Waterstofeconomie: brandstof van de toekomst, nu ontwikkeld 

Nu de effecten van de wereldwijde klimaatverandering toenemen, is het noodzakelijk dat de energievoorraden worden aangevuld met schone, duurzame hulpbronnen. Binnen de energiemix heeft waterstof vele voordelen; deze zou door middel van een waterstofeconomie onze energiebehoefte op een revolutionaire manier kunnen dekken.

Waterstof is het meest voorkomende element van het periodieke systeem, hoewel het niet vrij beschikbaar is en er een chemische verwerking nodig is voor de productie. Door zijn hoge energiedichtheid en nul-koolstofemissie-eigenschappen is deze een duurzaam en overtuigend alternatief voor conventionele fossiele brandstoffen voor energieopslag en elektriciteitsopwekking.

Bij gebruik als brandstof geeft waterstof alleen waterdamp af; met diverse productiemethoden kan waterstof op aanvraag worden geproduceerd, opgeslagen en verbruikt. Tevens is waterstof transporteerbaar, zij het met significante uitdagingen om de flexibiliteit en betrouwbaarheid als een consistente energiebron te vergroten.

Zoals echter bij de meeste industrie-initiatieven gaat de ontwikkeling van de waterstofeconomie en de toepassing van waterstof-aangedreven processen gepaard met diverse uitdagingen, primair met betrekking tot het ontbreken van een bestaande infrastructuur en voorschriften.

Een van de eerste stappen voor het begrijpen van het waterstoflandschap is inzicht in de verschillende manieren om waterstof te verkrijgen of te produceren, elke met uiteenlopende implicaties met betrekking tot financiën, duurzaamheid en regelgeving.

Zoals elk verbruiksmateriaal is waterstof slechts zo schoon en milieuvriendelijk als zijn productiemethode. Er wordt een kleurcoderingssysteem gebruikt om de mate van milieuvriendelijkheid van de waterstof aan te geven. Er zijn zelfs meer kleuren in het kleurenpalet, maar dit zijn de belangrijkste alternatieven, waarbij methaan de primaire component van aardgas is.

• Grijze waterstof: momenteel de meestgebruikte productiemethode; grijze waterstof wordt verkregen uit aardgas via stoommethaanreforming (SMR) of autotherme reforming (ATR). Hoewel deze processen rendabel zijn, geven ze significante hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer af, waardoor de meeste milieuvoordelen voor het gebruik van grijze waterstof als brandstof teniet worden gedaan.
• Blauwe waterstof: net zoals bij grijze waterstof met zijn afhankelijkheid van aardgas SMR en ATR zijn er voor blauwe waterstof koolstofafvang en -opslag (CCS) technologieën nodig voor het afvangen en isoleren van kooldioxide-emissies die ontstaan tijdens de productie. Deze methode wordt als duurzamer beschouwd door CCS, maar is hierdoor ook duurder. ATR is beter geschikt voor de productie van blauwe waterstof, omdat deze een puurdere stroom kooldioxide produceert dan SMR.
• Groene waterstof: groene waterstof wordt verkregen door elektrolyse, een proces waarbij hernieuwbare elektriciteit van schone energiebronnen zoals zon-, wind- en waterkracht wordt gebruikt, om watermoleculen in waterstof en zuurstof te splitsen. Bij deze methode wordt geen koolstof uitgestoten, waardoor het de meest duurzame optie is. De productiekosten en de toevoer van hernieuwbare energie zijn echter zorgelijk.
• Turquoise waterstof: bij de productie van turquoise waterstof, een nieuwe technologie, wordt gebruikgemaakt van methaanpyrolyse, waarbij methaan - de primaire component van aardgas - in waterstof en vaste koolstof moet worden gesplitst. Hoewel nog in ontwikkeling biedt deze methode een alternatief met lage uitstoot voor grijze waterstof als het koolstof-bijproduct effectief wordt gebruikt of geïsoleerd.

Hoewel de waterstofeconomie nog in de kinderschoenen staat, begint deze vorm te krijgen, waarbij deze veelzijdigheid en mogelijkheden voor een brede wereldwijde toepassing laat zien. Waterstof is al een substantieel element in talloze industriële processen, van de ammoniakproductie voor kunstmest tot raffinageprocessen voor aardolieproducten.

