Systeemrol waterstof: verkennen, ontwikkelen en optimaal benutten

Robert Kleiburg: Zet nu in op waterstof-innovatie en kies voor slimme uitrol

De routekaart waterstof van de TKI Gas ligt er. Nu mag de discussie losbarsten. Er zijn weinig onderwerpen waar energie-experts zo over van mening verschillen als over waterstof. Tesla-baas Elon Musk vindt waterstof incredibly dumb hetgeen in de loop van de tijd super obvious zal worden. Brandstof-cel expert Ulf Bossel concludeerde in zijn legendarisch geworden artikel: "a hydrogen economy will never make sense". Anderen zoals duurzame energie ondernemer Ad van Wijk zien waterstof juist als dé energiedrager van de toekomst. Wat wordt de rol van waterstof in onze toekomstige energievoorziening?

Ik ben zelf van mening dat er in een CO₂ neutrale samenleving plaats is voor waterstof als de andere CO₂ neutrale energiedrager naast elektriciteit, simpelweg omdat niet alles ge-elektrificeerd kan worden. Op dit moment is elektriciteit zo'n twintig procent van ons primaire energieverbruik. Dat kan groeien naar veertig tot zestig procent, maar niet naar honderd procent. Door het grootschalig winnen van waterstof via elektrolyse wordt het op termijn mogelijkheid om duurzame energie toe te passen in sectoren die moeilijk te verduurzamen zijn door direct gebruik van elektriciteit. Een slimme uitrol is dan wel noodzakelijk.

Allereerst is het belangrijk om ons te realiseren dat waterstof een energiedrager is en geen energiebron. Waterstof wordt al veel gebruikt in de industrie, waar het voor veruit het grootste gedeelte wordt geproduceerd op basis van aardgas door middel van steam methane reforming. De zo verkregen waterstof wordt ‘grijze waterstof' genoemd. Circa tien procent van het Nederlandse aardgasverbruik gaat naar de productie van waterstof. Deze grijze waterstof is een fossiele brandstof in disguise. Bij deze toepassing is het van belang om naar de uitstoot van CO₂ over de gehele levenscyclus from well to wheels te kijken. Voor sommige toepassingen zoals zwaar transport kan op deze manier een CO₂ reductie van twintig tot veertig procent worden gerealiseerd, met als bijkomend voordeel dat je de lokale emissies tot nul reduceert en je de weg opent voor meer klimaatvriendelijke waterstofproductie op termijn, bijvoorbeeld door CO₂ af te vangen door Carbon Capture Utilisation / Storage oftewel CCU/S. De routekaart noemt waterstof uit fossiele bronnen waarbij de CO₂ wordt afgevangen "blauwe waterstof".

Waterstofproductie uit hernieuwbare bronnen wordt ‘groene waterstof' genoemd en deze leidt tot geen of zeer minimale CO₂ uitstoot. Hét grote nadeel dat "waterstof sceptici" noemen is de lage roundtrip efficiency: op dit moment dertig tot veertig procent hetgeen op termijn kan verbeteren naar vijftig procent. Met andere woorden, meer dan de helft van de duurzaam opgewekte elektriciteit gaat verloren als je deze via elektrolyse omzet in waterstof en er vervolgens weer elektriciteit van maakt middels een brandstofcel. De routekaart waterstof onderkent dat je de 13,8% duurzame elektriciteit die Nederland in 2017 produceerde beter kunt gebruiken om direct aan de elektriciteitsvraag te voldoen en daarmee de kolen- en gasgestookte centrales een tandje lager zetten. Ter illustratie: de routekaart rekent voor dat je 50 kWh aan hernieuwbare elektriciteit nodig hebt om een kilogram groene waterstof te maken, waar je dan 100 km op kunt rijden in een waterstofauto. Als je die 50 kWh in een batterij-auto zou hebben geladen dan kan je daar 250 km op rijden, dus 2,5 keer zo ver! Stekkerauto's zijn dus veel efficiënter in het gebruik van elektriciteit en dus moeten we de nu nog schaarse hernieuwbare elektriciteit niet grotendeels verkwanselen in waterstofauto's.

