De rol van waterstof

Foto: Energy Observer Productions, Victorien Erussard

In het jaar 2050 is de energievoorziening fossielvrij. Biogas, biomassa en geothermie spelen een rol, maar het merendeel van de elektriciteit wordt opgewekt met wind en zon. Als het hard waait of de zon schijnt dan is er elektriciteit in overvloed, maar op andere momenten zal er minder elektriciteit beschikbaar zijn. Dit is een grote verandering ten opzichte van het heden. De beschikbaarheid van elektriciteit is niet meer vanzelfsprekend. We passen ons gedrag aan: we zetten de wasmachine aan als het zonnig is en de industrie is ook meer vraag/aanbod gestuurd. Op momenten van weinig duurzame opwek zal elektriciteit gemaakt gaan worden vanuit opslag. Waterstof is een van de weinige energiedragers die hiervoor geschikt zijn in Nederland, al zijn er natuurlijk wel alternatieven.

Het verwarmen van onze huizen gebeurt niet meer met aardgas. Dit zal deels met elektriciteit gebeuren via warmtepompen, maar deze oplossing is niet overal geschikt. Warmtenetten met geothermie of warmte uit water zullen gemeengoed zijn. Daar waar dit geen optie is zal waterstof een rol vervullen.

Waterstofproductie

Waterstof is een energiedrager, geen energiebron. Anders dan steenkolen, aardgas of aardolie wordt het niet gedolven, maar moet geproduceerd worden. De waterstof die tegenwoordig geproduceerd wordt is voor het leeuwendeel ‘grijs’. Deze waterstof wordt gemaakt uit fossiele brandstoffen, waarbij bij de productie CO2 vrijkomt.

Er wordt hard gewerkt aan een volledig duurzame energievoorziening. Grijze waterstof heeft hier geen rol in, omdat daar nog fossiele brandstoffen voor worden gebruikt. Dat vraagt om ‘groene’ waterstof. Dat is waterstof gemaakt uit duurzame bronnen, zoals zon, wind, water of biomassa. Er is nog een tussenvorm van waterstof, namelijk ‘blauwe’ waterstof. Dat is waterstof die uit fossiele bronnen gemaakt wordt, waarbij de CO2 ondergronds wordt opgeslagen. Dit wordt onderhand als een tussenstap in de energietransitie gezien.

Australië is een land dat veel potentie heeft voor de productie van waterstof. Australië kijkt met name naar het ontwikkelen van projecten voor het leveren van waterstof aan Japan, dat een grote vraag naar waterstof heeft. Ook Rusland lijkt op de vraag van Japan in te willen springen door groene waterstof, die geproduceerd wordt bij een waterkrachtcentrale, aan te gaan bieden.

Voor het voorzien van de EU van groene energie bestaan er plannen om in de Sahara energie te oogsten met zonnepanelen. De opbrengst daarvan is veel hoger dan in bijvoorbeeld Nederland. Door de geoogste energie in Noord-Afrika om te zetten naar waterstof kan dit de EU voorzien van een energie, die op elk gewenst moment gebruikt kan worden, ook voor het weer omzetten naar elektriciteit.

Het is de verwachting dat de olieproducerende landen in het Midden-Oosten ook grote spelers voor waterstofproductie gaan worden. De ambities hiervoor zijn uitgesproken, concrete projecten zijn nog in ontwikkeling.

Naast deze voorbeelden zijn er veel andere landen die groene waterstof willen gaan produceren. Zo zijn er tijdens de COP26 in Glasgow diverse samenwerkingen tussen landen uit de EU die waterstof willen importeren vanuit Zuid-Amerikaanse landen die waterstof willen gaan produceren. Duitsland en Nederland hebben tijdens de top in Glasgow een samenwerking met Namibië aangekondigd om daar groene waterstof te produceren.

Ook in Nederland zijn veel plannen om waterstof te gaan produceren met duurzame energie. Twee voorbeelden hiervan zijn North2 en Sinnewetterstof. NortH2 is een samenwerkingsproject van Gasunie, Shell, Groningen Seaports, RWE (Duits) en Equinor (Noors). North2 wil een leidende positie nemen in het versnellen en opschalen van de ontwikkeling van de waterstofmarkt in Noordwest-Europa. NortH2 wil nieuwe windparken aanleggen speciaal voor de productie van groene waterstof. De productie zal plaats vinden in een nieuw te bouwen waterstof productielocatie in de Eemshaven en later mogelijk ook op zee. Het project zit nog in de fase van haalbaarheidsstudies, maar wil in 2027 vier gigawatt opwekken en toegroeien naar tien gigawatt in 2040.

