Artikel

Het hoe en wat van waterstof

Waterstof is hot. Zou het mogelijk zijn om de huidige aardgasinfrastructuur te behouden en deze te gebruiken voor het transport van duurzaam geproduceerd waterstof? Het lijkt er wel op. Maar waterstof en aardgas hebben andere eigenschappen.

Ketels en andere gasapparatuur moeten hierop aangepast worden. De eerste waterstofketels verschijnen inmiddels op het toneel. Twaalf vragen, twaalf antwoorden.

Waarom kijken we allemaal verlekkerd naar waterstof?

Dat heeft te maken met het feit dat je in waterstof duurzame energie uit zonnepanelen en windturbines kan opslaan. Verder is het een grote plus dat voor het transport van waterstof het bestaande aardgasnet gebruikt kan worden. Overigens moet men wel bedenken dat er bij de verschillende tussenstappen in de productie, distributie en gebruik van waterstof energie verloren gaat. Het is dus niet zo dat 100 procent van de overtollige elektriciteit een nuttige bestemming krijgt door gebruik te maken van waterstof.

Wat is het verschil tussen grijze waterstof, blauwe waterstof en groene waterstof?

Grijze waterstof is gemaakt door aardgas (CH4) en water (H2O) onder hete omstandigheden met elkaar te laten reageren tot kooldioxide (CO2) en waterstof (H2). Dit betekent dus dat het gebruik van grijze waterstof niet bijdraagt aan het verminderen van CO2 in de atmosfeer. Van blauwe waterstof is er sprake als men de CO2 die vrijkomt bij de productie afvangt en opslaat, ofwel carbon capture and storage (CCS). Groene waterstof is het resultaat van elektrolyse van water, door gebruik te maken van groene stroom.

Welke experimenten zijn er allemaal al gedaan met waterstof in woningen?

In Duitsland was er in de jaren 90 al een woning die succesvol draaide op waterstof, het Solarhaus in Freiburg. Het eerste experiment in Nederland vond plaats op Ameland. Tussen 2007 en  2012 liep er op dit Waddeneiland een  proef waarbij door middel van elektrolyse van water waterstof werd geproduceerd. De instelling van de menginstallatie is in stappen verhoogd naar 20 procent waterstof. Dit liep allemaal vlekkeloos.

En in Enschede draait sinds vorig jaar een verwarmingsinstallatie van het bedrijf Tieluk in een appartementengebouw met 229 woningen. Tien Atag XL-ketels draaien hier op aardgas waaraan een flinke hoeveelheid waterstof is toegevoegd. Eigenaar Tienus Lukkes zegt: “In het laboratorium halen we zelfs 70 procent bijmenging.”

In maart start onder leiding van netbeheerder Stedin een experiment bij in de Rotterdamse wijk Rozenburg, waarbij ketels volledig overgaan op 100 procent waterstof. Het is nadrukkelijk een experiment en niet per se het begin van iets veel groters, zegt Stedin-woordvoerder Koen de Lange.

“Het is ook de vraag of we überhaupt hele wijken op waterstof kunnen gaan ‘zetten’. We hebben ook niet het idee dat alle huizen die nu aardgas hebben over gaan op waterstof. Waterstof kan voor specifieke gebieden in de toekomst uitkomst bieden. Bijvoorbeeld waar warmtenetten of all electric niet mogelijk of te duur zijn. Veel onzekerheden dus nog, maar de netbeheerders vinden het hun maatschappelijke taak om dit verder te onderzoeken.”

En in Hoogeveen is een consortium bezig met plannen voor een woonwijk van tachtig nieuwbouwwoningen die volledig moeten gaan draaien op waterstof. Dat consortium, met onder meer brandstofcelleverancier Nedstack en branderproducent Bekaert Combustion Technology, ontving onlangs van het ministerie van Economische Zaken vier ton voor de uitwerking van het plan.

Is waterstof een goede oplossing voor nieuwbouw?

Op het project in Hoogeveen is kritiek. Want waarom een hoogtemperatuursoplossing kiezen in woningen waar de warmtevraag laag is? Beter is het om waterstof toe te passen in bestaande woningbouw, waar het moeilijk is om de warmtebehoefte voldoende naar beneden te krijgen voor lagetemperatuursoplossingen. Vooropgesteld: het project in Hoogeveen is een test die duidelijk moet maken óf de technologie goed werkt. Het is nadrukkelijk geen blauwdruk voor toekomstige projecten.

Vanuit bepaalde groepen (isolatieleveranciers, warmtepompverkopers) die actief zijn in de energietransitie wordt ook argwanend gekeken naar waterstof, omdat het huiseigenaren zou ontslaan van een eerste plicht vanuit de trias energetica: het beperken van de warmtevraag en het aanpakken van de gebouwschil.

Zijn de problemen met waterstof de wereld uit?

Een jaar of tien geleden, ten tijde van het onderzoek op Ameland, was er nog veel onbekend over waterstof. Zo zou het kleine molecuul een ‘verbrossend’ effect op bepaalde soorten staal kunnen hebben, zo was destijds nog de veronderstelling. Uit diverse studies blijkt nu echter dat waterstof geen negatieve effecten heeft op staal, PE en PVC. In ieder geval niet op de korte termijn.

Welke technische beperkingen zijn er bij ketels op waterstof?

