Hydrogen, the holy grail of the energy transition?

Updated: Nov 3

Waterstof, het meest overvloedige element in het universum, wordt steeds meer beschouwd als een van de hoofdrolspelers in een toekomstig duurzaam energiesysteem. Sommigen noemen het zelfs “de heilige graal” van de energietransitie. Of ze gelijk hebben valt nog te bezien, maar waterstof heeft inderdaad interessante eigenschappen die het onderzoeken waard zijn. Laten we ze samen doornemen en zien hoe waterstof in de huidige energietransitie kan worden gepositioneerd.

Wat is waterstof?

Hoe houdt waterstof verband met de energietransitie?

Een van de grootste uitdagingen waarmee de mensheid momenteel wordt geconfronteerd, is de energietransitie die nodig is om de klimaatverandering tegen te gaan. Ons huidige energiesysteem draait grotendeels op fossiele brandstoffen, een natuurlijke maar eindige energiebron, die enorme hoeveelheden CO2 uitstoten die schade toebrengen aan mens en planeet, zoals klimaatverandering en opwarming van de aarde. Om het verbruik van fossiele brandstoffen (en de uitstoot ervan) te beperken, moeten we overschakelen op een energiesysteem dat voornamelijk draait op hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie.

Deze vormen van energie zijn echter nog niet helemaal feilloos. Een van de belangrijkste kenmerken van elektriciteit in energiesystemen is dat vraag en aanbod in evenwicht moeten blijven – overproductie leidt tot energieverspilling en een te grote vraag tot uitval van het net. Bij wind- en zonne-energie kan het aanbod niet worden gecontroleerd. En aangezien elektriciteit alleen kan worden gebruikt op het moment van productie, kan dit leiden tot een mismatch tussen productie en verbruik.

Mismatches doen zich voor op korte termijn, maar ook op langere termijn. In het laatste geval spreken we vaak van seizoensgebonden mismatches. In Nederland bijvoorbeeld wordt ongeveer 75% van de totale jaarlijkse zonnestroom in de zes zomermaanden geproduceerd, tegen slechts 25% in de winter. Aangezien ons energieverbruik in de winter aanzienlijk hoger ligt (denk aan verwarming en verlichting), verstoort dit de balans in verbruik en productie van hernieuwbare elektriciteit nog verder. Voeg hieraan toe dat het aandeel van hernieuwbare energie alleen maar toeneemt, en we zien deze wanverhouding alleen maar groter worden.

Deze mismatch vormt een uitdaging voor onze samenleving, omdat we moeten leren het overschot aan energie op te vangen en te gebruiken naar gelang van de vraag. Een van de bekendste methoden hiervoor is energieopslag in batterijen, die zeer geschikt is voor mismatches op korte termijn. Maar helaas is batterij-energieopslag voor de enorme hoeveelheid energie van de langetermijn-mismatch, ook op lange termijn, op dit moment geen haalbare optie….

In vergelijking met batterijen kan waterstof gemakkelijker seizoensgebonden afwijkingen opslaan, wat betekent dat het zeer nuttig zal zijn in combinatie met, en om de toename van hernieuwbare elektriciteitsbronnen te stimuleren. Wanneer deze energie in de vorm van waterstof is opgeslagen, kan zij voor vele andere toepassingen in verschillende sectoren worden gebruikt. Als we erin slagen de productie en distributie van waterstof te vergemakkelijken, biedt dit grote mogelijkheden voor de toekomst.

Wat was vroeger de rol van waterstof?

Als we teruggaan in de tijd, speelt waterstof eigenlijk al lang een rol in het energiesysteem. Vanaf de 19e eeuw was “stadsgas”, dat ongeveer 50% waterstof kon bevatten, een gangbare energiedrager die uit steenkool werd geproduceerd. Snel vooruit naar de 21e eeuw, waar waterstof nog steeds op grote schaal wordt gebruikt in de chemische industrie voor de raffinage van ruwe olie en de productie van ammoniak (kunstmest) en methanol.

De in deze processen gebruikte waterstof wordt bijna volledig geproduceerd uit methaan (het hoofdbestanddeel van aardgas), in een proces dat “steam methane reforming” wordt genoemd, waarbij methaan wordt omgezet in voornamelijk CO2 en waterstof. Momenteel wordt de CO2 uitgestoten in de atmosfeer en wordt de geproduceerde waterstof grijze waterstof genoemd.

In de EU wordt jaarlijks ongeveer 340 TWh waterstof op deze manier geproduceerd. Belangrijk is dat het huidige gebruik van waterstof vrij gecentraliseerd is: ongeveer 1/3 ervan wordt verbruikt rond Rotterdam, Antwerpen, Chemelot en het Ruhrgebied. De productie van deze waterstof leidde in 2017 tot de uitstoot van 100 miljoen ton CO2, of ongeveer 50% van de totale uitstoot van Nederland.

Deze forse cijfers geven aan dat de markt al lang niet meer bestaat.

