De stiefdochters van de milieuwetenschap (4): Waterstof

De potentiële omvangrijke rol van waterstof voor de toekomstige energievoorziening komt alleen tot stand als overheid en bedrijfsleven daarbij samenwerken en er substantieel in investeren

Waterstof (H2) doet de de benaming ‘stiefdochter’ eer aan. De basis, het molecuul ‘H’ komt in de natuur niet eens voor.  Waterstof moet daarom worden geproduceerd door middel van elektrolyse van water. Daarvoor is veel energie nodig. Als groene elektriciteit wordt gebruikt spreken we van groene waterstof.  Verder zijn er ook grijze en blauwe waterstof.

Het proces van elektrolyse

Grijze waterstof ontstaat door verbranding van aardgas, aardolie of kolen. Uit dit proces ontstaat behalve waterstof ook CO2.  Als de vrijgekomen hoeveelheid CO2 wordt afgevangen, gebruikt of opgeslagen, spreken we van blauwe waterstof.  

Waarom waterstof produceren?

Waarom zou je eerst (groene) stroom produceren en daarvan vervolgens met het nodige energetische verlies waterstof maken?  Daarvoor zijn goede redenen.  Onze energievoorziening kent twee componenten te weten ‘moleculen’ (aardolie, gas, biomassa en in zekere zin aardwarmte) en ‘elektronen’ (elektriciteit). Hun eigenschappen vullen elkaar aan. Moleculen kunnen bijvoorbeeld relatief makkelijk worden opgeslagen en vervoerd en er kan elektriciteit van worden gemaakt wanneer dat dat nodig is. Daarnaast zijn moleculen bij uitstek geschikt voor verwarmingsdoeleinden, zeker in de industrie. Nu aardgas en aardolie over afzienbare tijd niet meer worden gebruikt, is het noodzakelijk andere moleculaire energiedragers te zoeken, zonder dat daar CO2-emissie mee gepaard gaat. 

De huidige en de toekomstige taakverdeling tussen moleculen en elektronen. Bron (p. 51)

In theorie zou alle uitgestoten CO2 afgevangen kunnen worden, zie mijn post over Geo-engineering. Echter, voor langdurige opslag van zo veel CO2 is geen plaats. Blijven over: (1) alleen CO2 opslaan die vrijkomt bij de productie van blauwe waterstof, (2) produceren van groene waterstof en (3) gebruik van biomassa. Ik heb eerder al laten zien dat biomassa vergezeld kan gaan met serieuze milieurisico’s.

Hieronder is herhaaldelijk sprake van petajoules (PJ). Dat is een maat voor de hoeveelheid energie die per uur wordt gemaakt of gebruikt. Bijvoorbeeld: Een grote kolengestookte elektriciteitscentrale levert 20 PJ.

Het potentiële aanbod van groene waterstof

Nederland kan op grote schaal waterstof produceren met behulp van groene elektriciteit uit wind-op-zee. Schattingen van de maximaal beschikbare capaciteit daarvan variëren tussen 60 – 72 gigawatt. Deze capaciteit lijkt ruimte te bieden voor productie van maximaal 800 PJ groene waterstof. De prijs zou dan ongeveer uitkomen op €3,38 inclusief transport, ervan uitgaande dat elektrolyse plaatsvindt op zee. Of dit duurder is dan conventionele brandstoffen hangt af van de hoogte van de CO2-beprijzing van laatstgenoemde. Op termijn zeker niet.

PosHYdon is een proefproject op zee om daar opgewekte elektriciteit onmiddellijk om te zetten in waterstof. Het project is onder andere geïnitieerd door TNO en de Gasunie. Zie de onderstaande video. Nog verder gaan initiatieven om waterstof aan de bron, dus in de windturbine te produceren.