In de vervoerssector worden elektrische brandstofcelvoertuigen (EV's) die worden aangedreven door waterstof steeds vaker gebruikt. Dit is een emissievrij transportalternatief, waarbij veel sneller brandstof kan worden aangevuld dan bij batterij-aangedreven EV's - in minuten in plaats van uren. Waterstof kan ook worden gebruikt in stationaire brandstofcellen voor elektriciteitsopwekking, waarmee betrouwbare elektriciteit voor huizen en bedrijven wordt geleverd, met name in afgelegen gebieden en gebieden met een beperkte toegang tot het elektriciteitsnet.

Bovendien is waterstof een efficiënt energieopslagmedium, met name voor het opslaan van overtollige hernieuwbare energie die is geproduceerd tijdens piekuren, zodat deze op een later tijdstip kan worden gebruikt. In tegenstelling tot batterijen - die geschikter zijn voor energie-opslag voor de korte termijn - maakt het vermogen van waterstof van het opslaan van grote hoeveelheden energie voor langere tijd deze ideaal voor tijdelijke opslag, waarbij fluctueringen bij de productie van hernieuwbare energie kunnen worden opgevangen. Vergeleken met batterijopslag vereist de opslag van waterstof minder ruimte en gewicht, met vrijwel geen energieverliezen na verloop van tijd.

Het aanvullen van de elektriciteitsopwekking met behulp van fossiele brandstoffen met energie op waterstofbasis zal helpen bij het aanpakken van de klimaatproblemen waar de mensheid en de planeet momenteel mee te maken hebben, met name wat betreft de broeikasgas-emissies. Terwijl de waterstofeconomie zich ontwikkelt, worden bedrijven gestimuleerd om de klimaatverandering tegen te gaan en duurzaamheidsdoelstellingen te realiseren.

Verder verhoogt waterstof de energieveiligheid door diversificering van de energievoorraden en vermindering van de afhankelijkheid van conventionele energiebronnen die in toenemende mate kan worden beïnvloed door geopolitieke dynamieken. De waterstofeconomie is een kans voor het stimuleren van innovatie, het creëren van nieuwe industrieën en banen, en het stimuleren van economische groei binnen de waardeketen. De toevoeging van waterstof-aangedreven industriële processen vermindert ook luchtverontreinigende stoffen, waardoor de luchtkwaliteit - met name in dichtbevolkte gebieden - en de volksgezondheid beter worden. 

Ondanks de positieve kant kent waterstof een aantal barrières voor een brede toepassing. 

Allereerst, hoewel groene waterstof een emissievrije optie voor de energievoorziening van de infrastructuur vormt, blijft deze veel duurder om energie mee te produceren dan traditionele fossiele brandstoffen. Het verlagen van de kosten van de productie van groene waterstof is een van de prioriteiten bij het aansporen van de waterstofeconomie. 

Zo brengt ook blauwe waterstof aanzienlijke kosten met zich mee vergeleken met de productie van grijze waterstof, zodat stimuleringsmaatregelen nodig zijn om het gebruik te verhogen. 

Bovendien ontbreekt het bij waterstof aan een degelijke en ontwikkelde infrastructuur voor productie, opslag, transport en distributie. Het realiseren hiervan vereist aanzienlijke investeringen in het bouwen van nieuwe en het aanpassen van de bestaande infrastructuur om veilig en efficiënt om te kunnen gaan met waterstof. Er is ook publiek vertrouwen en acceptatie van waterstoftechnologieën in industriële- en consumentenprocessen nodig, waarvoor bewustmakingscampagnes nodig zijn met voorlichting over de voordelen van waterstof, het bespreken van zorgen over de veiligheid en het ontkrachten van fabeltjes.

Ten slotte moeten de veiligheidprotocollen en -voorschriften van de gehele waardeketen moeten breed bekend en begrepen worden, van productie- en opslagmethoden tot transport en eindgebruik. Regelgevende instanties spelen een belangrijke rol bij het informeren van bestaande en potentiële waterstofgebruikers, en bij het stimuleren van het gebruik. 

