Vooral kansen voor combinatie waterstof en elektrisch
Is een superschone waterstofeconomie de toekomst? Waterstof kan energie opslaan en transporteren, ideaal aangezien opslag van duurzame elektrische energie lastig is. Een gemengde economie – waterstof aanvullend op elektrische energie – is het meest waarschijnlijke scenario.
Dit artikel verscheen bij OneWorld Powerswitch, het online platform voor de energietransitie. Het maakt deel uit van mijn toekomstverkenning naar de energietransitie.
Waterstof: het is de schoonst denkbare vorm van energie. Bij een voertuig dat op waterstof rijdt komt immers alleen waterdamp uit de uitlaat, en geen stikstofoxiden die smog en geïrriteerde luchtwegen veroorzaken, geen klimaatveranderende CO2 én geen fijnstof [voertuigen geven via banden en carrosserie altijd kleine hoeveelheden deeltjes af]. In slechts een paar minuten vul je de lege tank van een waterstofauto zoals de Toyota Mirai of de Hyundai Nexo, waarmee je zo’n vijf- tot achthonderd kilometer kunt rijden. Gene lange wachttijden zoals bij elektrisch laden.
Waterstof wordt in bepaalde industriële processen, zoals bij de productie van staal, al veel gebruikt. Het kan eenvoudig getransporteerd worden en relatief gemakkelijk gebruikmaken van de huidige infrastructuur van de petrochemie: de raffinaderijen, de gasvelden (voor opslag) en het netwerk van gasleidingen voor distributie.
Op 10 februari jl. besteedde het tv-programma Tegenlicht (VPRO) aandacht aan de waterstofeconomie. In de uitzending wordt de waterstofeconomie door verschillende spelers bejubeld. Verder wordt goed duidelijk welke technologie beschikbaar is en komt.
Toch is er één grote belemmering: het op grote schaal produceren van ‘groene waterstof’
De technologie is er en de ervaring leert dat bij het massaal in de praktijk brengen daarvan, de kosten nog zullen dalen en de prestaties worden verbeterd. Veel van de cijfers waar de voor- en tegenstanders van waterstof en elektrisch mee schermen, moeten daarom niet al te precies genomen worden. Toch is er één grote belemmering die de grootschalige uitvoering van een waterstofeconomie in de weg staat: het op grote schaal produceren van ‘groene’ waterstof.
Waterstof uit aardgas: help, CO2-uitstoot!
Op dit moment wordt verreweg het grootste deel van alle waterstof gemaakt uit aardgas (beter gezegd: methaan): dit gas is in grote hoeveelheden beschikbaar en relatief eenvoudig om te zetten in waterstof. Van alle Nederlandse aardgas wordt 10 procent omgezet in waterstof. Lange tijd gold aardgas als de ideale grondstof voor grootschalige productie van waterstof. Niet toevallig waren gasreuzen als Rusland/Gazprom, Shell en Gasunie decennia geleden dan ook al enthousiast over waterstof.
Maar er is een groot probleem: bij de productie van waterstof uit aardgas komt CO2 vrij. En daar zit tegenwoordig niemand meer op te wachten. Nu is het mogelijk om deze CO2 direct ‘af te zuigen’ en op te slaan (carbon capture and storage = ccs genaamd) in de bodem of in materialen zoals beton, zoals ik in hier en hier eerder beschreef. Toch is dat verre van ideaal, zeker gezien de grote moeite die we nu al hebben om onze bestaande CO2-uitstoot te verminderen.
De industrie werkt hard aan nieuwe chemische processen om waterstof te maken uit aardgas zónder dat er CO2 vrijkomt, bijvoorbeeld door in zuurstofvrije-omgevingen of met membranen te voorkomen dat de koolstof uit metaan bindt met zuurstof tot het gevreesde CO2. Deze processen zijn vaak wel bewerkelijker of duurder. Ze zijn vooral interessant als de bijproducten en de warmte die tijdens de chemische omzetting ontstaan, direct hergebruikt kunnen worden, als grondstof in andere industriële processen zoals de productie van staal.
Waterstof uit aardgas is dus niet zo interessant als het alleen maar gebruikt wordt als energieopslag
Waterstof uit aardgas is dus niet zo interessant als het alleen maar gebruikt wordt als energieopslag. Bovendien gaat er veel energierendement verloren wanneer aardgas eerst wordt omgezet in waterstof in plaats van direct gebruikt voor de productie van elektriciteit, het verwarmen van cv-installaties of het laten rijden van voertuigen (met de brandstof lpg, ofwel liquefied petroleum gas). Een voorbeeld: een hoge rendement (HR) cv-ketel op aardgas heeft een efficiëntie van ongeveer 85 procent. Wordt er in plaats daarvan waterstof gebruikt, dan daalt dit rendement naar 60 procent. Met een warmtepomp kan een rendement van 250 procent gehaald worden als er slim gebruik gemaakt wordt van warmteopslag, wat bij gassen niet mogelijk is.
Waterstof uit…. water
Maar waterstof kan ook gemaakt worden met elektriciteit uit gedestilleerd water. Denk aan het simpele proefje uit de scheikundeles op school: als je twee elektroden in een bak met water hangt en er stroom op zet, ontstaat aan de ene pool waterstofgas en aan de andere zuurstofgas, die je als kleine belletjes ziet opborrelen en kunt opvangen. Dit proces heet elektrolyse. Grote voordeel: er komt geen afval of CO2 vrij bij de productie en de grondstof water is in overvloed aanwezig, en bovendien goedkoop. Dit type waterstof wordt ook wel ‘groene waterstof’ genoemd, om onderscheid te maken met de ‘grijze’ waterstof uit aardgas.