Nederland heeft goede mogelijkheden voor opschaling van de productie en distributie van groene waterstof. Onder de grond ligt een perfect onderhouden en inmiddels uit zijn jasje gegroeid aardgasnetwerk en de Noordzee biedt volop gelegenheid tot de winning van elektriciteit. Een eerste stap is ombouwen van een deel van het aardgasnet tot een landelijk waterstofnet, dat ook voor im- en export kan worden gebruikt.  Het Ministerie van Economische zaken en Klimaat, TenneT en de Gasunie voeren samen het project HyWay27 uit te onderzoeken wat daarbij komt kijken. 

De beoogde ruggengraat van het waterstofnet in Nederland 

Hoe de vraag zich ook ontwikkelt, Nederland beschikt over de mogelijkheden om in een aanzienlijk deel ervan te voorzien.

Maar ook import kan een optie blijken. Noord-Afrika heeft dus een enorm potentieel voor de opwekking van elektriciteit, maar mist vooralsnog kennis en infrastructuur. 10% van de Sahara bedekken met zonnepanelen volstaat om de hele wereld te voorzien van energie (560.000 PJ). In principe kan in de Sahara, het Midden-Oosten en  Australië ook ’s-nachts waterstof worden geproduceerd met behulp van batterij-opvang, waardoor minder elektrolyseapparatuur nodig is. Tot 1500 kilometer is transport per pijpleiding de goedkoopste optie; daarboven is het vervoer van waterstof met schepen efficiënter, bij voorkeur in de vorm van vloeibare opslagmedia, ondanks extra conversiekosten.

De potentiële vraag naar waterstof

‘Grijze’ waterstof wordt op grote schaal gebruikt, vooral als grondstof voor onder andere de productie van kunstmest en als hoge-temperatuur brandstof in de industrie (ongeveer 175 PJ). De vraag vanuit de industrie in 2050 zal variëren tussen 100 – 400 PJ.  Deze variatie komt door onzekerheid over de groei van de zware industrie gegeven de ontwikkeling naar een kringloopeconomie. Bijvoorbeeld: naarmate de landbouw meer regeneratief wordt, neemt de vraag naar kunstmest af en daalt overigens ook de hoeveelheid beschikbare biomassa. Als plastic meer wordt gerecycled, zijn er minder kunststoffen nodig. Ook staal zal veel meer worden hergebruikt. Waterstof kan ook worden ingezet voor de productie van elektriciteit als zon en wind het laten afweten en ter ondersteuning van de warmteproductie in warmtenetten. Maar om meer dan 100 PJ zal het niet gaan. Daarnaast kan waterstof worden gebruikt als brandstof in de transportsector, voor de verwarming van huizen en als opslagmedium. Ik sta bij deze drie toepassingen stil omdat hierover de meeste onzekerheid bestaat.

Transport

Naar verwachting gaat waterstof een belangrijke rol spelen in het zware transport. Te denken valt aan lange-afstandstrucs, de binnenscheepvaart en treinen op niet-geëlektrificeerde trajecten. 

Wie het over de het brandstofgebruik in de transportsector heeft, moet in de eerste plaats denken aan het vliegverkeer en aan de zeevaar denken. In Nederland alleen al is voor deze doelen op het moment ruim 600 PJ vereist, geheel bestaande uit fossiele grondstoffen. Voor de luchtvaart is synthetische kerosine op basis van waterstof voorlopig het enige alternatief. Voor de scheepvaart zijn er meer alternatieven, maar ook daarbij speelt waterstof een belangrijke rol. De ramingen voor 2050 gaan uit van minimaal 500 PJ aan benodigde waterstof, meer dan alle andere toepassingen samen! 

