Grijze en blauwe waterstof
Waterstof is een energiedrager en geen energiebrón. Het is niet zomaar in de natuur te ‘oogsten’, maar moet geproduceerd worden. De waterstof die vandaag de dag gemaakt wordt is vooral grijze waterstof: waterstof die gemaakt wordt uit fossiele brandstoffen. Bij deze productie komt CO2 vrij. Door de relatief lage prijs van aardgas die we jarenlang gekend hebben, was de goedkoopste manier om grootschalig waterstof te maken steam-methane reforming: in dit proces worden stoom en methaan, waar aardgas voornamelijk uit bestaat, bij een temperatuur van rond de 1000 graden Celsius, omgezet tot syngas. Syngas bevat waterstof en koolmonoxide (H2 en CO). Bij een temperatuur van ongeveer 360 graden Celsius wordt via de zogeheten watergas shift reaction koolmonoxide met extra stoom omgezet in kooldioxide en waterstof.
Doordat bij deze waterstofproductiemethode CO2 vrijkomt noemen we deze waterstof grijs. Als de CO2 wordt opgeslagen dan heet de waterstof blauw. Indien steenkool of bruinkool de bron is waaruit waterstof wordt gemaakt, wordt vaak vergassing toegepast om syngas te maken. Naast het proces van steam-methane reforming kan waterstof ook verkregen worden door pyrolyse van methaan: bij een temperatuur van 1065 graden Celsius kan methaan met een katalysator ‘gekraakt’ worden in zuiver koolstof en waterstof. Uit hogere koolwaterstoffen die bijvoorbeeld in olie zitten kan door gedeeltelijke verbranding ook waterstof worden gemaakt.
Groene stroom
Naast deze voorbeelden van op fossiele brandstof gebaseerde methodes kan waterstof ook gemaakt worden met elektrolyse. Bij deze methode wordt zuiver water ontleed in waterstof en zuurstof. Dit ontleden gebeurt door een elektrische stroom. Er kan een spanningsverschil over water worden aangebracht door er twee elektroden in te plaatsen. Er zal dan stroom door het water gaan lopen van de anode: de positief geladen elektrode, naar de kathode: de negatief geladen elektrode. De halfreacties die bij de anode en de kathode plaatsvinden verschillen per elektrolysemethode.
Waterstof is een energiedrager en geen energiebron. Je kunt het dus niet zomaar in de natuur 'oogsten'.
De twee elektrolysemethoden die momenteel worden ingezet zijn de alkaline elektrolyser en de PEM (Polymer Electrolyte Membrane) electrolyser. De werking van een elektrolyser is eigenlijk het omgekeerde van die van een brandstofcel, waarin reacties omgekeerd verlopen en er zo elektriciteit gemaakt wordt. Het is van daaruit dan ook niet verwonderlijk dat een bedrijf als het Amerikaanse Plug Power, groot in brandstofcellen, nu flink inzet op de productie van elektrolysers. Waterstof die geproduceerd wordt uit duurzame bronnen noemen we groene waterstof.
Biomassa
Als biomassa de bron is kan dit door vergassing via de syngas-route, net als bij aardgas en kolen. Meestal wordt er echter voor de productie van groene waterstof eerst duurzame stroom gemaakt. Dat kan bij waterkrachtcentrales, biomassa-centrales en uit zon en wind. In hoeverre kernenergie -door kernsplijting, of op termijn door kernfusie- een groen label mag dragen staat momenteel ter discussie.
Zoals het er nu naar uitziet zullen mondiaal, maar zeker in Nederland, zon en wind de meest dominante bronnen voor groene stroom zijn in 2050. Bij wind op zee kijken we ook naar het offshore produceren van waterstof. Dat betekent dan in plaats van een elektriciteitskabel naar land, een waterstofgasleiding of schepen met waterstof. Tegenwoordig lijkt het gebruik van elektrolysers dé techniek om waterstof uit elektriciteit te maken: groene waterstof dus, als dit uit groene stroom is. In Nederland zijn hiervoor momenteel veel projecten gestart of staan op het punt van starten. Bijvoorbeeld het project Sinnewetterstof.