Toch heeft ook dit proces een groot nadeel: elektrolyse kost behoorlijk veel (elektrische) energie. Om op grote schaal schone waterstof te produceren is dus veel schone elektrische energie nodig. Alleen in landen als IJsland is die energie momenteel via geothermie beschikbaar (kernenergie is een andere optie, maar dat is in veel landen onbespreekbaar).
In Nederland wekken we met veel inspanningen inmiddels zo’n 14 procent van alle stroom duurzaam op, vooral middels windmolens en zonnepanelen. Van een overschot aan duurzame energie is voorlopig dus geen sprake. Het is op dit moment efficiënter om deze duurzame elektrische energie te leveren aan het elektriciteitsnet of direct te gebruiken in je eigen huis. Daar komt bij dat de elektrische auto en de batterij-technologie de afgelopen jaren grote sprongen hebben gemaakt, met dank aan Tesla dat zorgde voor een enorme versnelling van de ontwikkeling in de sector. De elektrische auto staat op het punt om grootschalig door te breken nu vrijwel alle fabrikanten elektrische modellen hebben aangekondigd voor de komende jaren. Tel daarbij het enorme aantal oplaadpunten op dat Nederland inmiddels heeft: er zijn meer dan tienduizend laadpunten binnen een afstand van honderd kilometer tot elke burger.
Het meest rendabel is om duurzaam opgewekte elektriciteit te gebruiken in het stroomnet en op te slaan in accu’s
Kortom: het is voorlopig nog het meest rendabel om de duurzaam opgewekte elektriciteit te gebruiken in het stroomnet, in de huizen van burgers en op te slaan in accu’s – in plaats van er groene waterstof mee te produceren.
Transitie
Op de langere termijn kan de situatie echter gaan veranderen: als er meer en meer windmolens en zonnepanelen bijkomen, kan er bij mooi weer en harde wind een (tijdelijk) overschot aan energie ontstaan. Dan krijgen energieproducenten en netwerkbeheerders de keuze: de energie ‘weggooien’ – omdat deze nauwelijks iets oplevert bij overvloed en omdat grote fluctuaties in het energieaanbod kunnen leiden tot instabiliteit van het stroomnet – de energie opslaan in accu’s, óf de energie omzetten in waterstof en op die manier te ‘bewaren’.
Het voordeel is dat waterstof langdurig bewaard kan worden, licht is en eenvoudig getransporteerd kan worden over de hele wereld, in tegenstelling tot zware elektrische accu’s. De waterstof zou gebruikt kunnen worden om vliegtuigen, bussen en schepen op te laten varen. Het zou ook gebruikt kunnen worden om tekorten in duurzame energie in de winter en bij windstil weer op te vangen. Nederland beschikt met zijn uitgebreide gasinfrastructuur over een ideale infrastructuur om straks ook waterstof in op te slaan (in de lege gasvelden bijvoorbeeld) of te transporteren via het uitgebreide gasleidingennetwerk dat er al ligt. Er zijn zelfs cv-ketels op waterstof in ontwikkeling zodat we er onze huizen mee kunnen verwarmen. Technologisch is er steeds meer mogelijk en ook haalbaar. De kosten zijn vooral afhankelijk van de schaal waarop de technieken uitgerold worden en de mogelijke aansluiting bij andere investeringen. Waterstof en elektrische energie lijken elkaar in wereldwijde ontwikkeling weinig te ontlopen (qua toepassingen en kosten van de installaties bij massaproductie).
Wil Nederland zelfvoorzienend zijn of, zoals met gas, een exporteur en handelaar in energie zijn en daar geld aan verdienen?
Hoe de toekomst er in Nederland precies uit gaat zien zal sterk bepaald worden door overheidsbeleid en de prikkels die de overheid aan bedrijven en burgers geeft om te investeren in bepaalde technieken. Zowel voor een elektrische energie-infrastructuur als voor een waterstofeconomie zijn grote investeringen nodig. Hierbij spelen vragen als: willen we als Nederland zelfvoorzienend zijn of willen we, zoals met het gas, een exporteur en handelaar in energie zijn en daar geld aan verdienen? Willen we nog meer windmolens en zonneweides, of kiezen we op een gegeven moment voor een aanvulling met waterstof, bijvoorbeeld voor koken, verwarmen en transport?
Gezien de grote uitdagingen om op grote schaal groene waterstof te produceren, is het onwaarschijnlijk dat Nederland uitgroeit tot een waterstofeconomie. De toekomst ligt veel meer in een combinatie van waterstof met elektrische energie. Dit is ook wat de sector zelf bepleit in haar Routekaart Waterstof 2018, waarbij voor waterstof vooral een rol ligt bij industriële processen en voor schepen, vliegtuigen en vrachtwagens. Ook de GasUnie en Tennet, verantwoordelijk voor het stroomnet, pleiten in een persbericht van vorige week, voor een nauwe samenwerking tussen een elektrische- en gasinfrastructuur. Daarnaast zou Nederland wel een rol kunnen spelen in de regionale handel van waterstof in West-Europa. Gezien de grote investeringen is het belangrijk dat de overheid nu al duidelijke keuzes maakt en de regie neemt in de energietransitie.
Update 28-02-2020
De Gasunie, Groningen Seaports en Shell Nederland willen in Groningen het grootste groene waterstofproject van Europa bouwen: NortH2. De plannen bestaan uit een megawindpark op zee dat stroom zal opwekken voor de productie van waterstof. De ambitie is om voor 2040 het energieverbruik van 12,5 miljoen Nederlandse huishoudens te dekken met de waterstofproductie.
Wisdom of the crowd 