Gebouwde omgeving

Als alle huidige gebouwen (woningen en bedrijfsgebouwen) voorzien zouden zijn van energielabel B en een cv-ketel op waterstof zouden hebben, dan was er 292 PJ aan waterstof nodig per jaar. In combinatie met een hybride warmtepomp gaat het dan nog ‘slechts’ om 141 PJ per jaar. In de praktijk zal het om een veel lagere vraag gaan. Dankzij de Startanalyse aardgasvrije buurten van het Planbureau voor de leefomgeving (PBL) weten we tot op buurtniveau welk verwarmingsalternatief de minste maatschappelijke kosten met zich meebrengt. Voor minder dicht bevolkte gebieden en voor historische binnensteden is dat groen gas of waterstof, ook omdat het aardgasnet hiervoor geschikt kan worden gemaakt zonder exorbitante kosten (‘maar’ € 700 miljoen).  Groen gas komt daarbij nog als beste uit de bus, maar dit is vrijwel zeker onvoldoende beschikbaar. De verwarming van de gebouwde omgeving zal gaan bestaan uit een combinatie van elektrische warmtepompen (S1) warmtenetten (S2, S3), en gas (S4, S5). Een grote onbekende is de hoeveelheid warmte die met geothermie zal worden gewonnen. De rol van groen gas of waterstofgas als verwarmingsbron in de gebouwde omgeving zal pas na 2030 uitkristalliseren. 

Weergave op buurtniveau van de wijze van verwarming met de laagste maatschappelijke kosten. Lezers kunnen dit voor hun eigen gemeente nagaan Bron
Opslag van elektriciteit

Waterstof is een optie om elektriciteit op te slaan als het aanbod van wind- en zonne-energie groter is dan de vraag. Voor deze kort-cyclische opslag zijn batterijen en boilers geschikter. Toch gaat netbeheerder Liander experimenteren met omzetten van elektriciteit in waterstof. Dit gebeurt bij verdeelstation in het Noord-Hollandse Oterleek en bij een zonnepark in het Friese Oosterwolde. GroenLeven bouwt hier het grootste zonnepark van Friesland, terwijl het lokale elektriciteitsnet eigenlijk te weinig capaciteit heeft. Door op piekmomenten de stroom om te zetten in groene waterstof, kan het park er toch komen. Hiervoor wordt een elektrolyser van 1,5 megawatt gebruikt. Vergelijkbaar hiermee is HyStock, de groene waterstofinstallatie van de Gasunie in Veendam. Deze zet 1 megawatt groene stroom om in waterstof. Dat levert 400 kilogram waterstof per dag op, afkomstig van 5.000 zonnepanelen.

Voor seizoensopslag van elektriciteit gooit waterstof hoge ogen. Waterstof kan worden opgeslagen in zoutca­vernes, waarvan er in Nederland zo’n 100 tot 120 zijn. Als waterstofgas wordt omgezet naar vloeibare waterstof, ammoniak of liquid organic hydrogen carriers (in ontwikkeling) wordt het mogelijk om met enkele tientallen tanks het equivalent van de hoeveelheid waterstofgas in een forse zoutcaverne te bewaren. Ook wordt geëxperimenteerd met de opslag in olie.

Marktfalen: De mismatch tussen aanbod van en vraag naar groene waterstof

Voor 2050 zijn scenario’s ontwikkeld van het potentiële waterstofverbruik die oplopen tot 1200 PJ per jaar (energetisch plus non-energetisch), waarboven nog de vraag vanuit de lucht- en zeevaart komt. Mondiaal gezien kan aan deze vraag worden voldaan. Maar of zij er daadwerkelijk komt is niet te voorspellen en de ontwikkeling van het aanbod evenmin. 

Vrijwel alle bronnen vermelden dat het toekomstige gebruik van groene waterstof afhangt van de prijsontwikkeling en dat de prijsontwikkeling afhangt van de vraagontwikkeling. Een kip of ei probleem dus. Economen spreken van marktfalen. 