In het project Sinnewetterstof wordt in Oosterwolde in Friesland een elektrolyse-installatie van 1,3 MW geplaatst bij een zonnepark van 50 MWp. Dit is een project van Alliander en Groenleven. De overtollige elektriciteit van het zonnepark wordt gebruikt om waterstof te produceren. Op deze manier wordt piekbelasting in het elektriciteitsnet voorkomen en duurzame waterstof geproduceerd. De waterstofproductie wordt gebruikt in plaats van de opwek te verminderen of infrastructuur uit te breiden. Doel van dit project is onder andere om te testen of een waterstofproductielocatie het opwekprofiel van het zonnepark kan volgen, om te kijken in hoeverre op deze manier de pieken van elektriciteitsproductie gebruikt kunnen worden. Verwachting is dat de waterstofproductie begin 2022 operationeel is.

Aan ambities en plannen ontbreekt het niet. Het is de verwachting dat vanaf het midden van dit decennium groene waterstof op grote schaal geproduceerd zal worden.

Opslag en transport van waterstof

Nadat waterstof geproduceerd is moet het getransporteerd worden naar de plek waar het wordt toegepast. Over de weg gebeurt dit nu al, voornamelijk met grijze waterstof, in zogeheten tube trailers. Om Japan in haar waterstofbehoefte te voorzien richt men zich nu op het transport van waterstof per tankschip, maar gedachten over het leggen van een pijpleiding naar Japan lijken steeds serieuzer te worden. Voor toepassingen op grotere schaal zal waterstof -ook na overzees transport per schip- veelal worden getransporteerd in een leidingnet.

Het North2 project verwacht de waterstof te transporteren naar de industrie via de zogeheten waterstofbackbone. Dat is een landelijke ringleiding, die nu door de Gasunie beheerd wordt en die voor waterstof gebruikt kan gaan worden. De studie HyWay 27 concludeerde dat het huidige Nederlandse aardgastransportnet een kostenefficiënte basis is voor veilig waterstoftransport. HyWay 27 stelt dat een landelijke infrastructuur, inclusief toegang tot opslagfaciliteiten, noodzakelijk is om de waterstofambities van Nederland te bereiken in 2030.

Waterstof is geschikt om op te slaan om op een later gewenst moment gebruikt te worden. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden: waterstof kan in tanks worden opgeslagen: onder druk of onder zeer lage temperatuur, waterstof kan ondergronds opgeslagen worden: bijvoorbeeld in grotten, zoutcavernes of lege gas- of olievelden, of waterstof kan worden gebonden aan andere stoffen zoals palladium. Ook omzetting van waterstof naar ammonia is voor meerdere toepassingen veelbelovend.

In Nederland lijkt vanuit technisch en economisch oogpunt de opslag van waterstof in zoutcavernes een voor de hand liggende oplossing. Het tijdelijk opslaan van waterstof om productie en verbruik in balans te brengen, vereist de injectie en extractie van grote hoeveelheden waterstof in een korte periode; daarom is de Gasunie bezig om cavernes te realiseren die geschikt zijn om snel waterstof te leveren. Dit gebeurt via het project Hystock waar bij Zuidwending zoutcavernes geschikt worden gemaakt voor waterstofopslag. Deze opslag wordt gekoppeld aan de waterstofbackbone: een landelijk netwerk voor waterstof, en zal in 2026 in gebruik worden genomen.

Waterstoftoepassingen

Waterstof kan worden toegepast voor de industrie, transport, gebouwen en elektriciteitsopwekking. Over het algemeen kan gesteld worden dat waterstof alleen kansrijk is, als er geen betere alternatieven zijn. Het kost veel energie om duurzame waterstof te maken waardoor alternatieven vaak goedkoper zijn en daardoor de voorkeur zullen krijgen.

In de industrie wordt nu al waterstof gebruikt in chemische processen. In de aardolie-industrie wordt het bijvoorbeeld gebruikt om brandstof te ontzwavelen. Waterstof wordt ook gebruikt als grondstof, bijvoorbeeld om kunstmest te maken. In de toekomst zal het ook worden gebruikt daar waar geen goed elektrisch alternatief mogelijk is. Denk daarbij vooral aan hoge temperatuurprocessen, zoals bijvoorbeeld de productie van staal of keramische producten.

