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- dat wil zeggen, niet vanwege de energie-inhoud van het molecuul, maar vanwege het molecuul zelf. In Vlaanderen gaat het om vele honderden kilotonnen. Zoals gezegd, wordt de benodigde waterstof vandaag nog quasi volledig op fossiele basis gemaakt, gekraakt uit aardgas. In principe kan deze waterstofvraag verduurzaamd 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 in de industrie

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 ijzer (“Direct Reduced Iron”).

Binnen de industrie kan waterstof ook een rol spelen bij hoge temperatuur warmtevragen. Waterstof kan daar de rol van aardgas overnemen, 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.

Veel aandacht voor waterstof als duurzame energiedrager gaat uit naar het gebruik daarvan in transport. Een belangrijke reden hiervoor is dat verduurzaming van transport een grote 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 op basis van waterstof. Deze zijn complementair aan batterij-elektrische aandrijvingen en voor bepaalde transportmiddelen (bv. zwaar vrachtvervoer) is het de meest aangewezen optie.

Afhankelijk van de specifieke toepassing en het gebruiksprofiel zal verduurzaming middels batterijen of waterstoftechnologieën de voorkeur genieten. 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. Daarbij is immers meer energie nodig, die in de vorm van waterstof veel minder weegt dan een batterij met dezelfde capaciteit.

De toepassingen van waterstof in de mobiliteit steunen op meerdere componenten die hieronder stuk voor stuk worden toegelicht.

Brandstofcel

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.

Verbrandingsmotor

Een alternatief voor de brandstofcel is een verbrandingsmotor die op waterstof werkt. Er bestaan zowel modellen die op pure waterstof werken, als varianten die bedoeld zijn als “dual-fuel” motor. Bij de laatste variant wordt de ontsteking gedaan met behulp van Diesel, maar loopt de motor verder op waterstof. Bij lage belasting is daarom het aandeel Diesel relatief groot, maar bij hoge belastingen kan er tot wel 85% op waterstof gedraaid worden.

Een voordeel van deze technologie is dat er wanneer er geen waterstof voorhanden is ook volledig op Diesel gewerkt kan worden. Dit kan zeker in de eerste jaren voor sommige eindgebruikers een belangrijke overweging zijn.

Opslag aan boord

In voertuigen wordt waterstof bijna altijd meegenomen in gasvorm onder druk. Bij personenwagens wordt met een druk van 700 bar gewerkt, terwijl logistieke toestellen, bussen en vrachtwagens op 350 bar tanken. In sommige gevallen wordt ook waterstof in vloeibare vorm opgeslagen aan boord, met name wanneer de ruimte voor opslag beperkt is.

Synthetische brandstoffen

Waterstof ligt ook aan de basis van zogenaamde synthetische brandstoffen. Dat zijn brandstoffen die op moleculair niveau niet te onderscheiden zijn van fossiele brandstoffen, maar CO2 neutraal gemaakt kunnen worden. Zo kan er bijvoorbeeld synthetisch methaan (chemisch gelijk aan aardgas) of synthetische kerosine (chemisch gelijk aan fossiele kerosine) gemaakt worden.  

De brandstoffen,  die worden gemaakt in een e-fuel fabriek waar (groene) waterstof en CO₂ samengevoegd worden. Bij verbranding komt die CO2 weer vrij, maar doordat deze eerder is opgevangen zijn worden deze brandstoffen als CO₂- neutraal aangemerkt.

Er wordt voornamelijk naar synthetische brandstoffen gekeken voor de aandrijving van zeer zware toepassingen zoals schepen en vliegtuigen. Daar is de beperkte ruimte die zulke brandstoffen innemen t.o.v. (gasvormig) waterstof vaak doorslaggevend.

