Waterstof als indirect broeikasgas: klein en onbelangrijk, of substantieel en iets om aan te pakken?

Featured image: Proactive Investors

Nederland wil in Europa koploper zijn in het ontwikkelen van de waterstofeconomie. Met onze goed ontwikkelde haven-, transport-, en opslagfaciliteiten,  de strategische doorvoer locatie naar buurlanden, bestaande industrieën, ervaring met waterstof en beschikbaarheid van offshore windenergie, heeft Nederland hiervoor een goede uitgangspositie. De groeiende waterstofeconomie kan waardevolle marktkansen openen voor fabrikanten in binnen- en buitenland. Geen wonder dus dat de ontwikkelingen op waterstof in ons land razend snel gaan.

Meer dan 1000 Nederlandse bedrijven zijn al betrokken bij deze opkomende markt. Er wordt volop geïnvesteerd in waterstof, zo is er los van het groeifonds, alleen via RVO al meer dan 622 miljoen euro aan subsidies beschikbaar waar waterstof initiatieven aanspraak op kunnen maken. Ook wordt hard gewerkt aan de realisatie van de waterstof-backbone, het 136.000 km lange leidingnetwerk dat vanaf 2027 stapsgewijs de industriële clusters met elkaar, het buitenland en productie- en opslaglocaties zal verbinden. Uit het gevoerde beleid is duidelijk dat Nederland all-in gaat op waterstof in alle stappen van de waardeketen en sectoren, van opwek, transport en industriële toepassing, tot maritiem, wegtransport en woningverwarming.

Terwijl de waterstof ontwikkelingen in volle gang zijn, is er in de wetenschap steeds meer aandacht voor de klimaatrisico’s van waterstofemissies. Dit vraagt ons om, zonder het enthousiasme voor de energietransitie te verliezen, goed te kijken naar de wetenschappelijk aangetoonde voor- en nadelen van waterstof. Een belangrijke vraag is: hoe zorgen we voor een  waterstofeconomie waarin de negatieve effecten op het klimaat zo klein mogelijk zijn?

Waterstof is zelf geen broeikasgas. Als waterstof in de atmosfeer komt, bijvoorbeeld door kleine lekkages, veroorzaakt het een reeks reacties die leiden tot een toename van de concentraties van andere broeikasgassen zoals methaan, ozon en waterdamp. Waterstof reageert namelijk  in de lucht met OH, ook wel de "reiniger" van de atmosfeer genoemd. Met meer waterstof in de atmosfeer is er minder OH beschikbaar om methaan (wel een broeikasgas) af te breken, waardoor methaan langer blijft hangen. Zoals bekend, verwarmt methaan de planeet 28 keer meer dan koolstofdioxide over 100 jaar, en 84 keer meer over 20 jaar, wat het een veel sterker broeikasgas maakt in vergelijking tot CO2. Daarnaast produceert de reactie van waterstof met OH waterdamp en H. Wanneer H (atomair waterstof) vrijkomt zet het een keten van reacties in gang die uiteindelijk ozon genereren. Deze ozon ontstaat dichtbij de aarde en werkt daar, in tegenstelling tot in de ozonlaag zelf, als een broeikasgas. Ook waterdamp is een broeikasgas.

Figuur 1: Overgenomen uit: "Climate consequences of hydrogen emissions" B. Ocko & Steven P. Hamburg

Deze reacties bij elkaar zorgen ervoor dat het indirecte broeikasgaseffect van waterstof op een tijdschaal van 100 jaar ongeveer 12 keer sterker is dan dat van CO2. De eerste 20 jaar is het effect 35 tot 40 keer sterker. Figuur 2. laat de klimaateffecten zien van blauwe (geproduceerd uit fossiele brandstoffen met carboncapture) en groene waterstof (gemaakt met hernieuwbare elektriciteit) in vergelijking met het gebruik van fossiele brandstoffen. Hoeveel waterstof, het kleinste molecuul, bedoeld en onbedoeld in de atmosfeer zal komen is nog onbekend. Hier wordt  onderzoek naar gedaan, maar er zal meer bekend worden als nieuwe betere meetinstrumenten gereed zijn voor gebruik. In de figuur wordt daarom als uitgangspunt genomen dat in het beste geval 1% van de waterstof ergens tussen opwek en gebruik weglekt, en in het slechtste geval 10%. Bij blauwe waterstof wordt daarnaast aangenomen dat tussen de 1% en 3% methaan weglekt.

Zoals uit deze  afbeelding blijkt kunnen waterstofemissies de klimaatvoordelen van waterstof aanzienlijk verminderen. De negatieve effecten zijn groter op de korte termijn (20 jaar), dan op de langere termijn (100 jaar). Omdat lekkages van waterstof nooit kunnen worden uitgesloten betekent dit dat waterstof, hoewel in de meeste scenario’s beter voor het klimaat dan fossiele brandstoffen, geen net zero oplossing is. Wetenschappers zijn al langer bekend met de indirecte opwarmende effecten van waterstof. Toch werd er weinig aandacht aan gegeven, omdat de omvang van het effect werd onderschat. Recent onderzoek laat echter zien dat het effect groter is dan eerder werd aangenomen.

 Figuur 2: Overgenomen uit: "Climate consequences of hydrogen emissions" B. Ocko & Steven P. Hamburg

De bovenstaande figuur toont alleen de effecten van blauwe en groene waterstof. Op dit moment is echter 99% van de geproduceerde waterstof nog grijs, wat betekent dat er geen carbon capture technieken worden gebruikt. Het effect van grijze waterstof op klimaatverandering is sterker dan de directe uitstoot van fossiele brandstoffen.