Overheden en regelgevende instanties spelen een cruciale rol bij het stimuleren van de ontwikkeling van een bloeiende waterstofeconomie door gericht beleid en stimuleringsmaatregelen. Deze komen regelmatig voor in de vorm van koolstofbelasting, hernieuwbare-energiecredits of regelingen voor "cap-and-trade"-emissierechten die groene energie in zakelijk opzicht aantrekkelijker maken. De Amerikaanse "2022 Inflation Reduction Act" omvat belastingvoordelen voor schone energie en andere voorzieningen om de binnenlandse hernieuwbare-energieproductie te stimuleren. Ondertussen zijn Japan en Zuid-Korea beide gecommitteerd aan koolstofneutraliteit in 2050, en de gehele Europese Unie volgt het voorbeeld.

Behalve het uitstippelen van beleid stimuleren overheden ook onderzoek en ontwikkeling, wat belangrijk is voor het verminderen van de kosten van groene- en blauwe-waterstofproductie, waardoor de efficiëntie van waterstoftechnologieën worden verbeterd en nieuwe toepassingen voor deze veelzijdige energiedrager worden verkend. Overheidssubsidies en stimuleringsregelingen kunnen de plaatsing van waterstoftankstations, pijpleidingen en opslagfaciliteiten versnellen, waardoor een robuuste infrastructuur wordt gecreëerd die de toegenomen toepassing ondersteunt.

Overheidsinstanties spelen ook een noodzakelijke rol bij het opstellen van duidelijke veiligheidsprotocollen en -voorschriften voor de waterstof-waardeketen. Het versterken van deze praktijken is uiterst belangrijk om de openbare veiligheid te waarborgen en vertrouwen in de waterstoftechnologieën te realiseren.

In het licht van het beginstadium van de waterstofeconomie gaan de mogelijke toepassingen verder dan het huidige gebruik. Zo zijn industrieën als de staal- en cementproductie - bekend voor hun grote CO2-voetafdruk door de energie-intensieve productieprocessen - actief bezig met de mogelijke aanvulling van waterstof op het gebruik van fossiele brandstoffen om de milieu-effecten te verminderen.

Het terugdringen van koolstofemissies in de zeevaart- en de luchtvaartsector, die zeer afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen, blijkt ook niet makkelijk te zijn. Waterstof-brandstofcellen die verbrandingsmotoren aandrijven zijn echter mogelijke oplossingen.

Waterstof wordt al gemengd in conventionele aardgasgestookte krachtcentrales om de koolstofemissies in de atmosfeer te beperken. Nieuwere gasturbineuitvoeringen kunnen nu waterstof als enige brandstofbron gebruiken, waarbij mengen met aardgas niet nodig is.  

Op consumentenniveau kan waterstof dat is gemengd met aardgas tot 20 procent van de totale mix worden gebruikt in huizen en commerciële toepassingen zonder dat er aanpassingen aan bestaande toestellen nodig zijn - men denke aan verwarmingssystemen, fornuizen, heetwatertoestellen en wasgoedcentrifuges; weer een andere manier om koolstofemissies te verlagen en een gezondere leefomgeving te promoten. 

Het ontwikkelen van een degelijke waterstofeconomie staat niet op zichzelf. Samenwerking tussen alle belanghebbenden, zoals producenten, leveranciers, publieke en particuliere onderzoeksinstituten, overheden en het publiek is juist vereist. Verder onderzoek en ontwikkeling evenals aanvullende proefprojecten zijn essentieel voor het stimuleren van innovatie, het verlagen van financiële barrières, het oplossen van technische problemen en het waarborgen van veiligheid. 

Hoewel er uitdagingen blijven bestaan, biedt het gebruik van waterstof talloze voordelen nu de wereld vraagt om verlaging van kooldioxide-emissies en aanvulling van de huidige energievoorraad met duurzame groene energie. Een goed beheer van de toepassingsuitdagingen vereist doorgaand onderzoek, scholing, technologische innovatie en een uniform beleid, maar het gebruik en het potentieel van waterstof blijft groeien, wat een belangrijke kans is voor een schonere toekomst.