Waterstof kan als brandstof voor transport worden gebruikt. Het is niet de verwachting dat de rol voor personenvervoer groot wordt, vanwege de concurrentie van elektrische auto’s. Elektrische auto’s zijn efficiënt en rijden goedkoper. Voor zwaar transport wordt wel verwacht dat waterstof een belangrijke rol gaat spelen, omdat grotere afstanden afgelegd kunnen worden dan mogelijk is met een elektrische vrachtwagen of streekbus. Bovendien gaat het tanken sneller dan elektrisch laden. Scheepvaart en luchtvaart heeft weinig CO2-arme alternatieven, waardoor hier verwacht wordt dat op waterstof gebaseerde brandstoffen belangrijk worden, zoals synthetische vliegtuigbrandstof en ammonia.

“Nederland speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling van waterstofketens.”

In de gebouwde omgeving kan waterstof gebruikt worden voor verwarming van gebouwen. Dat kan gebeuren met waterstofboilers, brandstofcellen of door (als tussenoplossing) waterstof te mengen met aardgas. Ook is het koken op waterstof een mogelijkheid. De verwachting is echter dat daar waar elektriciteit aanwezig is, er elektrisch gekookt zal worden.

Waterstof kan gebruikt worden voor elektriciteitsopwekking, voor lokale toepassingen of om het landelijke elektriciteitsnet te balanceren. Als lokale toepassing kan gedacht worden aan een aggregaat op waterstof. Overigens is elektriciteitsopwekking ook wat er ‘lokaal’ in een waterstofauto gebeurt: in een brandstofcel wordt elektriciteit gemaakt door waterstof te verbranden, de waterstofauto rijdt vervolgens op elektriciteit. Balancering van het elektriciteitsnet met waterstof is vandaag de dag nog niet nodig, maar in een toekomstige energievoorziening die volledig fossielvrij is, kan het noodzaak zijn.

Verschillende regio's geven prioriteit aan verschillende toepassing van waterstof. Bron: Delta-ee

Wereldwijd wordt een verschillende prioriteit aan de toepassingen voor waterstof gegeven. De Europese Unie voorziet een toenemende beschikbaarheid van waterstof, waardoor toepassingen gefaseerd hun intrede zullen doen. De EU geeft in de periode tot 2025 prioriteit aan de inzet van waterstof voor industrie en zwaar transport. In de periode tussen 2025 en 2030 wordt verwacht dat waterstof ook gebruikt zal gaan worden om het elektriciteitssysteem te balanceren. Na 2030 worden vervolgens moeilijk te decarboniseren toepassingen van belang.

Overal wordt (zwaar) transport met waterstof gezien als strategische prioriteit. In China en Japan wordt waterstof eveneens in het personenvervoer als belangrijk gezien. Binnen de EU zijn er verschillende zienswijzen: Duitsland wil waterstof gebruiken om elektriciteitsopwekking uit kolen en nucleair volledig uit te kunnen faseren. Nederland wil met name haar grote industrie verduurzamen, omdat de industrie de grootste uitstoter van broeikasgassen is. Frankrijk heeft met haar vele kerncentrales een ‘sterke’ CO2-vrije elektriciteitsvoorziening, waardoor de prioriteit van de inzet van waterstof bij de verduurzaming van de industrie ligt en niet bij elektriciteitsopwekking.

We gaan van het gas af?

De ontwikkelingen op het gebied van de opwek, opslag en gebruik van waterstof gaan razendsnel. Vanaf halverwege dit decennium zal groene waterstof steeds meer beschikbaar zijn en steeds meer gebruikt worden. Nederland speelt, mede door import via de havens van Amsterdam en Rotterdam een belangrijke rol bij de ontwikkeling van de waterstofketens. Tegelijkertijd blijven er voldoende uitdagingen. Zo is er de verdere veilige opschaling van de technologie en het naar beneden krijgen van de kostprijs. Ook is het lastig te bepalen in hoeverre schaarse materialen ingezet moeten worden voor het produceren van elektrolysers en brandstofcellen.

In 2018 heeft toenmalig minister Wiebes aangegeven: “we gaan van het gas af”. Helemaal van het gas af was niet de bedoeling, dit had met name betrekking op (Gronings) aardgas. Of toen al was voorzien welke rol waterstof zou krijgen is onbekend, maar nu weten we: we gaan van het aardgas af en stappen over op waterstof!

Dit artikel verscheen in Wind&Zon, Vakblad duurzame energie 38e jaargang nr. 4 – december 2021