Moeten we stoppen met het gebruik van waterstof?

Nee, waterstof heeft een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van andere energiedragers en zal in de nabije toekomst een belangrijk onderdeel uitmaken van de energiemix. Op basis van deze nieuwe kennis moeten we inzetten om waterstofemissies zo veel mogelijk te voorkomen. Waterstof is een heel klein molecuul, dat waarschijnlijk makkelijker ontsnapt uit leidingen, koppelingen en installaties dan bijvoorbeeld aardgas. Maar hoeveel waterstof straks ontsnapt weten we niet. De lekkagegroottes die relevant zijn voor het klimaat (parts per billion) zijn namelijk nog niet goed real time in het veld te meten. De apparatuur daarvoor is nog in ontwikkeling. Om de implementatie van waterstof echter vanaf het begin goed te doen, zullen we waterstof alleen moeten toepassen waar geen schonere alternatieven, zoals groene elektriciteit, mogelijk zijn. En lekkages nu al moeten monitoren met de, op dit moment, best beschikbare technieken. Het doel is om de lekkages op te sporen en te verhelpen en hiervan te leren voor volgende strategische keuzes en technische ontwerpen. Door de ontwikkeling van waterstof vanaf het begin goed te doen, kunnen we voorkomen dat we ons in de toekomst echt zorgen moeten maken.

Wilt u meer weten over dit onderwerp, de laatste ontwikkelingen op het gebied van monitoring en concrete handelingsperspectieven? Dan bent u van harte uitgenodigd voor de bijeenkomst over dit onderwerp op 19 juni te Rotterdam met sprekers vanuit de wetenschap en industrie. Meer informatie over dit event vindt u hier.

Aanmelden kan hier. Meer weten? Mail Suzanne@ideasfrom.eu

Gebruikte bronnen

Ocko, Ilissa, and Steven P. Hamburg. “Climate Consequences of Hydrogen Emissions.” Atmospheric Chemistry and Physics 22, no. 14 (July 20, 2022): 9349–68. https://doi.org/10.5194/acp-22-9349-2022. 

Blogs, Edf. “New Research Reaffirms Hydrogen’s Impact on the Climate, Provides Consensus.” Energy Exchange, January 17, 2024. https://blogs.edf.org/energyexchange/2023/07/19/new-research-reaffirms-hydrogens-impact-on-the-climate-provides-consensus/. 

Esquivel-Elizondo, Sofia, Alejandra Hormaza Mejia, Tianyi Sun, Eriko Shrestha, Steven P. Hamburg, and Ilissa Ocko. “Wide Range in Estimates of Hydrogen Emissions From Infrastructure.” Frontiers in Energy Research 11 (August 4, 2023). https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1207208. 

Blogs,Environmental Defense Fund. “Known Unknown: Current Hydrogen Leak Estimates Vary by up to 100-fold. We Need to Know More Before Betting the Farm.” Energy Exchange, January 17, 2024. https://blogs.edf.org/energyexchange/2023/08/16/known-unknown-current-hydrogen-leak-estimates-vary-by-up-to-100-fold-we-need-to-know-more-before-betting-the-farm/. 

Environmental Defense Fund. “Hydrogen Energy: Climate Hope or Climate Hype? | Ilissa Ocko’s Talk at SXSW 2023 | Extended Version,” March 15, 2023. https://www.youtube.com/watch?v=bLBc5mwYA68. 

Ministerie van Economische Zaken en Klimaat. “Government Allocates €646 Million to Projects Designed to Boost Economic Growth.” English | Nationaal Groeifonds, August 11, 2021. https://www.nationaalgroeifonds.nl/english/government-allocates/government-allocates-%E2%82%AC646-million-to-projects-designed-to-boost-economic-growth.

Ministerie van Economische Zaken en Klimaatbeleid en Nationaal Klimaatakkoord Nederland. Routekaart Waterstof voor Nederland,. Nationaal Waterstofprogramma, n.d. https://www.nationaalwaterstofprogramma.nl/documenten/handlerdownloadfiles.ashx?idnv=2339011

Milieu Centraal. “Waterstof: Welke Kansen Zijn Er?,” n.d. https://www.milieucentraal.nl/klimaat-en-aarde/energiebronnen/waterstof/. 

IEA. “The Future of Hydrogen – Analysis - IEA,” June 1, 2019. https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen. 

NL Dutch Solutions for a Hydrogen Economy. NL Hydrogen Guide. Netherlands Enterprise Agency,https://www.rvo.nl/sites/default/files/2022-05/NL-Dutch-solutions-for-a-hydrogen-economy-V-April-2022-DIGI.pdf. 

Green Hydrogen Organisation. “Netherlands,” n.d. https://gh2.org/countries/netherlands#:~:text=Capacity%20and%20capacity%20targets,to%20IPHE%20by%20November%202021). 

Environmental Science & technology. ‘’Climate Impacts of Hydrogen and Methane Emissions Can Considerably Reduce the Climate Benefits across Key Hydrogen Use Cases and Time Scales’’ February 21, 2024
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c09030

Frontiers. ‘’Wide range in estimates of hydrogen emissions from infrastructure’’ August 4, 2023

\https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2023.1207208/full