Ons land is Europese koploper in zonnepanelen, warmtepompen en mensen kopen steeds vaker een elektrische auto (één op de drie in 2024). Daarmee is de elektrificatie van de energievoorziening in Nederland voor iedereen zichtbaar.
En de gevolgen ook. Het elektriciteitsnet zit op veel plaatsen aan zijn limiet en netcongestie (zie pagina 4 ‘Het stroomnet vraagt om slimme spelregels’) vormt een belemmering voor bedrijfsleven en woningbouw. Volgens het CBS bestaat momenteel zo’n 30 procent van het energieverbruik in Nederland uit elektriciteit. Ongeveer de helft hiervan is afkomstig uit duurzame bron (biomassa, zon en wind). En het elektriciteitsgebruik zal alleen maar verder toenemen.
Toch wordt niet alles elektrisch, verwacht prof. Bendiks Boersma (faculteit Mechanical Engineering). Hij is wetenschappelijk directeur van het H2-platform van de TU, dat samenwerking faciliteert om waterstofinnovaties te versnellen. “Elektriciteit is niet geschikt voor energieopslag over de seizoenen, hogewarmte of als energiebron voor zwaar transport door vrachtwagens, schepen of vliegtuigen.”
Waterstof is daarvoor wel geschikt. Daarnaast is waterstof een belangrijke grondstof voor de chemische industrie, bijvoorbeeld voor de productie van ammoniak (NH3) als basis voor kunstmest.
Twee binnenvaartschepen van Future Proof Shipping varen op groene waterstof.
© Future Proof Shipping
Van grijs naar groen
Nu nog is de meeste waterstof ‘grijs’. Dit wordt gemaakt uit aardgas dat wordt gesplitst in waterstof en de broeikasgassen CO en CO2. Met elektrolyse kan waterstofproductie uitstootvrij, weet Willem Haverkort (faculteit Mechanical Engineering). Hij onderzoekt hoe dat proces nog efficiënter kan. Stel je een bak water voor, legt Haverkort uit, met daarin twee metalen platen met daarover een elektrische spanning. Die spanning zorgt voor een chemische reactie die het water doet splitsen in waterstof- en zuurstofbelletjes. Onder geen beding mogen de verschillende belletjes bij elkaar komen. Dat zou, met een vonk erbij, letterlijk voor vuurwerk zorgen. Dus zit er een membraan tussen dat stroom en water doorlaat, maar geen belletjes. De waterstofbelletjes stijgen op uit het water met een deel van de energie uit de platen erin – het worden energiedragertjes. De rest van de energie gaat als warmte verloren. Voordat de waterstof- en zuurstofbelletjes het bassin verlaten, kunnen ze het proces behoorlijk in de weg zitten, zegt Haverkort. “Het zorgt voor meer weerstand, omdat de stroom zich een weg om de belletjes heen moet banen.” Daarom wil Haverkort die belletjes zo snel mogelijk uit het water hebben. Hij werkt aan een ontwerp waarin het membraan is vervangen door stroming. Die zorgt dat de bubbeltjes zo snel mogelijk opstijgen, aan de goede kant. Dat maakt het proces efficiënter en hopelijk goedkoper. Zo wordt de productie aantrekkelijker, hoopt Haverkort. Een nog belangrijkere factor is volgens hem de prijs van groene stroom. “Die is te hoog om te kunnen concurreren met aardgas. Als die lager wordt, bijvoorbeeld door een veel groter aanbod aan duurzame stroom, wordt groene waterstofproductie écht interessant.”
Groene en grijze waterstof
Groene waterstof, afkomstig uit elektrolyse van water met groene stroom. Dat is er nog nauwelijks. Het marktaandeel is nog geen 1 procent. De rest van de waterstof, die voornamelijk in de industrie wordt gebruikt, wordt gemaakt uit aardgas (zo’n 10 procent van het nationale gebruik) en heet grijze waterstof.
Voor meer groene waterstof is veel meer groene stroom nodig. Nederland zet vooral in op offshore windenergie. Momenteel is er 4,7 gigawatt operationeel op de Noordzee. In 2050 moet dat 72 gigawatt zijn als je alle benodigde energie in eigen land wil produceren.
