Waterstofinjectie: waterstof toevoegen aan bestaande installaties
Waterstofinjectie is het toevoegen van waterstofgas (H2) aan een proces dat oorspronkelijk op een andere brandstof of grondstof draait, zonder dat proces helemaal om te bouwen. Denk aan een dieselmotor die tegelijk ook een beetje waterstof verbrandt, of een hoogoven in de staalindustrie waar naast steenkool ook waterstof wordt ingeblazen. In beide gevallen vervangt de waterstof een deel van de fossiele brandstof, terwijl de rest van de installatie grotendeels hetzelfde blijft.
Een handige vergelijking: stel dat een restaurant traditioneel alleen vlees gebruikt, maar begint met het door de gehaktballen mengen van een portie linzen. Het gerecht blijft in de basis hetzelfde, de bereidingswijze verandert nauwelijks, maar er is minder vlees nodig. Waterstofinjectie werkt zo in de industrie en in motoren: bestaande, dure apparatuur blijft grotendeels in gebruik, terwijl geleidelijk een deel van de fossiele input wordt vervangen door waterstof. Het is daarmee vooral een overgangstechniek, geen eindstation.
Wat is het precies?
Waterstof (H2) is het lichtste element en kan, wanneer het verbrandt of reageert met zuurstof, energie leveren zonder dat er CO2 vrijkomt. Waterstof komt in de natuur nauwelijks los voor; het moet gemaakt worden, bijvoorbeeld uit aardgas (dan heet het meestal 'grijze' waterstof, met CO2-uitstoot) of met elektriciteit en water via elektrolyse ('groene' waterstof als die elektriciteit duurzaam is opgewekt). Deze kleurcodes zeggen dus niets over het gas zelf, maar over de manier waarop het gemaakt is.
In een verbrandingsmotor wordt waterstof meestal ingespoten in de inlaatlucht of, bij geavanceerdere systemen, direct in de cilinder, naast de bestaande brandstof zoals diesel. Waterstof verbrandt snel en gelijkmatig, wat de verbranding van de andere brandstof kan verbeteren en de uitstoot van roet en stikstofoxiden kan verlagen. Dit heet 'dual-fuel': de motor draait op twee brandstoffen tegelijk, waarbij het aandeel waterstof kan oplopen tot enkele tientallen procenten van de energie-input.
In een hoogoven, waar ijzererts wordt omgezet in vloeibaar ruwijzer, gebeurt iets vergelijkbaars maar dan chemisch. Normaal wordt hiervoor cokes (verhitte steenkool) gebruikt, die zowel warmte levert als zuurstof uit het erts haalt (een proces dat 'reductie' heet). Bij waterstofinjectie wordt via blaaspijpen, tuyères genoemd, waterstofgas de oven in geblazen. Waterstof kan die reductie ook uitvoeren, en produceert daarbij waterdamp (H2O) in plaats van CO2. Omdat de hoogoven verder ongewijzigd blijft, kan slechts een deel van de kolen vervangen worden; de kern van het proces blijft op fossiele koolstof draaien.
Belangrijk om te onthouden: waterstofinjectie is dus iets anders dan volledige 'directe reductie met waterstof' (DRI), waarbij een compleet nieuwe installatie wordt gebouwd die uitsluitend op waterstof reductie uitvoert. Injectie is een tussenstap in bestaande fabrieken; DRI is een vervanging ervan.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het verlagen van CO2-uitstoot zonder meteen miljarden euro's te hoeven investeren in compleet nieuwe fabrieken of wagenparken. Hoogovens en motoren gaan tientallen jaren mee; ze in één keer vervangen is technisch en financieel enorm ingrijpend. Injectie biedt een manier om nu al stappen te zetten, terwijl bedrijven zich voorbereiden op grotere, duurdere veranderingen.
Voor de staalindustrie, verantwoordelijk voor een aanzienlijk deel van de industriële CO2-uitstoot wereldwijd, is elke procent reductie relevant. Voor de transportsector gaat het vooral om het verlagen van uitstoot van zware dieselvoertuigen, zoals vrachtwagens en bussen, waarvoor volledig elektrische of waterstofaangedreven alternatieven nog duur of niet overal beschikbaar zijn.
Daarnaast speelt een praktisch argument: door nu al ervaring op te doen met waterstof in bestaande installaties, bouwen bedrijven kennis en vertrouwen op voor de grotere stap naar volledig waterstofgebaseerde of elektrische processen later.