“Groot voordeel van waterstof is dat het zoals aardgas eenvoudig te transporteren en op te slaan is”

Het grote voordeel van waterstof is dat het net als aardgas relatief eenvoudig te transporteren is in pijpleidingsystemen en relatief eenvoudig is op te slaan in tanks of ondergrondse cavernes. Bij waterstofopslag schaalt het gewicht en volume niet evenredig met de hoeveelheid opgeslagen energie zoals bij batterijen, waardoor er een omslagpunt is waarbij grootschalige opslag goedkoper is dan elektriciteitsopslag in batterijen. Als voorbeeld: een Tesla Model S met een batterij van 85 kWh telt ruim zevenduizend kleine batterijen die net iets groter zijn dan AA formaat. De Gigabattery die Tesla onlangs realiseerde in Zuid-Australië met een capaciteit van 129 MWh bestaat uit meer dan acht miljoen kleine batterijtjes. Een grote waterstoftank is per eenheid opgeslagen energie veel goedkoper, batterij-opslag niet.

Er zijn dus drie functies die waterstof kan vervullen:

• Efficiency: CO₂ reductie realiseren in sectoren waar direct gebruik van hernieuwbare elektriciteit niet mogelijk en er behoefte is aan groene moleculen. Naast de directe inzet van waterstof als brandstof kan je hier ook denken aan de inzet van waterstof voor de productie van synthetische duurzame brandstoffen voor die toepassingen die niet zo snel over kunnen zoals luchtvaart en duurzame chemische materialen op basis van biomassa.
• Transport: Nederland heeft een grote behoefte aan energie, en het is maar zeer de vraag of we zelf voldoende ruimte hebben om in eigen behoefte te voorzien, ook in Noord-West Europees verband. De kans is groot dat we zon en wind uit verre streken moeten importeren, zoals we dat nu ook doen met kolen, olie, gas en biomassa. Via waterstof of ammoniak kunnen we grote hoeveelheden energie over zeer lange afstanden transporteren, bijvoorbeeld via waterstofschepen vergelijkbaar met de LNG-schepen van nu. Hier heeft waterstof concurrentie met elektriciteitstransport via High Voltage DC verbindingen.
• Energieopslag: voor grootschalige opslag over lange termijn (maanden / seizoenen) zal waterstof belangrijk zijn, terwijl voor kleinschalige, korte termijn opslag batterijen de geprefereerde manier van elektriciteitsopslag zal zijn. De tijd zal leren waar dit omslagpunt ligt. Voor de transportsector denk ik dat de elektrische auto het gaat winnen van de waterstofauto, voor de binnenvaart en zwaar wegtransport zal het erom spannen en voor luchtvaart en zeetransport heeft waterstof de beste papieren.

Zolang we nog veel fossiele energie gebruiken, op dit moment wereldwijd zo'n tachtig procent van onze energievoorziening, is de rol van waterstofopslag nog niet zo belangrijk. In de toekomst zal de opslagrol belangrijker worden. Wind en zonne-energie hebben een variabel productieprofiel en we willen de grote hoeveelheden hernieuwbare stroom die op sommigen momenten zullen gaan ontstaan zoveel mogelijk benutten. Dus is er meer flexibiliteit nodig. Wat op dit moment moeilijk is in te schatten is in hoeverre waterstofelektrolyse in combinatie met waterstofopslag het hier zal winnen van andere manieren van energieopslag (bijv. compressed air energy storage, valmeren, redox flow batterijen, warmteopslag). Ook is er indirecte concurrentie van andere flexibiliteitsopties (bijv. flexibele inzet van gasgestookte centrales, overschotten verkopen aan onze buurlanden, demand response zoals slim laden van elektrisch vervoer, power2chemicals). We moeten niet nu al de conclusie trekken dat waterstofopslag het gaat winnen van andere flexibiliteitsopties.

“Aardgasleidingen uit de grond halen zou zonde zijn als straks blijkt dat ze handig zouden zijn geweest voor transport van waterstof”

Waterstof kan een systeemrol vervullen en vereist een integrale visie op de energietransitie met duidelijke regievoering. Het zou uitermate zonde zijn als we onze aardgasleidingen uit de grond halen om vijftien jaar later tot de conclusie te komen dat ze toch wel handig zouden zijn geweest voor het transporteren van waterstof. De routekaart waterstof levert al een goede bijdrage aan zo'n integrale visie en stelt een drieledige aanpak voor met als eerste stap ‘integrale plan- en visievorming voor waterstof'. Om de complexe materie te versimpelen is het nuttig om tot een ‘energiesysteemintegratie ladder' te komen, vergelijkbaar met de ‘ladder van Lansink' en ter aanvulling op de Trias Energetica. Hierbij kunnen we de volgende treden onderscheiden in een slimme, effectieve en efficiënte transitie naar een CO₂ neutraal energiesysteem:

• Gebruik duurzame elektriciteit direct en lokaal, bijvoorbeeld zonne-energie op daken waaronder schooldaken, zodat transportverliezen zoveel mogelijk worden vermeden en investeringen in netverzwaring worden beperkt.
• Stimuleer ‘flexibele elektrificatie' van de industrie en bij consumenten, bijvoorbeeld door slim laden van elektrische auto's waarbij de batterij van de auto wordt gebruikt om bij veel aanbod van wind- en zonne-energie dit aanbod nuttig aan te wenden. Doe dit bij voorkeur in de vorm waarin de energie nodig is zodat conversieverliezen zoveel mogelijk worden vermeden, bijvoorbeeld warmteopslag, batterij-opslag of waterstofopslag daar waar het waterstof al nodig is zoals bij kunstmestproductie of petrochemie.
• Wissel elektriciteit uit met omringende regio's en landen om zoveel mogelijk het direct gebruiken van elektriciteit te faciliteren en het gebruik van fossiele brandstoffen daarmee terug te dringen.
• Energieconversie, waarbij de elektriciteit wordt omgezet in iets dat beter op te slaan is, zoals ammoniak, waterstof of conversie naar chemie als grondstof. Maak hierbij zoveel mogelijk gebruik van restwarmte die bij elektrolyse of conversie in een brandstofcel vrijkomt.

Waterstof gaat een belangrijke rol vervullen in ons energiesysteem van de toekomst. Maar de grote uitrol komt pas als er voldoende hernieuwbare elektriciteit is om grootschalige waterstof zinvol te laten zijn. De routekaart waterstof gaat ervan uit dat dit vanaf 2030 het geval zal zijn. Ik verwacht dat er voor 2030 al wel nichemarkten ontstaan voor wat betreft waterstof toepassingen.

• Bijvoorbeeld bij zwaartransport over lange afstanden kan de brandstofcel/waterstof-optie een goed alternatief zijn voor batterijen.
• Al tussen 2020 en 2023 zullen er momenten zijn dat er in Nederland meer hernieuwbare elektriciteit wordt geproduceerd dan we zelf kunnen consumeren, waardoor de business case voor energieopslag en andere flexibiliteitsopties zal verbeteren.
• Ook zal waterstof- of ammoniakimport al eerder van de grond kunnen komen, waarbij duurzame energie wordt geïmporteerd uit landen die overschotten hebben, zoals IJslandse geothermie, zon-PV uit woestijngebieden zoals het Midden-Oosten, wind uit Patagonië, etc.
• Waterstof kan helpen bij het voorkomen van uitbreidingsinvesteringen voor piek-elektriciteitsnet-vermogen doordat elektriciteit - bijv. offshore - omgezet kan worden naar waterstof en zo via leidingen onshore getransporteerd kan worden.

Voor de korte termijn is het verstandig om ons te richten op technologie-ontwikkeling en zo de kosten van de productie en toepassing van waterstof omlaag te krijgen. Dat kan via een missie gedreven innovatieprogramma met ambitieuze doelen en een gecoördineerde aanpak. Nederland heeft een uitstekende kennisinfrastructuur om op dit gebied internationaal tot de uitblinkers te horen en klaar te staan op het moment dat we de optie echt nodig hebben, met name voor het genereren van hoge temperatuur warmte en het gebruik van waterstof als grondstof. Tegelijkertijd is het belangrijk om waterstof slim uit te rollen in toepassingen waar toegevoegde waarde het grootst is, de business case het meest dichtbij en de waarde voor het klimaat het grootst.

Waterstof gaat op termijn belangrijk worden, de vraag is wanneer. Door nu te beginnen kunnen we de systeemrol van waterstof verkennen, ontwikkelen en optimaal benutten.

Robert Kleiburg is oprichter van Recoy, dat zich specialiseert in het reduceren van energiekosten door gebruik te maken van flexibiliteit. Ook is hij bestuurslid van het TKI Nieuw Gas. Daarvoor was hij verantwoordelijk voor ECN Duurzaam en bij Shell onder meer verantwoordelijk voor strategie en planning van Shell Renewables & Hydrogen. Op Twitter is hij actief onder @RobertKleiburg