Bij zo’n grote stroomproductie zal het aanbod waarschijnlijk vaak groter zijn dan de vraag. Dat is een goed moment om waterstof te produceren met elektrolysers omdat de stroomprijs dan heel laag is. Maar als je alleen waterstof produceert bij een teveel aan stroom, dan staan de elektrolysers ook vaak uit.
En dat maakt het moeilijker om de windparken voldoende winstgevend te realiseren. Als je kiest voor productie van elektriciteit of waterstof op afgelegen windparken is er nog een dilemma. Waterstof transporteren door een pijpleiding is (per geleverde eenheid van energie) veel goedkoper dan via een hoogspanningskabel over de zeebodem.
Maar bij de omzetting van elektriciteit naar waterstof gaat ongeveer een kwart van de energie verloren. Wat is dan de beste keuze: offshore productie van waterstof en transport per pijpleiding of elektriciteitstransport door een dure kabel?
PosHYdon
Binnenkort wordt de eerste proefopstelling voor offshore waterstofproductie in gebruik genomen. Deze 1 megawatt opstelling – PosHYdon genoemd – komt op het offshore platform Q13a-A te staan, zo’n 13 kilometer uit de kust voor Scheveningen. Vijftien partners, waaronder TNO en Gasunie, zullen daar de eerste zeegroene waterstof produceren uit windenergie.
Binnenvaart op groene waterstof
“De scheepvaartsector gebruikt ongeveer evenveel brandstof als de luchtvaart. Daar is veel te winnen”, zegt Lindert van Biert (faculteit Mechanical Engineering). “Maar het is heel lastig om op een schip energie op te wekken.” Voor schepen is waterstof geschikter dan batterijen, zegt Van Biert. Die zijn gauw te groot en te zwaar. Waterstof neemt door de benodigde speciale tanks vijf keer meer ruimte in dan diesel. Dat betekent regelmatig tanken. Voor binnenvaartschepen, die relatief korte afstanden varen, is dat geen groot probleem. Het is dan ook niet gek dat juist de binnenvaart de overstap maakt naar waterstof. Naast waterstof zijn er andere veelbelovende energiedragers voor de scheepvaart: ammoniak en methanol, beide makkelijker te vervoeren dan waterstof. Maar ammoniak is giftig. “Als dat vrijkomt, is het erg schadelijk voor mensen. Dat wil je niet op binnenvaartschepen, die varen in de bebouwde omgeving.” Methanol stoot nog steeds CO2 uit, maar is wel gemakkelijk te vervoeren en daarom vooral geschikt voor lange afstanden. In Nederland varen twee binnenvaartschepen op groene waterstof, van het bedrijf Future Proof Shipping. Maar, zegt Van Biert, niet elk schip dat op een elektrobrandstof vaart is duurzaam. “Het overgrote deel van de waterstof wordt nog niet groen geproduceerd.” Naast Future Proof Shipping laat ook Maersk zien dat het kan. Het containerconglomeraat heeft sinds kort enkele schepen varen op groene methanol. Biert: “Dat werd nog nauwelijks geproduceerd. Zo’n groot bedrijf kan zeggen: wij creëren de vraag en het aanbod volgt wel.” Dat moet ook gebeuren bij waterstof, denkt Van Biert. “Als je de energie niet uit groene bronnen haalt, heeft het geen zin.”
Van elektrolyse wordt veel verwacht maar welke techniek gebruik je?
In de Waterstofstraat op The Green Village bekijken onderzoekers onder welke omstandigheden het traditionele gasnetwerk gebruikt kan worden voor het transport van groen waterstofgas.
© Willem de Kam
Knelpunten
Offshore waterstof moet een pijler onder de Nederlandse energievoorziening worden, maar er is nog veel onbekend, constateert Boersma. Er zijn tal van varianten denkbaar. Van elektrolyse op land met offshore windenergie tot offshore windparken die geen stroom maar waterstof produceren en die ondergronds kunnen opslaan. Zo’n waterstofeiland zou, net als een offshore boorplatform, alleen door pijpleiding met het land verbonden zijn. De vraag die nader bestudeerd moet worden is welke techniek de beste keuze zou zijn voor welke plek. Als tweede knelpunt noemt Boersma de elektrolyse. Ook hiervan wordt veel verwacht en er is een enorme opschaling vereist. Welke techniek is efficiënt, goedkoop en schaalbaar zonder gebruik te maken van kritieke grondstoffen?