Voorbeelden uit de praktijk
ThyssenKrupp Steel, Duisburg (Duitsland) begon eind 2019 als een van de eersten met het testen van waterstofinjectie in een van zijn hoogovens, als vervanging voor een deel van de pulverkool die normaal wordt ingeblazen. Het bedrijf breidde de proeven daarna uit naar meerdere hoogovens op de locatie.
Tata Steel IJmuiden (Nederland) heeft eveneens proeven gedaan met waterstofinjectie in zijn hoogovens, als onderdeel van een breder transitieplan. Het bedrijf werkt daarnaast aan een veel ingrijpender stap: de bouw van een directe-reductie-installatie (DRI) met elektrische vlamboogovens, waarmee op termijn de hoogovens overbodig moeten worden. Aardgas dient hierbij in eerste instantie als reductiemiddel, met het perspectief om dit later te vervangen door waterstof.
ArcelorMittal experimenteert op meerdere Europese locaties met waterstof in de staalproductie, onder meer via proefprojecten voor hoogoveninjectie en via een DRI-demonstratie-installatie in Hamburg (Duitsland), die op waterstof kan draaien.
ULEMCo, een Brits bedrijf, converteert sinds ongeveer 2013 dieselvoertuigen zoals vrachtwagens, bestelwagens en hulpdienstvoertuigen naar dual-fuel-uitvoeringen waarbij waterstof via de inlaat wordt bijgemengd.
Keyou, een Duits bedrijf opgericht in 2015, ontwikkelt technologie om bestaande verbrandingsmotoren te laten draaien op waterstof, met toepassingen in onder meer bestelwagens en later ook zwaarder transport.
Hoe ver is de techniek?
Waterstofinjectie in hoogovens bevindt zich in de fase van proefdraaien en opschaling, niet van grootschalige, permanente toepassing. De behaalde CO2-reductie per hoogoven ligt doorgaans in de orde van enkele tientallen procenten op het deel van de brandstofmix dat wordt vervangen, niet op de totale uitstoot van de fabriek. De grotere sprong, volledige omschakeling naar DRI met waterstof, vergt nieuwe fabrieken, veel meer (groene) waterstof en aanzienlijke investeringen; die stap is bij de meeste bedrijven pas voor de jaren 2030 voorzien, en planningen zijn de afgelopen jaren regelmatig vertraagd of bijgesteld vanwege kosten en beschikbaarheid van groene stroom en waterstof.
Bij verbrandingsmotoren is dual-fuel-technologie technisch beproefd, maar commercieel vooral een nichetoepassing: vloten van bussen, vuilniswagens en bestelwagens bij gemeenten en bedrijven die al gericht zijn op verduurzaming. Grootschalige uitrol wordt beperkt door twee dingen: er is nog weinig tankinfrastructuur voor waterstof voor voertuigen, en de beschikbare waterstof is vaak nog 'grijs', waardoor de klimaatwinst kleiner is dan gehoopt totdat groene waterstof breder beschikbaar en betaalbaar wordt.
Kortom: de techniek werkt, maar de opschaling wordt vooral afgeremd door de beperkte beschikbaarheid en hoge kosten van groene waterstof, niet door de injectietechniek zelf.
Wie werken eraan?
In de staalindustrie zijn naast ThyssenKrupp, Tata Steel en ArcelorMittal ook Zweedse en Oostenrijkse spelers actief: SSAB werkt samen met mijnbouwbedrijf LKAB en energiebedrijf Vattenfall aan het HYBRIT-project, gericht op fossielvrij staal; Oostenrijkse voestalpine doet vergelijkbaar onderzoek naar waterstof in de staalproductie. Onderzoeksinstituten zoals Fraunhofer (Duitsland) en RWTH Aachen ondersteunen veel van deze industriële proeven met technisch onderzoek.
In de transportsector zijn behalve ULEMCo en Keyou ook grotere motorenbouwers als Cummins en JCB bezig met waterstofverbrandingsmotoren, en werkt toeleverancier Bosch aan injectiesystemen die specifiek voor waterstof geschikt zijn. In Nederland doet onderzoeksorganisatie TNO onderzoek naar waterstoftoepassingen in industrie en mobiliteit, en ondersteunt de Rijksoverheid via subsidieregelingen pilotprojecten op dit gebied.
Op Europees niveau financiert de EU dit soort proefprojecten onder meer via Horizon Europe en het zogeheten IPCEI-programma (Important Projects of Common European Interest) voor waterstof, waarmee lidstaten gezamenlijk industriële waterstofprojecten steunen.