Vrachtwagens

In het bijzonder op vlak van vrachtvervoer ligt er een groot potentieel voor waterstof. Batterij-elektrische oplossingen schieten hier vaak tekort en er zijn geen andere zero-emissie alternatieven, vanwege de grote hoeveelheid energie die nodig is om een acceptabele actieradius te bereiken. Enkele tientallen modellen van bekende merken zijn in ontwikkeling, voornamelijk in de Verenigde Staten en Europa. Het bereik 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

Personenwagens op waterstof staan verder in hun technologische ontwikkeling dan waterstofvrachtwagens, : Hyundai en Toyota bieden waterstofwagens aan op commerciële basis. De aanschafprijs is relatief hoog, maar waterstofwagens onderscheiden zich ten op zichte van batterijvoertuigen met hun grote range (600km+) 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. Op langere termijn zullen waterstofwagens en batterij-elektrische voertuigen naast elkaar bestaan met een groter marktaandeel voor batterijvoertuigen.

Ook bestelwagens op waterstof bieden potentieel om meer zero-emissie actieradius te bieden aan distributieactiviteiten, maar vergen nog verdere ontwikkeling.

Heftrucks

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 brandstofcellen kan leiden tot een hogere inzetbaarheid van de logistieke vloot omwille van de korte tanktijden en de langere autonomie. In de Verenigde Staten rijden reeds 50.000 brandstofcelheftrucks rond. Voor zwaarder logistiek materiaal, zoals zware heftrucks of havenwerktuigen, ligt elektrificatie moeilijker en wordt nadrukkelijk gekeken naar waterstof. De eerste prototypes werden ontwikkeld en worden momenteel gedemonstreerd.

Treinen

Voor zeer zware transportmodi zoals treinen, vliegtuigen en schepen kan waterstof rechtstreeks of in afgeleide vorm een bepalende rol spelen.

Waterstoftreinen kunnen dieseltreinen vervangen op lijnen die niet geëlektrificeerd zijn. De eerste exemplaren rijden in Duitsland, waar ze Diesel treinen vervangen die nu nog een groot deel van de Duitse spoorlijnen bedienen. Hoewel in België en Nederland het overgrote deel van de spoorwegen geëlektrificeerd is, kunnen waterstofoplossingen voor de resterende trajecten een opportune oplossing zijn. In België gaat het met name om trajecten in de buurt van Gent of Charleroi, waar niet geëlektrificeerde spoorwegen samengaan met aanstaande lokale waterstofeconomieën. In Nederland is er tussen Groningen en Leeuwarden er al een test uitgevoerd met een waterstoftrein, die positief geëvalueerd is.

Voor vrachtvervoer per trein wordt er voornamelijk gedacht aan waterstofverbrandingsmotoren, terwijl voor personenvervoer de voorkeur naar brandstofcellen lijkt uit te gaan.

 Schepen

Waterstof kan in zuivere vorm gebruikt worden als brandstof voor schepen en kan daar zowel toegepast worden in brandstofcellen – in combinatie met een elektrische motor- als in verbrandingsmotoren. 

Voor binnen- en kustvaart en kleinere vaartuigen kan gasvormige waterstof onder druk in de meeste gevallen al voldoende energie-inhoud bieden. 

Voor grote zeeschepen die weken op zee moeten doorbrengen zonder tankmogelijkheden, is een vloeibare brandstof met hogere energiedichtheid noodzakelijk. Daarvoor lijken vooral groene ammoniak of methanol, geproduceerd uit groene waterstof en afgevangen CO2 (methanol), de beste klimaat-neutrale alternatieven.  

Een voortrekker in onze regio is de Hydroville, een passagiersvaartuig gebouwd door CMB aangedreven door een dual fuel motor diesel/waterstof, dat sinds eind 2017 in de vaart genomen is.

Verschillende andere pilootprojecten met zowel verbrandingsmotoren als brandstofceltechnologie, worden momenteel voorbereid in Europa.

Vliegtuigen

Waterstof kan op verschillende manieren in vliegtuigen worden toegepast.  Zo kan het in een brandstofcel worden omgezet naar stroom voor elektrische aandrijving van het vliegtuig of verbrand worden in een gasturbine.

