Hoe de wereld met schone waterstofproductie de klimaatdoelen kan halen
Waterstof kan het klimaatprobleem helpen oplossen. Tenminste, als we het op de juiste, schone manier gaan produceren. Leidse onderzoekers brachten de wereldwijde milieu-impact van waterstofproductie in kaart en keken vooruit tot 2050. Ze publiceerden hun werk in Energy & Environmental Science.
Als we fossiele brandstoffen kunnen vervangen door waterstof als bijvoorbeeld de grondstof voor kunstmest en voor staalproductie, kan dat enorm veel klimaatschade schelen. Alleen: bij het maken van waterstof komt meestal veel CO2 vrij. Gemiddeld wel veertien kilo per kilo waterstof. Momenteel is aardgas de efficiëntste en belangrijkste grondstof voor waterstofgas. In de stoom-reforming-techniek reageert stoom, water dus, bij 700 tot 1100°C met methaangas, waarbij synthesegas en waterstof ontstaan. Iets vergelijkbaars gebeurt ook met steenkool.
Milieu-effecten waterstofproductie alarmerend
Shijie Wei, promovendus bij het Centrum voor Milieuwetenschappen Leiden, is de eerste auteur van het artikel Future environmental impacts of global hydrogen production. Hij becijferde de milieu-impact van de huidige waterstofproductie wereldwijd en verkende mogelijke toekomstscenario’s. Hij gebruikte de methode die levenscyclusanalyse heet (LCA) om de totale milieu-impact van negen waterstofproductietechnieken te vergelijken. Zijn bevindingen zijn alarmerend, vindt Wei’s begeleider Bernhard Steubing: ‘Als de waterstofproductie zoals verwacht toeneemt met een factor vier tot acht, kan het tot 2050 maar liefst 12 procent van het resterende koolstofbudget uitstoten dat we nog hebben om de aarde niet meer dan 1,5°C te laten opwarmen.’
CO2 afvangen is een riskante escape
Voor een belangrijk deel komt dit door het gebruik van fossiele brandstoffen - bijvoorbeeld aardgas - als bron voor de productie van waterstof. De auteurs onderzoeken scenario's van het Internationaal Energieagentschap. Dat voorspelt dat aardgas in belangrijke mate zal worden gebruikt in de eerder beschreven stoom-reforming-techniek. Maar dan wel gekoppeld aan het opvangen en opslaan van CO2. Volgens Wei is het riskant om ervan uit te gaan dat CO2-opslag het probleem zal oplossen. ‘Met deze “escape” blijven we vasthouden aan fossiele brandstoffen. Bovendien zou waterstofproductie dan tegen 2050 nog steeds ongeveer 1 gigaton CO2-equivalenten per jaar uitstoten.’
Tel uit je verlies en kies niet voor opslag-infrastructuur
Wei berekende de jaarlijkse emissie door ervan uit te gaan dat in totaal 64 procent van alle CO2 die vrijkomt bij de waterstofproductie wordt afgevangen. ‘Sommige anderen gaan uit van wel 96 procent, maar zij gaan ervan uit dat ook de CO2 wordt afgevangen die vrijkomt in het rookgas van de brander die de warmte voor de reactie levert. Wij gaan uit van alleen het afvangen van de CO2 die vrijkomt bij de stoom-methaangasreactie zelf.’
‘We moeten er rekening mee houden dat er ondanks CO2 afvang en -opslag toch nog veel uitstoot blijft'
Ook de CO2 uit rookgas kunnen afvangen is heel kostbaar en er zitten technische uitdagingen aan. Tel uit je verlies, aldus Wei: ‘We moeten er rekening mee houden dat er ondanks CO2 afvang en -opslag toch nog veel uitstoot blijft. Elk jaar opnieuw, zolang deze opslag-infrastructuur meegaat.’ Wei vindt het beter om deze weg niet in te slaan en zulke afvang- en opslaginfrastructuur helemaal niet te gaan aanleggen.
Beter: de elektrolyse van water
Waterstofproductie kan veel beter, namelijk met de methode uit elektriciteit en water. Daarbij ontstaan alleen waterstof en zuurstof. Deze zogeheten elektrolyse is veel schoner dan andere productiemethoden, mits je er duurzaam opgewekte elektriciteit voor gebruikt. In het ideale geval zijn zonne- en windparken aangesloten op een elektrolyser. Als het hard waait op een moment dat het elektriciteitsnet geen stroom kan gebruiken, zet de elektrolyser de overtollige stroom om in waterstof. Dit flexibele systeem bestaat al.
Voorkom extra uitstoot met elektrolyse
Steubing: ‘Als we zo snel mogelijk omschakelen naar waterstofproductie door elektrolyse met hernieuwbare energie, kunnen we heel veel CO2-uitstoot voorkomen.’
'We kunnen niet zo lang jaarlijks 1 gigaton CO2 uitstoten voor alleen maar de productie van waterstof'
Weis promotor en mede-auteur Arnold Tukker adviseert beleidsmakers met klem: 'Versnel de uitbreiding van duurzame energieopwekking, ontwikkel elektrolyse sneller. Het is ongelofelijk riskant om te denken dat we het klimaatprobleem met waterstof kunnen oplossen door in te zetten op de stoom-reforming-techniek met methaan en CO2-opslag. Als je eenmaal zo'n infrastructuur hebt gebouwd, zit je opgesloten. Je moet het tientallen jaren gebruiken. We kunnen niet zo lang jaarlijks 1 gigaton CO2 uitstoten voor alleen maar de productie van waterstof. Je kunt dit alleen drastisch verlagen door kostbare koolstofafvang en -opslag na verbranding toe te voegen, wat we niet hebben meegenomen. Elektrolyse is duidelijk de veiligere optie.’
Future environmental impacts of global hydrogen production | Energy & Environmental Science | 22/2/2024
Tekst: Rianne Lindhout
Beeld: Pexels