Innovaties
De opwekking van waterstof via syngas of elektrolyse is nu nog een duur en inefficiënt proces. Innovatie is noodzakelijk om de prijs van waterstof te verlagen. Zo zou het bijvoorbeeld mooi zijn als elektrolysers zon of wind kunnen volgen en dus snel op en af kunnen schakelen, zonder dat dat ten koste gaat van de levensduur of efficiëntie van de elektrolyser. Er wordt veel onderzoek gedaan naar verbeteringen in het waterstofproductieproces, interessant zijn de volgende ontwikkelingen:
Solid Oxide Elektrolyser:
Naast de al verkrijgbare alkaline en PEM elektrolyser is er de ontwikkeling van SOEC, deSolid Oxide Electrolyser. Hierbij werkt het elektrolyseproces bij een veel hogere temperatuur, waardoor de efficiëntie van de elektrolyse-reactie toeneemt, omdat een lager spanningsverschil over de elektroden de reactie dan drijft
Direct water splitting:
Er wordt onderzoek gedaan naar directere omzetting van water naar waterstof bij de opwekking van energie uit zonlicht. Zo doet Forschungszentrum Jülich onderzoek naar deze methode en ook de KU Leuven werkt aan een mogelijk baanbrekend zonnepaneel. Bij dat zonnepaneel wordt van de in de lucht aanwezige waterdamp waterstof (en zuurstof) gemaakt.
Naast deze innovaties kan elektrolyse ook efficiënter worden door integratie van verschillende processen:
Integratie in windmolens:
In Noord-Holland wordt gewerkt aan de Hygro ‘waterstofmolen’. Daarbij wordt de elektrolyser in een windturbine ingebouwd. Door deze integratie kunnen componenten weggelaten worden, waarmee kosten bespaard worden.
Integratie met een batterij:
In Delft wordt gewerkt aan de Battolyser. Dat is een gecombineerde accu en elektrolyser. Wanneer er elektriciteit beschikbaar is, laadt eerst de accu zich op. Nadat de accu volledig geladen is wordt er met een hoge efficiëntie waterstof geproduceerd. Dit proces is ruim een eeuw geleden ontdekt door Thomas Edison, maar deze waterstofproductie werd gezien als een ongewenst effect van het opladen van een Nikkel-Lood-accu.
Benutten van zuurstof en warmte:
Bij elektrolyse komt ook zuurstof en warmte vrij. Door benutting van deze pro-ducten is er geen ‘afval’ meer uit dit proces. Zuurstof kan bijvoorbeeld in de industrie of bij waterzuivering gebruikt worden en de warmte kan bijvoorbeeld als bron voor een warmtenet worden benut
Stimuleringsbeleid
Nederland heeft de doelstelling om waterstofproductie in ons land op te bouwen. Deze doelstelling is beschreven in het Klimaatakkoord en het doel is om in 2025 ongeveer 75.000 ton groene waterstof te produceren. Dat komt overeen met een elektrolysecapaciteit van ongeveer 500 Megawatt. De doelstelling voor 2030 is om een elektrolysecapaciteit te hebben die ruim zes keer zo hoog is, namelijk 3 tot 4 Gigawatt. Om de ontwikkeling van elektrolysecapaciteit te bevorderen ondersteunt de overheid dit op verschillende manieren. Zo zijn er diverse subsidiemogelijkheden voor innovatie en opschalingsprojecten.
De huidige manieren om groene waterstof te maken zijn nog onvoldoende ontwikkeld om de toekomstige waterstofproductie aan te kunnen. De grootste locaties met electrolysers in de wereld hebben momenteel een capaciteit van ongeveer 10 MW, terwijl er nu gesproken wordt over waterstofproductielocaties van 10 GW.
Doorontwikkelingen
Opschaling van de technologie is hiervoor noodzakelijk. Innovatie is nodig om waterstof in de toekomst betaalbaar te krijgen. Op dit moment kan groene waterstof op prijs niet concurreren met fossiele brandstoffen zoals aardgas. Er zijn subsidies voor de ondersteuning van het opbouwen van waterstof productiecapaciteit, via bijvoorbeeld de SDE++ (Stimulering Duurzame Energieproductie en klimaattransitie) en HER+ (Hernieuwbare Energietransitie) -subsidies. Via deze regelingen wordt een bijdrage geleverd aan producenten van waterstof om de onrendabele top te financieren, dit is het prijsverschil ten opzichte van de alternatieven.
