweede heeft waterstof een veel lagere energiedichtheid dan aardgas. Om bij dezelfde druk een zelfde hoeveelheid energie te kunnen transporten zijn daarom leidingen nodig met een grotere diameter. Dit laatste hoeft in de praktijk niet altijd tot problemen te leiden door vraagbeperking in combinatie met de huidige overdimensionering van (een deel van) het huidige leidingstelsel.

Waterstof als energiedrager kent verschillende toepassingsmogelijkheden:

• waterstofdistributie i.p.v. aardgas in de gebouwde omgeving,
• bijmenging van waterstof in het huidige aardgasnet,
• opslagcapaciteit als oplossing voor het aanbodgestuurde karkater van duurzame elektriciteitsopwekking,
• als brandstof in de transportsector.

De productie van waterstof via elektrolyse met duurzame elektriciteit kan gezien worden als een mogelijke oplossing voor het aanbodgestuurde karakter van duurzame elektriciteitsopwekking, het biedt een buffercapaciteit. Vanwege het conversieverlies bij elektrolyse en vervolgens bij elektriciteitsproductie uit waterstof is dit echter alleen een optie indien de onbalans tussen duurzaam aanbod en vraag zodanig groot is dat er geen enkele andere mogelijkheid meer resteert dan omzetting in waterstof.

Waterstof kan tot 3 volume% bijgemengd worden bij aardgas zonder dat aardgasnetten en apparatuur (CV-ketels, fornuizen) vervangen hoeven te worden. Tot 12 volume% bijmenging is mogelijk wanneer oude apparatuur wordt vervangen, en tot 25 volume% bijmenging is mogelijk wanneer aanpassingen aan het aardgasnetwerk plaats vinden. Belangrijk is te realiseren dat de energie-inhoud per volume eenheid van waterstof een factor 3 lager is dan van aardgas. Tevens is de gemiddelde gasvraag slechts de helft van de piekvraag. Uiteindelijk levert bijmenging van 25 vol% waterstof in het aardgasnet slechts 4% CO₂-reductie op  (IEA Greenhouse Gas R&D Programme, 2003)

De waterstof kan ook lokaal in de gebouwde omgeving (en de glastuinbouw) worden omgezet in warmte en elektriciteit via een brandstofcel. Omzetting van waterstof in conventionele conversiesystemen (zoals een aangepaste HR-ketel) is energetisch niet zinvol. De productie van waterstof kost veel energie en alleen via effici?nte conversie bij de eindverbruiker kan hiervoor worden gecompenseerd. In die zin is het bijmengen van waterstof via het aardgasnet geen optie.

Waterstof kan ook als brandstof worden gebruikt in de transportsector, voorwaarde is dat voertuigen zijn uitgerust met een brandstofcel en elektrische aandrijving.

Huidige toepassing
Stoomreforming van aardgas wordt reeds lange tijd op industri?le schaal toegepast. In raffinaderijen wordt op die wijze waterstof geproduceerd dat nodig is bij ontzwavelingsprocessen van brandstoffen en in krakers en in de kunstmestindustrie wordt waterstof geproduceerd voor kunstmestfabricage. In het Rotterdamse havengebied wordt een waterstofdistributienet ge?xploiteerd dat verschillende raffinaderijen verbindt inclusief een opslagfaciliteit.

Momenteel worden in Nederland de eerste experimenten uitgevoerd met brandstofcellen voor de verwarming van de woning. Hierbij wordt echter aardgas als brandstof gebruikt die in de woning via een reformer wordt omgezet in H₂ en CO₂. Dit experiment moet gezien worden als een eerste stap naar een op zuiver waterstof gebaseerd energiesysteem.

In Amsterdam zullen binnenkort enkele stadsbussen op waterstof gaan rijden. De proef maakt deel uit van de introductie van een dertigtal bussen in tien verschillende Europese steden. In 2003 is in het IJslandse Reykjavik het eerste openbare waterstofstation ter wereld geopend. Alleen enkele elektrisch aangedreven stadsbussen voorzien van een brandstofcel zullen op de waterstof gaan rijden. In het IJslandse project wordt de waterstof geproduceerd via elektrolyse met elektriciteit die via waterkracht en geisers is opgewekt.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
Het ontwerpen en aanleggen van een waterstofdistributienet is technisch geen probleem.

Aan de opslag van waterstof wordt nog veel onderzoek gedaan. Waterstof heeft een zeer lage energiedichtheid (10,8 GJ/m³ terwijl bijvoorbeeld aardgas een energiedichtheid heeft van 31,65 GJ/m³). Belangrijk knelpunt bij waterstof is dat het moeilijk is om grote hoeveelheden (in termen van energie) compact op te slaan. Waterstof wordt pas bij zeer lage temperatuur en zeer hoge druk vloeibaar. Vloeibare opslag leidt tot een energieverlies van rond de 30%. Ook wordt ge?xperimenteerd met opslag van waterstof in metaalhydriden, waarbij waterstof zich bindt aan het oppervlak van de metaalhydriden waardoor in 1 m³ meer dan 1m³ waterstof kan worden opgeslagen. Ook hiervoor geldt dat de energieverliezen aanzienlijk zijn.

Zowel met de toepassingsmogelijkheden in de gebouwde omgeving als in de transportsector wordt ge?xperimenteerd.

Technische gegevens en kostenaspecten
Er is gekeken naar het opzetten van een praktijkexperiment gericht op de grootschalige introductie van waterstof in de Gebouwde Omgeving. De enige technologie die geschikt is voor toepassing op grote schaal (>10.000 huishoudens) vanwege het hoge rendement en de geringe kosten is aardgasreforming. Zoals de grafiek laat zien, is er een sterk verband tussen de kosten en de schaalgrootte van de productie/leveringsoptie.  

Figuur  Verschillende technologie?n voor de productie/levering van waterstof in de gebouwde omgeving: indicatieve kosten en karakteristieke schaalgroottes

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004