De grootste uitdaging voor het gebruik van waterstof in een vliegtuig is de opslag van voldoende brandstof aan boord: waterstoftanks– zelfs voor waterstof in vloeibare vorm- zijn ongeveer vier keer zo groot als kerosinetanks voor dezelfde energie-inhoud.

Voor kortere afstanden (binnen-Europese) vluchten zal het gebruik van vloeibare waterstof een haalbare oplossing zijn. 

Voor intercontinentale vluchten echter wordt eerder naar synthetische kerosine gekeken, geproduceerd uit waterstof en afgevangen CO2. Het voordeel hiervan is dat er in het vliegtuig zelf geen nieuwe technologie nodig is en men stapsgewijs de klimaat-neutrale brandstof kan toevoegen. Chemisch gezien is synthetische kerosine immers vrijwel gelijk aan fossiele kerosine die gemaakt wordt gemaakt uit aardolie en daardoor veel vervuilender is.

Het toepassen van waterstof staat nog in de kinderschoenen, de eerste commercieel beschikbare toestellen worden verwacht tegen 2030-2035.

Bekijk hier voor de projecten van WaterstofNet in verband met transport

Tankinfrastructuur

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. Het tankproces zelf vindt plaats door het drukverschil in de buffer (500 of 900 bar) en de opslag in het voertuig. Globaal bestaat een waterstofinstallatie uit een compressor, een bufferopslag, een koeler en de tankzuil. Koeling is bij tanken op hogere druk (700 bar) nodig omdat waterstof in tegenstelling tot de meeste stoffen opwarmt wanneer het uitzet. Dit wordt ook wel het omgekeerde Joule-Thompson effect genoemd. 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 9-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 (4 in België en 18 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 van toepassing, namelijk een grote geïnstalleerde elektrolyse-capaciteit die overschotten van wind – en zonne-energie omzet naar waterstof en de beschikbaarheid van grootschalige (ondergrondse) opslag capaciteit. Gezien de huidige kostprijs van elektrolyse, is dit pas aan de orde als de technologie significant goedkoper zal worden.

Er worden 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, met uitzondering van de aquifer in Loenhout. Het bestaande aardgaspijpleidingnetwerk kan in de toekomst tot op zekere hoogte wel als opslagplaats fungeren, doordat er enige ruimte bestaat met de druk te spelen.

De nood aan opslag in 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 Nederland en 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, bijvoorbeeld in bestaande gebouwen waar ingrijpende renovatie lastig of onwenselijk is.

Bijmenging aardgasnet

Ook kan gedacht worden aan waterstof bijmenging in het bestaande aardgasnetwerk. Dit kan tot een zeker percentage zonder al te veel technische aanpassingen, noch aan het net noch bij de eindgebruiker. Waterstof bijmenging kan zo tezamen met biomethaan bijdragen aan het verduurzamen van de warmtevraag op basis van bestaande infrastructuur. Nadeel is dat de waarde van waterstof op deze manier gereduceerd wordt tot die van aardgas, aangezien het als mengsel gebruikt wordt.

Methaan

Daarnaast is er de mogelijkheid om van waterstof methaan te maken, met gelijke chemische eigenschappen als aardgas. Dit concept werd eerder al toegelicht onder het kopje “synthetische brandstoffen”. Voor injectie in het gasnetwerk als oplossing voor de verduurzaming van de warmtevraag is dit proces echter 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. Nadeel is dat er zoals gezegd nog altijd CO2 vrijkomt bij verbranding, zij het kort-cyclische CO2 die eerder in het productieproces is opgenomen.

Verbrandingsboiler/WKK

Op termijn zou het bestaande aardgasnetwerk (evenals gebruikersapplicaties) volledig kunnen worden omgebouwd om op 100% waterstof te draaien. Ook nieuwe waterstofnetten kunnen met ditzelfde doel aangelegd worden. Er worden vandaag de dag alleszins uitvoerig waterstoftoepassingen getest, zoals Warmte-Kracht-Koppelingen (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.