Waterstof is de ultieme CO2-vrije energiedrager. TU-onderzoekers maken plannen voor een toekomst met groene waterstof in de hoofdrol, voor zowel elektriciteit als brandstof.
Er is iets vreemds aan de hand met groene waterstof – waterstof die CO2-vrij is opgewekt met stroom uit zon of wind. Iedereen wil het hebben, maar feitelijk bestaat het niet.
De Kabinetsvisie Waterstof stelt: ‘Industriële clusters en havens zien waterstof als een onmisbaar onderdeel van hun toekomst. Voor de transportsector is waterstof cruciaal voor het bereiken van emissievrij vervoer. De agrarische sector ziet kansen (…). Steden, regio’s en provincies willen met waterstof aan de slag.’
Tegenover dit eensluidende enthousiasme steekt de realiteit nogal schriel af. Want nog geen 0,1% van de waterstof is CO2-vrij geproduceerd, constateert een recent rapport (1) van het International Energy Agency (IEA).
Het kleurloze gas waterstof kent in publicaties een waaier aan kleuren. Het meest algemeen is ‘grijze’ waterstof dat uit aardgas wordt bereid door methaan en stoom onder hoge druk en temperatuur samen te brengen. Als de daarbij vrijkomende CO2 afgevangen en op-geslagen wordt, heet de waterstof ‘blauw’. ‘Groene’ waterstof ontstaat bij elektrolyse (splitsing van water in H2 en O2) met stroom uit zon of wind. Als die stroom in Nederland is opgewekt kleurt de waterstof ‘oranje’.
Momenteel is grijze waterstof het goedkoopst en kost groene waterstof uit elektrolyse ongeveer het dubbele (2). Die prijzen bewegen mee met de aardgasprijs respectievelijk het tarief voor groene stroom. In de komende tien jaar wordt als gevolg van opschaling van elektrolyse een prijsdaling voor groene waterstof tot wel 60% verwacht. (3)
Schakel
Groene waterstof is de schakel tussen elektriciteit en gas. Elektrische stroom produceert waterstof door elektrolyse, en waterstof produceert elektrische stroom in een brandstofcel of als brandstof in een gasturbine.
Dat besef van omkeerbare uitwisseling tussen energievormen heeft de netbeheerders TenneT (stroom) en Gasunie (gas) in elkaars armen gedreven, met een gezamenlijke toekomstvisie (4) tot gevolg.
Volgens het klimaatakkoord van Parijs moet de emissie in 2050 met 95 procent gereduceerd zijn. Onder druk hiervan, voorzien Gasunie en TenneT een sterke groei in zonne- en windenergie in combinatie met grootschalige omzettingen van elektriciteit in waterstof, de productie van synthetische brandstoffen en de ontwikkeling van energieopslag.
Gas biedt oplossingen voor hardnekkige problemen uit de zich vergroenende elektriciteits-sector. Zo maakt fluctuerende stroom uit zon en wind het moeilijk om het evenwicht te bewaren tussen productie en gebruik van elektriciteit. Dat balanceren wordt een stuk eenvoudiger als een overschot aan productie weggesluisd kan worden naar elektrolysefabrieken.
De wegen naar waterstof zijn de Deltawerken van de energievoorziening
Opslag
Een ander probleem is de opslag. Grote hoeveelheden elektriciteit zijn eigenlijk alleen goed op te slaan in stuwmeren (pumped hydro) die we hier niet hebben. Maar zoutkoepels, waar jaarvoorraden gas in passen, hebben we wel.
Tot slot: capaciteitsproblemen zijn te verwachten wanneer huishoudens massaal overstappen op warmtepomp en elektrisch rijden. Maar energieaanvoer via waterstof door een voormalige aardgasleiding heeft een tienmaal grotere capaciteit dan een hoogspanningsleiding. Een kleine WKK-centrale op waterstof produceert ter plekke de elektriciteit en warmte. Door een gelukkig toeval zijn de zorgen van de elektriciteitssector (balans, opslag en capaciteit) uitgerekend de sterke kanten van het gasbedrijf.