De oplossing ligt hier in een gecoördineerde aanpak door alle betrokken partijen met de overheid in een stimulerende en coördinerende rol. Zeker is dat er zowel door overheid als bedrijfsleven hoge risicodragende investeringen zijn vereist. Volgens de Hydrogen Council bedragen deze wereldwijd $ 70 miljard. Het gaat om elektrolysers, netwerken voor transport en distributie, opslag (in zoutcavernes), tankstations en installaties voor afvang en opslag van CO2. Daarnaast zijn substantiële investeringen nodig in snelle uitbreiding van de productiecapaciteit van wind- en zonne-energie. Als alle partijen samen optrekken zal de prijs van waterstof de komende jaren met 50 – 60% dalen en kan deze concurrerend worden met andere energiebronnen. Hiervoor is tevens noodzakelijk dat er op Europees niveau CO2-beprijzing komt, die een einde maakt aan de jarenlange subsidie van fossiele brand- en grondstoffen. 

Afstemming vraag en aanbod van waterstof Bron (p.10)

De industrie pleit ervoor om vooruitlopend op de levering van groene waterstof eerst te investeren in de productie en invoer van blauwe waterstof. Ook hier zijn aanzienlijke investeringen gewenst, namelijk de aanleg van een netwerk van ondergrondse leidingen waardoor opgevangen CO2 naar niet meer gebruikte gasvelden onder de zeebodem kan worden vervoerd. Er bestaan twijfels over het rendement van deze investering en het is dan ook de vraag of het geld niet rechtstreeks in de uitbreiding van de productie van waterstof kan worden besteed. Er wordt inmiddels al de nodige blauwe waterstof geïmporteerd uit Noorwegen.

Beleid

Veel landen hebben al een visie, strategie of plan op het gebied van waterstof gepresenteerd. In sommige landen zijn al besluiten genomen ter concretisering daarvan. Koplopers zijn Australië, China, Californië, Japan, Zuid- Korea en Duitsland. 

Japan lijkt de meest vergaande ambities te hebben. Het land wil de eerste ‘waterstof samenleving’ ter wereld worden en streeft naar een economie die geheel op waterstof draait. Het is onduidelijk in hoeverre Toyota, dat de eerste op waterstof aangedreven personenauto op de markt bracht, hierbij een rol speelt. 

In de vorig jaar gepubliceerde kabinetsvisie stelt de Nederlandse regering dat waterstof (en groen gas) onlosmakelijke onderdelen zijn van een CO2-vrij energiesysteem. Dit omdat anders sommige vormen van eindverbruik technisch niet of niet kosteneffectief te verduurzamen zijn, maar ook omdat de overstap naar een CO2-vrij gas daar de meest kostenefficiënte manier van verduurzamen is. Verder benadrukt de regering het belang waterstof voor seizoensopslag en relatief goedkoop transport van elektriciteit. 

Om kennis op te bouwen over de inzet van waterstof als warmtealternatief, zal het nationale waterstofprogramma ook een programmalijn “gebouwde omgeving” omvatten. Opties zoals het gebruik van ketels met pure of bijgemengde waterstof, brandstofcellen, de combinatie met een hybride warmtepomp en de koppeling met warmtenetten als aanvulling voor de piekvraag, zullen worden onderzocht.

Met het benadrukken van de bebouwde omgeving als toepassingsmogelijkheid van groene waterstof legt de overheid een iets ander accent dan sommige recente adviezen die de nadruk vooral leggen op de vraag vanuit de industrie, het transport en de opslag van  elektriciteit. 

Illustratief voor de gezamenlijke aanpak die de overheid voorstaat is de Waterstofcoalitie, waarin de overheid participeert met partners uit de industrie, kennisinstellingen en milieuorganisaties. Als onderdeel hiervan willen de Groninger Seaports, Shell en de Gasunie NorthH2 tot ontwikkeling brengen, het grootste groene waterstofproject ter wereld. Doel is een jaarproductie van 800.000 ton groene waterstof (de huidige industriële vraag in Nederland) en tevens het opzetten van de hele keten vanaf de productie van duurzame stroom, via opslag in lege zoutcavernes, tot aan de industriële eindgebruiker. De duurzame stroom moet worden geleverd door een mega-windpark, waarvan de capaciteit in 2030 op 3 tot 4 gigawatt moet liggen en in 2040 op 10 gigawatt.

e deelnemers aan de waterstofcoalitie

In uitvoering zijn overwegend kleinschalige projecten. In Rosenburg wordt een appartementencomplex met waterstof verwarmd. De benodigde groene waterstof wordt met een elektrolyser in de nabijheid van het gebouw geproduceerd.