Ook Europese subsidies via IPCEI (Integrated Projects of Common European Interest) -regelingen werken op deze manier. Via deze regelingen kan zowel de productie van duurzame energie als de productie van waterstof worden bevorderd. Deze subsidies zijn geschikt voor ondersteuning van de ontwikkeling van groene waterstofproductie op de middellange termijn. Deze komen te laat voor de investeringsbeslissingen die nu genomen moeten worden om nog voor 2025 aan de kabinetsambities waterstof bij te dragen.
Jaarverplichting
Voor de periode tot 2025 wordt de zogenaamde jaarverplichting gebruikt om een afzetmarkt voor groene waterstof te maken. Dit om een eerste begin te maken om het kip-ei-probleem op te lossen: er is onvoldoende vraag naar groene waterstof en dus wordt het niet geproduceerd, en omdat het niet wordt geproduceerd is er geen vraag.
In 2023 en 2024 wordt de jaar-verplichting ‘Energie voor Vervoer’ opgesteld voor het gebruik van groene waterstof voor de productie van brandstoffen. Deze jaarverplichting eist dat een deel van de brandstof hernieuwbaar is. Door groene waterstof hieraan toe te voegen neemt het aandeel hernieuwbaar energie in brandstof toe. Verwacht wordt dat door deze regeling de vraag naar waterstof de ontwikkeling van ongeveer 400 MW electrolysecapaciteit mogelijk maakt, oftewel een groot deel van de doelstelling van 500 MW. Een nadeel hiervan is dat brandstof in prijs zal gaan stijgen. In het regeerakkoord is een klimaat- en transitiefonds aangekondigd van €35 miljard. Dat zal helpen om de benodigde energie-infrastructuur aan te leggen voor elektriciteit, warmte, waterstof en CO2.
Solid Oxide Elektrolyser:
Een belangrijke stimulering door de overheids de aanleg van de landelijke waterstof infrastructuur: de waterstofbackbone. Deze backbone wordt in opdracht van de overheid gerealiseerd door de Gasunie. De overheid heeft 750 miljoen gereserveerd om de voorlooprisico’s van de waterstofbackbone af te dekken, mede hierdoor is de aanleg van de backbone in gang gezet. Een andere manier waarop de Nederlandse overheid de productie van waterstof stimuleert is door het aangaan van samenwerkingen met andere landen, om zo de import van waterstof op gang te brengen.
Doorontwikkelingen
We zien dat Nederland de meeste samenwerkingen heeft van de potentieel importerende landen. Hieruit wordt de ambitie van Nederland goed duidelijk: de grote Nederlandse havens importeren nu veel fossiele brandstoffen en kunnen zo ook in de waterstofeconomie een belangrijke rol blijven spelen.
Om een idee te geven van de schaalgrootte van internationale ontwikkelingen: het genoemde Sinnewetterstof project heeft een capaciteit van ruim 1 Megawatt. De grootste functionerende elektrolysers zijn 10 Megawatt. In Marokko is bijvoorbeeld een project in ontwikkeling, dat met een productiefaciliteit van 10 GW bijna 10.000 keer meer produceert dan Sinnewetterstof, met stroom voornamelijk uit windparken. Dit project mikt op waterstofproductie in 2027. Hierin zullen vele miljarden geïnvesteerd worden.
Win-win situatie
In dit artikel zijn de huidige ontwikkelingen op het gebied van waterstofproductie weergegeven. De projecten die worden opgestart groeien in omvang en in Nederland wordt veel ervaring opgedaan. De Nederlandse overheid subsidieert, investeert, staat garant en gaat samenwerkingen aan. Hierdoor wordt ervoor gezorgd dat waterstof beschikbaar komt en een belangrijke rol in het duurzame energiesysteem krijgt. Op deze manier wordt vormgegeven aan een duurzamere wereld en wordt de economie van Nederland versterkt. Een echte win-win-situatie.