Gigaproject
Het fossielvrije energielandschap van 2050 steunt zwaar op immense offshore windparken ver op zee. Van daaruit stroomt waterstof via pijpleidingen naar het land. Schepen brengen waterstof uit streken met goedkope zonne- en windenergie in de havens aan land. Water-stofleidingen van West- naar Oost-Nederland voorzien zware industrie van energie, tankstations van brandstof en gedeelten van steden van warmte en elektriciteit. Waterstof is een steun in de rug voor lokale energienetwerken.
Maar hoe komen we daar? Offshore wind speelt een grote rol. Nederland had begin 2020 iets meer dan 1,1 gigawatt aan offshore windparken staan (5). Volgens planning van de Rijksoverheid zal dat moeten stijgen tot 11 GW in 2030 en 70 GW in 2050. Dat is bedoeld om voldoende groene stroom te produceren. Maar dat is bij lange na niet genoeg om ook de overige driekwart van het energieverbruik (brandstof) te vervangen. ‘Waterstofprofessor’ prof.dr. Ad van Wijk gaat er dan ook vanuit dat Nederland straks, net als nu, een flink deel van het energiebudget zal importeren. Maar dan uit streken met goedkope zonne- en windenergie.
Ook elektrolysers zullen enorm opgeschaald moeten worden. Nu staan er naar schatting enkele tientallen megawatts aan elektrolysers in Nederland, vooral in chloorfabrieken, waar waterstof als bijproduct ontstaat. Volgens de Kabinetsvisie Waterstof zou er in 2025 500 MW aan elektrolysers moeten staan, in 2030 3-4 GW, en in 2040 10 GW offshore.
Van Wijk heeft een voorstel (6) geschreven voor 2 x 40 GW in Europees verband in 2030. Dat plan is onderdeel geworden van de waterstofstrategie van de Europese commissie (7).
Zowel offshore wind als elektrolyse zullen dus in de komende decennia een ongekende expansie behoeven. De wegen naar waterstof zijn de Deltawerken van de energievoorziening.
Startpunt
De gaswinning boven Ameland kan een mooi startpunt zijn, vindt Van Wijk. Het aardgas kan ter plekke omgezet worden in CO2 en H2, waarbij het CO2 opgeslagen wordt in een leeg gasveld en het (blauwe) waterstofgas het begin kan zijn van een fossielvrij waterstofnetwerk.
Waterstof is duurder dan aardgas, weet prof.dr. Kornelis Blok (TBM). “Net als bij zonne- en windenergie zal er in het begin geld bij moeten om de onrendabele top te overbruggen.”
En dat blijft waarschijnlijk ook zo. Als groene waterstof in grote hoeveelheden beschikbaar komt, drukt dat de vraag naar aardgas waardoor de prijs ervan zakt. Het succes van groene waterstof verslechtert zo de eigen de concurrentiepositie. Zonder subsidie of regulering komt de waterstofeconomie daarom niet van de grond.
Uiteindelijk verwacht Blok dat een energiesysteem gebaseerd op duurzame bronnen vergelijkbaar, of misschien 10% duurder, uit zal komen dan het huidige energiesysteem.
Noten
- IEA, The Future of Hydrogen, 14 juni 2019
- Machiel Mulder, Peter Perey, José L. Morega, Outlook for a Dutch Hydrogen market, maart 2019
- Hydrogen Council, Path to hydrogen competitiveness, A cost perspective, 20 Jan 2020
- Gasunie, TenneT, Infrastructure Outlook 2050, April 2020
- NWEA, Nederland start inhaalrace offshore wind, 7 feb 2020
- Ad van Wijk, Jorgo Chatzimarkakis, Green Hydrogen for a European Green Deal. A 2×40 GW Initiative, 2020
- European Commission, A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe, Juli 2020
Gepubliceerd in Delft Integraal, december 2020