Twee Nederlandse gemeenten – Hoogeveen en Stad aan ’t Haringvliet – ontwikkelen elk een wijk waar waterstof aardgas volledig vervangt. Zij hebben met de overheid een Green Deal gesloten met als doel alles in kaart te brengen dat komt kijken bij de verwarming van huizen met waterstof op grotere schaal. Op termijn zullen beide wijken zelf de benodigde elektriciteit opwekken.

De overheid houdt belangrijke keuzen nog open, zoals:

  • Vaststellen van een streefdoel voor waterstoftoepassingen in Nederland.
  • Al dan niet tegemoetkomen aan de vraag naar blauwe waterstof en de bijbehorende infrastructuur ten behoeve van afvangen en opslaan van CO2
  • In Nederland zelf produceren van de benodigde groene waterstof of kiezen voor invoer.
  • Starten met de aanleg van een CO2-infrastructuur.
Waterstof infrastructuur voor verschillende toepassingen op wijkniveau  Bron

De volgende stappen

Ik zou vooralsnog geen optie voor de toekomstige energie voorziening willen uitsluiten, maar wel een voorkeursstrategie vastleggen en andere strategieën aanwijzen als flankerend en als opties om op terug te vallen. Uiteindelijk kan een euro maar een keer worden uitgegeven. Mijn voorkeusstrategie ziet er dan als volgt uit:

  • Maximaal benutten van de mogelijkheden om op de Noordzee windenergie op te wekken.
  • In samenhang met de ontwikkeling van de vraag naar waterstof elektrolysers op zee bijbouwen.
  • Participeren in de ontwikkeling van grootschalige productie van waterstof in landen waar dat goedkoop kan.
  • Zo snel mogelijk een landelijk hoofdnet voor transport van waterstofgas realiseren inclusief internationale aansluitingen, gebruik makend van delen van het aardgasnet.
  • Met hoge prioriteit lucht- en zeevaart doen omschakelen naar gebruik van op waterstof gebaseerde brandstoffen. 
  • Faciliteren van het gebruik van blauwe waterstof voor de zware industrie in afwachting van de beschikbaarheid van groene waterstof. Bij voorkeur door import om kosten van afvangen van CO2 te beperken.
  • Rekening houden met daling van de waterstofvraag vanuit de zware industrie in de komende decennia als gevolg van de ontwikkeling van een kringloopeconomie.
  • Waterstof inzetten om netverzwaring te voorkomen waar dat mogelijk is.
  • Maximaal gebruik van waterstof door vrachtverkeer, dieseltreinen en scheepvaart in plaats van elektriciteit. 
  • Gaslevering van woningen in stand houden in buurten waar groen- of waterstofgas in potentie de laagste maatschappelijke kosten heeft totdat aldaar een definitieve keuze voor een warmtebron is gemaakt.
  • Bij warmtenetten in eerste instantie uitgaan van aanwezige restwarmte en deze netten alleen uitbreiden als de aanwezigheid van geothermische bronnen ter plaatse bewezen is.
  • Beprijzing van CO2 realiseren in Europees verband met onmiddellijke ingang.

En wat kernenergie betreft, zie daarvoor de volgende post in deze reeks.

Auteur: Herman van den Bosch

Ik ben hoogleraar aan de Open Universiteit en hou me bezig met regionale ontwikkeling, innovatie en leren. Ik ben bovendien curator van Amsterdam Smart City. Ik zie het streven van steden om smart city te worden in samenhang met duurzame welvaart, rechtvaardigheid en welzijn. Daarom spreek ik bij voorkeur over inclusieve groei

2 gedachten over “De stiefdochters van de milieuwetenschap (4): Waterstof”

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s