Potentiële toepassingen van waterstof

Het aantal potentiële toepassingen van waterstof is enorm. In het algemeen kunnen de toepassingen in de volgende categorieën worden onderverdeeld:

• Grondstof: vervanging van reeds bestaande waterstofgrondstoffen voor ammoniakmeststoffen, methanol en olieraffinaderijen. Het gebruik van waterstof als grondstof kan worden uitgebreid tot duurzame staalproductie, als bouwsteen voor eiwitten en speciale chemicaliën, en de synthese van zogenaamde e-brandstoffen. E-fuels zijn elektrochemisch geproduceerde koolstofneutrale brandstoffen, gebruikt als alternatief voor brandstoffen als diesel en methaan.
• Elektriciteit: waterstof kan rechtstreeks in elektriciteit worden omgezet via een eenheid die brandstofcel wordt genoemd. Dankzij deze toepassing kan waterstof in de mobiliteitssector worden gebruikt in Fuel-Cell Electric Vehicles (FCEV’s), zowel voor personenauto’s als voor zwaar vervoer. Maar brandstofcellen maken het ook mogelijk waterstof te gebruiken als alternatieve vorm van algemene elektriciteitsopwekking, bijvoorbeeld om een eiland dat niet op het elektriciteitsnet van het vasteland is aangesloten, van stroom te voorzien.
• Verbranding: waterstof is een licht ontvlambare stof. Daarom zijn er talrijke toepassingen voor warmteproductie, ook in woningen, maar meer in het bijzonder voor industriële warmte bij hoge temperatuur. Voor interne verbranding kan waterstof worden gebruikt in zowel zuigermotoren als turbines.

Productie van waterstof

Tot nu toe ziet de toekomst voor waterstof er zeer rooskleurig uit. Waar zit dan het addertje onder het gras? Het belangrijkste probleem is dat de meeste processen waarvoor we waterstof willen gebruiken momenteel gebaseerd zijn op fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen hebben ons als samenleving lange tijd verwend door ons enorme hoeveelheden goedkope energie te geven. Zozeer zelfs, dat het huidige aandeel van hernieuwbare elektriciteitsproductie in vergelijking daarmee nog peanuts lijkt. De overgang is echter nodig om onze planeet te redden.

Om het toekomstige potentieel van waterstof echt te ontsluiten, moet de productie minder grijs worden. Daar zijn verschillende opties voor, elk met zijn eigen bijbehorende kleur. Momenteel zijn de belangrijkste:

• Blauwe waterstof, waarbij de waterstof op dezelfde manier wordt geproduceerd als de grijze versie, alleen wordt de uitgestoten CO2 opgevangen en opgeslagen of in een apart proces gebruikt.
• Groene waterstof, waarbij de waterstof wordt geproduceerd met behulp van hernieuwbare elektriciteit door middel van een elektrolyser, die water (H2O) splitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2).

Om de voor alle bovengenoemde processen verbruikte energie om te zetten in groene waterstof heeft de samenleving veel hernieuwbare elektriciteit nodig. Het tekort aan energie-inhoud van hernieuwbare elektriciteit in vergelijking met fossiele brandstoffen wordt nog verergerd door het feit dat tijdens het proces van productie en opslag van waterstof ongeveer 30% van de in dit proces ingebrachte hernieuwbare elektriciteit verloren gaat. Dit maakt de productie van groene waterstof vrij duur. Zelfs blauwe waterstof is vrij duur, aangezien er nog geen infrastructuur voor koolstofafvang bestaat.

Hoe zal waterstof in de toekomst worden toegepast?

Vooral om economische redenen is het onwaarschijnlijk dat alle bovengenoemde toepassingen in de nabije toekomst op waterstof zullen draaien. We zullen echter snel een introductie van waterstof zien in zogenaamde “moeilijk te bedienen sectoren”. Dit zijn de sectoren waar directe elektrificatie geen of niet de beste optie is. Wanneer bijvoorbeeld alleen elektriciteit wordt gebruikt, is het vrij moeilijk om de voor sommige industrieën vereiste temperaturen te bereiken. Daarnaast behoort ook de scheepvaart tot de “hard-to-abate” sectoren, waar het opladen van de accu van een groot schip gewoonweg te lang duurt om in het huidige transportsysteem functioneel te zijn.

Processen waarbij waterstof reeds wordt gebruikt – in olieraffinaderijen en voor de productie van methanol en ammoniak – zullen waarschijnlijk eerst worden omgebouwd tot een duurzame vorm van waterstof. Vervolgens is het zinvol om staalfabrieken te bouwen en om te bouwen om waterstof te gebruiken in plaats van de huidige fossiele brandstoffen.

Na de grondstoffen is de volgende stap waarschijnlijk de sector van het zware vervoer, waar het gebruik van batterijen waarschijnlijk geen haalbare optie zal zijn voor sommige toepassingen, zoals scheepvaart, luchtvaart en mogelijk zelfs vrachtwagens en bussen.

Een andere mogelijke optie voor het gebruik van waterstof is warmte bij hoge temperatuur, aangezien elektrische opties momenteel niet in staat lijken om voldoende hoge temperaturen te bereiken.

