Omdat de moleculen zich zo graag met andere moleculen binden, komt waterstof op aarde in vrije vorm niet voor. Daarom maken we waterstof uit aardgas. Die is echter niet groen. Maar er zijn andere methoden.
Door Maarten Legius
Waterstof is een niet giftig, kleurloos, smaakloos, reukloos, hoog ontvlambaar gas. In het periodiek systeem staat het element H op plaats 1. Een waterstofatoom is opgebouwd uit 1 proton en 1 elektron. Waterstof is het enige element zonder neutronen.
Waterstof is meest voorkomende element
Waterstof is het meest voorkomende element in ons universum, waar het maar liefst 75 procent van de atomaire massa vormt. Zo bestaan hele sterren uit waterstof. Op aarde komt het echter niet in geïsoleerde vorm voor, het bindt zich direct aan zuurstof tot water.
Waterstof is lichtste element
Waterstof is verder het lichtste element uit het periodiek stelsel en vormt onder atmosferische omstandigheden (in de open lucht, red.) een molecuul uit twee atomen, diawaterstof (H2) genaamd, dat in de praktijk doorgaans wordt aangeduid als waterstof of waterstofgas. Deskundigen vermoeden dat waterstof – samen met lithium en helium – aan de basis staat van de Big Bang en het ontstaan van het universum.
Waterstof als vloeibaar metaal
Bij aardse temperaturen en drukken heeft waterstof de gasvorm. Waterstof kookt bij normale druk al bij -253 °C (20,28 K) en heeft een smeltpunt van-259 °C (14,01 K). Onder extreem hoge druk, bijvoorbeeld op de planeten Jupiter en Saturnus, komt metallische waterstof voor dat zich dan gedraagt als een vloeibaar metaal. Bij extreem lage druk, zoals die voorkomt in de ruimte tussen de sterren, komt waterstof vooral voor in de vorm van losse atomen, omdat er dan geen gelegenheid is voor de atomen om zich tot een molecuul te combineren.
Verbranding van waterstof
Bij verbranding van waterstof met zuurstof ontstaat zuiver water. Dit schone afvalproduct is precies wat het gebruik van waterstof als energiedrager zo aantrekkelijk maakt. Bij de verbranding van waterstof komt immers niet het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) vrij, zoals dat wel het geval is bij de verbranding van fossiele brandstoffen.
Waterstof als brandstof en grondstof
Waterstof wordt reeds op grote schaal ingezet in de industrie als grondstof, reductiemiddel of procesgas in tal van processen en toepassingen. Grootverbruikers zijn de ammoniakproductie (stikstof en waterstof > NH3) en olieraffinage. In de industrie is waterstof ook breed inzetbaar als brandstof in ketels en fornuizen voor de productie van proceswarmte met een hoge temperatuur, zoals de temperatuurniveaus boven 250 °C waar in beperkte mate alternatieven voor beschikbaar zijn. Diverse proefinstallaties voor de productie van groene waterstof staan in de planning.
Waterstof voor ruimteverwarming
In de bestaande gebouwde omgeving kan waterstof voor ruimteverwarming worden ingezet. Bijvoorbeeld indirect via het voeden van warmtenetten. Maar ook direct via een cv-ketel of hybride warmtepomp in woningen, gebouwen en/of wijken. Waterstof is dan het alternatief voor aardgas in cv-ketels.
Waterstof als transportbrandstof
Tot slot is waterstof een zogeheten transportbrandstof. Samen met batterijen biedt waterstof, in combinatie met brandstofcellen (die waterstof in elektrische energie omzetten), de mogelijkheid om een breed scala aan voertuigen, mobiele werktuigen en waarschijnlijk ook vaartuigen volledig te elektrificeren en emissievrij te maken.
Productie van waterstof
Met de productie van waterstof als secundaire energiedrager, door splitsing van water met behulp van elektrische energie (elektrolyse), kan een flexibel mechanisme worden gecreëerd voor de inpassing van het variabele aanbod aan duurzame energie uit zon en wind. Het geproduceerde waterstof is – net als aardgas – relatief eenvoudig te transporteren en te bufferen in pijpleidingsystemen en op te slaan in tanks.
Leestip: Grootschalige productie van groene waterstofgas in de planning
Waterstof uit aardgas
Momenteel wordt waterstof – voor de diverse industriële toepassingen – op grote schaal efficiënt geproduceerd uit aardgas. Bij deze productie komt een relatief geconcentreerde stroom CO2 vrij die kan worden afgevangen voor ondergrondse opslag (CCS, carbon capture and storage), dan wel voor hergebruik (CCU, carbon capture and utilisation).
Waterstof in de energietransitie
Gezien het beperkte oppervlak van Nederland en het intensieve ruimtegebruik is het de vraag of Nederland zelf voldoende mogelijkheden heeft voor de winning van voldoende duurzame energie zoals die nodig is in de energietransitie. Met andere woorden, kunnen we ooit voldoende waterstof produceren uit duurzame bronnen (zon en wind) die bovendien kostentechnisch kan concurreren met fossiele en duurzame alternatieven? Wordt vervolgd.