Kansen en obstakels voor waterstof

Kansen en obstakels voor waterstof

 

Waterstof voorziet in een vraag naar moleculen in de energievoorziening.

Waterstof wordt op het moment in grote hoeveelheden gebruikt in de chemische industrie voor onder meer de productie van ammoniak en in de olieraffinage. Daarbij wordt waterstof toegepast als industrieel gas. In een duurzaam energiesysteem kan waterstof in de toekomst ook een grote en veelzijdige rol innemen als gasvormige energiedrager.

Vloeibare en gasvormige energiedragers zullen nodig blijven als brandstoffen voor toepassingen waar elektriciteit niet toereikend zijn. Hierbij kan onder andere worden gedacht aan brandstof voor de luchtvaart en scheepvaart,  zwaar wegtransport en productie van hoge temperatuur warmte in diverse industriële processen. Verder moeten op termijn alle chemische producten en materialen die nu worden geproduceerd uit fossiele bronnen (steenkool, aardolie en aardgas) worden vervangen door duurzame varianten. Tot slot zijn vloeibare en gasvormige energiedragers nodig voor grootschalige opslag en transport van energie om vraag naar en aanbod van energie overal en altijd met elkaar in evenwicht te kunnen brengen.

Waterstof voor de verduurzaming van het moleculen-deel van het energiesysteem en als grondstoffen voor de chemische industrie kan geproduceerd worden met energie uit zon en wind.

Om voor de aanzienlijke behoefte aan vloeibare en gasvormige energiedragers niet alleen afhankelijk te zijn van de schaarse bron duurzame biomassa, is het cruciaal om voor deze opgave ook gebruik te kunnen maken van zonne- en windenergie. Dit is mogelijk door de productie van waterstof uit water via elektrolyse (in zogenaamde electrolysers) met behulp van duurzame elektriciteit die is opgewekt met zon en wind.

Figuur 1. Systeemfunctie waterstof (gebaseerd op figuur uit TKI Nieuw Gas, Topsector Energie; Contouren van een Routekaart Waterstof)
Waterstof komt voor in verschillende kleuren: groen, blauw en grijs.

Waterstof dat via elektrolyse met energie van duurzame bronnen zoals zonne- en windenergie wordt geproduceerd, heet groene waterstof. Groene waterstof is de meest duurzame vorm van waterstof. Op dit moment wordt de meeste waterstof nog geproduceerd op basis van aardgas of kolen. Bij de productie komt dan onder meer CO2 vrij in de atmosfeer. Er wordt dan gesproken over grijze waterstof.

Een mogelijke tussenoplossing op weg naar duurzame waterstof is om het te produceren op basis van aardgas  waarbij het grootste deel van de vrijkomende CO2 wordt afgevangen en opgeslagen. Dit wordt blauwe waterstof genoemd. In feite betreft dit de koolstof-arme inzet van aardgas, of het verwijderen van koolstof voor het gebruik van aardgas. De productie van blauwe waterstof is een manier om inzet van waterstof voor energietoepassingen tegen relatief lage kosten te introduceren, en hoewel nog niet echt duurzaam, de CO2-uitstoot ondertussen wel te reduceren.

Er is een verschil in kwaliteit tussen de verschillende ‘kleuren’ waterstof. Waterstof verkregen uit elektrolyse heeft over het algemeen een hogere zuiverheid dan waterstof die verkregen wordt met aardgas via stoom-methaan reforming (SMR) en kan daardoor direct worden ingezet in brandstofcelvoertuigen. Niet alle toepassingen vereisen dezelfde zuiverheid. Waterstof met een lagere zuiverheid kan worden ingezet bij sommige industriële toepassingen.

Duurzame waterstof kan verschillende functies hebben in het energiesysteem van de toekomst.

Waterstof kan worden ingezet als brandstof voor de vervanging van aardgas, bijvoorbeeld voor de productie van warmte voor industrie en de (bestaande) gebouwde omgeving. Indirecte inzet vindt plaats door waterstof samen met duurzame koolstof (bijv. uit biomassa) te gebruiken voor de productie van synthetische vloeibare brandstoffen. Verder vormt waterstof samen met koolstof en stikstof de basis voor veel chemische producten en materialen.

