Hoe schoon is waterstof eigenlijk?

Een knalroze bolide baarde deze zomer opzien op de racecircuits. Niet alleen de kleur was ongebruikelijk, maar ook het geluid dat tussen zoemen en gieren in zat, en het stoomwolkje aan de achterzijde. Zowel in Zandvoort als op het TT-circuit hield de roze racer probleemloos de luid brullende Porsches bij. Dat waterstoftechnologie een serieuze uitdaging is geworden voor verbrandingsmotoren bleek toen de door studenten gebouwde Forze VIII waterstofracer in Assen als tweede eindigde in de Supercar Challenge. “Nog nooit eerder liet een waterstof aangedreven voertuig in een officiële race andere wagens achter zich – laat staan in een race tegen dit soort benzinewagens”, zei team manager Zhi Whei Cai.

Waterstofauto’s rijden niet alleen op circuits, ook op de autoweg kun je ze tegenkomen, al moet je wel geluk hebben. Op de weg zijn de fluisterstille waterstofauto’s nu nog even zeldzaam als Rolls Royces (114 waterstofauto’s in Nederland op 31 mei 2019 tegen 111 RR’s verkocht sinds 1983). Wereldwijd rijden er 11 duizend hydrogen cars rond, maar volgens de verzamelde regeringsdoelstellingen zouden dat er in 2030 al 2,5 miljoen moeten zijn.

Dat laatste berekende het internationaal energieagentschap IEA voor het rapport The Future of Hydrogen dat topman dr. Fatih Birol tijdens de laatste G20 conferentie in Tokyo aan de wereldleiders overhandigde. “Waterstof staat wereldwijd in de belangstelling en het zou nu op weg kunnen gaan om de lang bestaande belofte als schone energieoplossing waar te maken”, aldus Birol in het voorwoord.

Die ‘lang bestaande belofte’ van waterstof als schone en universele brandstof voor industrie, transport en thuisgebruik werd al in 2002 geopperd door Jeremy Rifkin in zijn boek The Hydrogen Economy. Rifkin (1945) is een Amerikaans econoom, politiek adviseur en activist die invloedrijke boeken schrijft over de impact van technologische vernieuwingen. Met een enorme flair voorspelde hij in The Hydrogen Economy het einde van het fossiele tijdperk, en de opkomst van een veel betere en schonere toekomst met waterstof als emissievrije brandstof.

Nu lijkt het succes van het team Forze Rifkin gelijk te geven. Gaat de waterstoftechnologie dus binnenkort een eind maken aan het tijdperk van de fossiele brandstof? Ik ben bang van niet en ik zal uitleggen waarom.

Meer CO₂-uitstoot dan diesel
In tegenstelling tot benzine en diesel is waterstof geen energiebron, maar een energiedrager die uit een energiebron bereid wordt. Dat kan met elektriciteit maar in de praktijk gebeurt dat zo goed als nooit – het IEA-rapport spreekt over 0,1%. Verreweg het meeste waterstof wordt gewonnen uit aardgas met een energievretend proces dat bekend staat als steam methane reforming (SMR). Ook, maar in mindere mate, wordt waterstof geproduceerd uit aardolie en steenkool. Daarbij komt een flinke hoeveelheid CO₂ vrij. Waterstof is dus schoon op de plek van het gebruik, maar de productie ervan veroorzaakt een flinke uitstoot aan broeikasgassen.

Hoeveel CO₂ is daar dan mee gemoeid? De productie van 70 miljoen ton waterstof in 2018 was volgens het IEA verantwoordelijk voor de uitstoot van 830 miljoen ton CO₂.

De koolstofvoetafdruk van waterstof is 0,3 kg CO₂ per kilowattuur (zie onder). Die klimaatbelasting ligt tussen die  van diesel (0,27 kg CO₂/kWh) en steenkool (0,34 kg CO₂/kWh) in.

Zes tinten waterstof
Kan dat niet schoner? Technisch wel. Emissievrije waterstof krijg je door elektrolyse van water (2H₂O –> 2H₂ + O₂) met groene stroom. Of door bij steam methane reforming (SMR) het vrijkomende CO₂ op te slaan. Over de economische haalbaarheid van die technologieën schreven Machiel Mulder, Peter Perey en José L. Moraga van de Universiteit Groningen eerder dit jaar het Outlook for a Dutch hydrogen market.

De Groningers onderscheiden maar liefst zes soorten waterstof: SMR in de tinten grijs, blauw en groen. SMR waterstof is afkomstig uit aardgas (grijs). Als het daarbij vrijkomende kooldioxide (CO₂) wordt opgeslagen, spreken ze over blauwe waterstof, als er biogas gebruikt wordt heet het waterstof groen.  De elektrolyse variant is er in tinten grijs (standaard stroom), groen (groene stroom) en oranje (groene stroom uit Nederland).

Al die soorten komen terug in een kostenoverzicht waaruit twee dingen duidelijk worden:

• Elektrolyse is bijna twee keer duurder dan productie uit aardgas
• Pas vanaf een CO₂-heffing van 40 euro/ton wordt groene productie van waterstof interessant. De logica is dat producenten pas CO₂ gaan opslaan als de heffing die ze moeten betalen voor de lozing hoger wordt dan de kosten voor opslag. Zo lang die heffing minder dan 40 euro/ton bedraagt, is het goedkoper om CO₂ die bij de productie van waterstof vrijkomt de lucht in te blazen.

Waterstof uit stroom?
Wanneer wordt elektrolyse met overtollige groene stroom economisch interessant? Daarvan geeft het rapport Outlines of a Hydrogen Roadmap (Jörg Gigker  en Marcel Weeda voor TKI Nieuw Gas) een overzicht. Elektrolyse loont alleen bij een zeer lage stroomprijs van 20-30 euro/MWh (gemiddeld tarief is ongeveer het dubbele). De Groningers tekenen daarbij aan (p. 70) dat als de stroomprijs zo laag wordt ook allerlei andere gebruikers, zoals warmtepompen en elektrische auto’s extra zullen afnemen, wat een enorme belasting voor het elektriciteitsnet tot gevolg zal hebben. Een serieuze bijdrage van hydrolyse aan de waterstofproductie valt volgens hen alleen te verwachten bij (1) een hoge gasprijs en na (2) een enorme investering in de opwekking en het transport van groene stroom. De eerste ontwikkeling maakt de productie uit aardgas met steam methane reforming minder aantrekkelijk, en de tweede is nodig om voldoende groene stroom ter beschikking te hebben voor elektrolyse.

 

Wanneer wordt waterstof duurzaam?
Waterstof uit elektrolyse telt voorlopig nauwelijks mee. Winning uit aardgas kun je vanwege het gebruik van fossiele grondstoffen niet duurzaam noemen, maar het kan wel klimaatneutraal. Dat wordt lonend vanaf een CO₂-heffing van 40 euro/ton. Op het moment van schrijven ligt de dagprijs iets boven de 25 euro/ton CO₂.

Zoals het team Forze heeft laten zien is de technologie klaar voor een waterstofeconomie. Het wachten is nu op een hogere CO₂-prijs. Tot die tijd heeft het klimaat geen baat bij waterstof omdat buiten het zicht van de gebruikers de CO₂-uitstoot van de fossiele economie gewoon doorgaat.