Regelgeving
Ook op het gebied van beleid valt er nog veel uit te zoeken, constateert dr.ir. Peter Lucas, programmamanager bij het H2-platform. Hij ziet dat de particuliere markt voor waterstof niet van de grond komt vanwege onbekendheid. In de industrie is het gebruik van waterstof goed in regels vastgelegd, maar consumenten zijn afwachtend. Waterstof staat immers bekend als explosief.
Er is Europese regelgeving opgesteld om een markt voor groene waterstof te creëren. Een onderdeel daarvan is de verplichting tot bijmenging van niet-biologische brandstoffen. Dat heet Renewable fuel of non-biological origin (RFNBO) waarmee synthetische brandstoffen bedoeld worden die gemaakt zijn met groene (of blauwe) waterstof. In 2030 moet 29 procent van de transportbrandstoffen bestaan uit RFNBO. De bedoeling is om op die manier de vraag naar groene waterstof te stimuleren en door de schaalvergroting de prijs ervan te verlagen.
Tot slot wijst Lucas op een strategische keuze: wil Nederland zelfvoorzienend worden met grote windparken op zee, of is het beter om te kiezen voor import van waterstof? Bijvoorbeeld uit Spanje of Marokko – landen met een ruim aanbod aan zon en wind. “Uit economisch perspectief is het voordelig om energieopwekking en ook energie-intensieve bedrijven te vestigen op plekken waar de energie het goedkoopst voorhanden is”, zegt Lucas. “Dus niet alleen de waterstofproductie, maar ook de verwerking naar ammoniak of andere chemische grondstoffen. Maar wat betekent dat voor de kunstmestindustrie, de hoogovens en chemische industrie in de Rotterdamse haven?”
Opslag van waterstof
Stel je een toekomst voor waarin Nederlandse huishoudens en industrie draaien op duurzame energie uit wind en zon. Maar wat als de zon niet schijnt of het niet waait? Dan moet je kunnen terugvallen op een grote energiereserve. Daar komt waterstofopslag in beeld. “We kunnen het ons niet veroorloven om dit níét te doen,” zegt hoogleraar Hadi Hajibeygi (faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen). Hij doet onderzoek naar de ondergrondse opslag van waterstof: een grootschalige manier om energie te bufferen voor periodes van schaarste. Nu al slaan we in Nederland 136 terawattuur aan aardgas op in lege gasvelden. In diezelfde velden, of in zoutcavernes, kunnen we volgens Hajibeygi straks ook waterstof kwijt – genoeg om meerdere winters door te komen. Zoutcavernes zijn vooral geschikt voor snelle opslag en afgifte, bijvoorbeeld als de zon of wind plotseling wegvalt, legt Hajibeygi uit. Gasvelden zijn beter voor langdurige opslag.
Nederland heeft volgens Hajibeygi met zijn dikke zoutlagen en lege gasvelden wat dat betreft een geologische voorsprong: “We kunnen hier veilig én grootschalig opslaan – onder land en op zee.” In Zuidwending, vlakbij bij Veendam, experimenteert Gasunie met de opslag van waterstof in zo’n zoutcaverne. “De technologie is er, nu de markt nog”, zegt hij. Toch zijn er ook zorgen. Want waterstof is het lichtste molecuul op onze planeet en veel mobieler dan elk ander gas. Kan het bodemdaling of aardschokken veroorzaken zoals in Groningen? “Nee,” stelt Hajibeygi gerust. “In Groningen daalde de reservoirdruk jarenlang doordat we gas bleven winnen, wat tot bodemdaling leidde. Maar bij waterstofopslag houden we de druk juist binnen veilige grenzen. We slaan het op, halen het eruit, en sturen actief bij. Bovendien kunnen we kiezen wáár we opslaan, weg van breuklijnen of kwetsbare gebieden.” De potentie is volgens hem enorm. “We hebben geleerd van Groningen. Nu is het tijd om het goed te doen.”