De belangrijkste lijkt te zijn de beveiliging van het toestel. De huidige ketels werken bijna allemaal met het beveiligingsprincipe op basis van ionisatiestroom. Daarbij wordt met een elektrodepen gemeten of het gas nog brandt. Is dit niet het geval, dan sluit de gasklep. Dit principe werkt goed als er methaan in het verbrandingsmengsel zit. Bij pure waterstof hapert het mechanisme, waardoor de gasklep niet sluit als er geen verbranding plaats vindt.

Zijn er nog meer problemen te verwachten?

Ja, bovengenoemde ionisatie-elektrode speelt in conventionele ketels ook een belangrijke rol bij het afstemmen op wisselende gaskwaliteiten. Bij het gebruik van waterstof kan dit niet meer, laat Joàn Teerling, research en innovation Manager bij Bekaert Heating weten. Bekaert is fabrikant van branders en warmtewisselaars en betrokken bij bovengenoemde pilotprojecten in Rozenburg en Hoogeveen.

Verder is er bij waterstof een grotere kans op inslag in de brander dan bij aardgas. Dat komt doordat door het toevoegen van waterstof aan het aardgas de verbrandingssnelheid toeneemt. Hierdoor branden de vlammen dichter op het branderdek, waardoor het risico bestaat dat de vlam naar binnen kan slaan. Ook ontstaat er meer condensaat bij waterstof. Geen groot probleem, wel iets om rekening mee te houden. Net als het feit dat waterstof brandt met een bijna onzichtbare vlam.

Kunnen bestaande ketels eenvoudig worden omgebouwd voor het werken op puur waterstofgas?

Nee, dat is niet waarschijnlijk. In de jaren 60 van de vorige eeuw werden toestellen omgebouwd van stadsgas naar aardgas. Toen kon dat vrij eenvoudig door het verwisselen van een inspuitstuk. Maar door het volstrekt andere vlambeeld van waterstof ten opzichte van aardgas, is daar nu geen sprake van, zegt René Hermkens, projectmanager bij Kiwa. Voor zover het zich nu laat aanzien moeten in ieder geval de brander, het gasblok en de gasdoseringsring vervangen worden.

Welke fabrikanten zijn met waterstof bezig?

Remeha is betrokken bij de 100%-waterstofproef in Rozenburg. Hun waterstofketel wordt in februari gepresenteerd op de Bouwbeurs in Utrecht en is gereed voor gebruik in maart in Rozenburg, zegt Remeha’s Innovatiemanager Marco Bijkerk. “Alles wat wij ophangen is uiteraard volledig werkend en veilig.” Over de precieze aanpassingen in de techniek houdt Bijkerk zich echter op de vlakte. Remeha zet de ketel nog niet breed in de markt.

Ook Bekaert levert een ketel in Rozenburg (en is ook betrokken bij de grotere proef in Hoogeveen). Het bedrijf geeft niet aan met welke ketelleverancier het dat doet, wel is duidelijk dat Bekaert inzet op cilindervormige branders en niet op vlakke branders, omdat die eerste in woningen en bij bedrijven het vaakst branden. Intergas werkt aan waterstofketels, net als Nefit, al gebeurt het hier concernbreed, dus geleid door Bosch.

In een recent rapport over waterstof zegt het Britse zusterbedrijf van Nefit, Worcester Bosch, over of de keus op warmtepompen of waterstofketels moet vallen: “Let’s not change the heating system and instead change the fuel type.” Bij Atag (afgezien van het bijmengingsproject in Enschede) en Itho Daalderop is men nog niet zo ver; ketels op pure waterstof hangen hier nog niet in de R&D-labs.

Overigens is het niet zo dat alleen ketelfabrikanten op waterstof willen stoken. Ook brandstofcellen kunnen op termijn prima op waterstof draaien. Een voorbeeld van zo’n brandstofcel is de Bluegen van Solidpower.

Inkoppertje misschien, maar hoe zit het met koolmonoxidegevaar?

Dat is er niet! Bij de verbanding van waterstofgas wordt water gevormd. Aangezien waterstof geen koolwaterstof is, zoals aardgas, komen er geen koolstofdioxide en geen koolmonoxide vrij. Alle sensoren en protocollen en veiligheidsmaatregelen rondom dit probleem kunnen dus uit het raam. ‘Grijze waterstof’ doet dus niks voor het klimaat. Het kan er echter wel voor zorgen dat er geen koolmonoxide-ongevallen meer zijn.

Moet er verder nog wat veranderen in huis, om waterstof te kunnen gebruiken?

Omdat gas een bijna drie keer zo lage energiedichtheid heeft, moet er een groter volume door de leidingen stromen. Dit kan problemen opleveren met de gasmeters, omdat hun capaciteit hier niet op berekend is. Dit speelt voornamelijk met balgmeters. Ook bij gasmeters die werken op basis van ultrasone metingen is dit probleem er, maar hier is dat softwarematig aan te passen. Overigens draaien de meeste gasmeters op dit moment, zeker in nieuwbouwwoningen, nog lang niet op hun maximale capaciteit.

In principe is het gebruik van waterstof in woningen veilig, constateerde onlangs KIWA UK in een project met de naam HyHouse Case Study. Voordeel van waterstof is, zo schetst KIWA, dat het veel lichter is dan aardgas en dat het daardoor onwaarschijnlijker is dat zich gevaarlijke concentraties ophopen.

En hoe zit het met het beleid?

Het maximaal toegestane percentage waterstof in het distributienet is op dit moment 2 promille – in Duitsland ligt dit al op 10 procent. Om echte waterstofnetten te creëren is het dus waarschijnlijk nodig om ze los te knippen van het bestaande aardgasnet.