Bovendien zijn er nog veel toepassingen waarvoor een (gedeeltelijke) overgang naar waterstof mogelijk is. Dit is op dit moment echter moeilijk te voorspellen, omdat het sterk afhangt van andere variabelen, zoals de technische vooruitgang van batterijen, maar ook van ons vermogen om voldoende capaciteit voor de productie van hernieuwbare elektriciteit te installeren.

Om in gedachten te houden

Invoer van waterstof

Aangezien een grote hoeveelheid hernieuwbare elektriciteit nodig is om waterstof te produceren om aan de vraag te voldoen, en aangezien sommige Europese landen al moeite hebben om voldoende hernieuwbare elektriciteit op te wekken om zelfs hun elektriciteitsverbruik te dekken, is het zeer waarschijnlijk dat aanzienlijke hoeveelheden waterstof zullen moeten worden ingevoerd uit regio’s waar een overschot aan hernieuwbare elektriciteit gemakkelijker te vinden is. De noodzaak om waterstof in te voeren geldt waarschijnlijk voor landen als België en Nederland, maar ook voor Duitsland en zelfs Frankrijk, ongeacht de plannen om waterstof uit kernenergie te produceren.

Voorbeelden van locaties die waarschijnlijk grote hoeveelheden waterstof zullen exporteren zijn de Sahara-woestijn, het Midden-Oosten, sommige woestijnen in Zuid-Amerika en Australië. Om een efficiënte en eerlijke markt voor de waterstofhandel tot stand te brengen, moet een nieuwe beurs worden ontwikkeld, vergelijkbaar met de huidige voor aardgas.

Waterstofdragers

Eerder in dit artikel is vermeld dat waterstof wordt gebruikt om verschillende andere stoffen te produceren, zoals ammoniak, methanol en de zogenaamde e-brandstoffen. Vooral voor het vervoer van waterstof over lange afstanden kan het efficiënter zijn de waterstof om te zetten in een andere drager, bijvoorbeeld methanol, dan de zuivere waterstof zelf te vervoeren. Dit komt doordat zuivere waterstof onder druk moet worden gezet of vloeibaar moet worden gemaakt om de energie-inhoud ervan op het niveau van bijvoorbeeld benzine te brengen. Beide processen vergen zoveel extra energie dat vervoer in de vorm van een andere stof in sommige gevallen efficiënter wordt.

Het is nog niet helemaal duidelijk wat de meest efficiënte waterstofdrager zal zijn. Andere concepten, zoals vloeibare organische waterstofdragers (LOHC), zijn nog in ontwikkeling en sommige ervan stijgen snel op de TRL-ladder. Variabelen zoals transportafstand en uiteindelijke toepassing zullen waarschijnlijk de beste optie bepalen, samen met welke conversietechnieken grote verbeteringen zullen opleveren. De belangrijkste conclusie is echter dat zelfs als de energiedrager methanol, ammoniak of LOHC is, waterstof nog steeds de belangrijkste energiebouwsteen is.

Conclusie

Het is moeilijk om precies te zeggen wat de rol van waterstof in het energiesysteem van morgen zal zijn, maar aangezien sommige zeer belangrijke sectoren niet uitsluitend met elektriciteit kunnen worden gedecarboniseerd, zal waterstof in de toekomst nodig zijn. Bovendien is de huidige maatschappij volledig gebouwd op fossiele brandstoffen, een vorm van energie die vrij gemakkelijk kan worden opgeslagen en niet hoeft te worden verbruikt op het moment dat ze wordt geproduceerd of gedolven. Dat geldt helaas niet voor elektriciteit. Indien mogelijk is directe elektrificatie altijd de betere optie. Maar omdat vervoer, industrie en maatschappij als geheel op een heel ander soort energie zijn gebouwd, zou het wel eens heel moeilijk kunnen blijken om alles volledig om te bouwen naar alleen elektriciteit.

Is waterstof dan de heilige graal van de energietransitie? Waarschijnlijk niet. Zal het een belangrijke bijdrage leveren aan een duurzamer energiesysteem? En zal het gebruik ervan de komende decennia drastisch toenemen? Zeer waarschijnlijk wel.

Hoe kunnen we helpen?

Greenfish begrijpt dat geen enkel energieprobleem op zichzelf staat, aangezien elk probleem deel uitmaakt van een geïntegreerd energiesysteem. Er moet ook rekening worden gehouden met andere technische disciplines die verband houden met bijvoorbeeld thermische en elektrische uitdagingen. En aangezien waterstof de belichaming is van een integrator van energiesectoren, hanteren we een systeembenadering, waarbij we verschillende vormen van productie, verbruik en infrastructuur in overweging nemen om ervoor te zorgen dat het positieve effect niet alleen aan één kant van de waardeketen wordt gezien.

Deze aanpak maakt Greenfish zeer geschikt om het proces van implementatie van groene, op waterstof gebaseerde oplossingen voor onze klanten te begeleiden.

Wilt u meer weten? Neem contact op met onze energie-experts.

Jeroen Eblé, Consultant en leider van de waterstofdeskundigengroep: [email protected]

Hugo Schoenmaker, Bedrijfsleider Energie: [email protected]

Mick Richards, Manager Energiestrategie: [email protected]