Waterstof kan mogelijk ook grootschalig in de ondergrond worden opgeslagen. Grootschalige opslag kan bijdragen aan de afstemming tussen de vraag naar energie en het variabele aanbod van energie uit zon en wind. Waterstof kan ook relatief eenvoudig in grote hoeveelheden over grote afstanden worden getransporteerd via pijpleidingen en tankers, zowel als gas op druk, in vloeibare vorm, of gebonden aan een drager. Daardoor wordt het ook mogelijk om duurzame energie te importeren uit verafgelegen gebieden met grote potentiëlen en gunstigere condities voor het produceren van duurzame energie dan in Nederland.

Het kan een rol spelen bij het afstemmen van vraag en aanbod van energie.

Met de mogelijkheden voor opslag, de transporteerbaarheid, de uitwisselbaarheid met elektriciteit en de brede toepassingsmogelijkheden kan waterstof een bron van flexibiliteit zijn voor het hele energiesysteem. De regelbaarheid van elektrolysers voor de productie van waterstof leveren daarbij een belangrijke bron van flexibiliteit (regelbaar vermogen voor vraagresponse) om variabel aanbod van zon- en windenergie gecontroleerd in te kunnen passen, en de stabiliteit van het elektriciteitssysteem te ondersteunen.

Waterstof kan mogelijk ook een zinvolle bijdrage leveren aan de realisatie van aardgasvrije wijken in de bestaande bouw.

In 2050 moeten 7 miljoen woningen en 1 miljoen gebouwen van het aardgas af. Er moet flink wat gebeuren. Als eerste stap moeten in 2030 de eerste 1,5 miljoen bestaande woningen verduurzaamd zijn. Alle manieren om te verwarmen kennen hun eigen uitdagingen. Geen enkele oplossing werkt nog binnen alle randvoorwaarden van praktische realiseerbaarheid, betaalbaarheid, betrouwbaarheid en maatschappelijke acceptatie. Daar waar een volledig elektrisch alternatief of een nieuw warmtenet onvoldoende haalbaar blijkt kan het bestaande gasnet dan mogelijk worden benut voor groen gas of waterstof als alternatief voor aardgas.

Grootschalige inzet van waterstof in het aardgasvrij maken van de bestaande bouw is op korte termijn niet te verwachten. Uit groene elektriciteit opgewekte waterstof is nog nauwelijks beschikbaar en er is nog onvoldoende ervaring met het gebruik ervan voor het verwarmen van huizen en gebouwen. In de komende jaren gaat de aandacht daarom vooral uit naar onderzoek en een beperkt aantal praktijkprojecten om kennis en ervaring op te doen over het maximaal veilig en efficiënt toepassen van waterstof in de bestaande gebouwde omgeving.

Waterstof is bovendien divers inzetbaar met gebruik van het bestaande net.

Er zullen hier en daar aanpassingen nodig zijn aan het gasnet, maar de aardgasleidingen zelf blijken geschikt voor de distributie van waterstof. Inzet op woningniveau kan in een daarvoor geschikte HR-ketel, of in een hybride ketel. Bij een hybride ketel wordt een elektrische warmtepomp gebruikt als basisvoorziening en waterstof in een HR-ketel als het kouder wordt. Zo kan piekbelasting van het elektriciteitsnet vermeden worden. Verder is waterstof mogelijk ook inzetbaar bij collectieve systemen, zoals stadsverwarmingsnetten. Daar kan het vooral dienen als brandstof in hulpwarmteketels die bijspringen op momenten van piekvraag. Waterstof is dus niet altijd het alternatief, maar kan ook worden ingezet ter ondersteuning van andere opties.

Waterstof biedt uitzicht op een duurzaam energiesysteem dat in belangrijke mate kan worden gebaseerd op zon, wind en waterkracht.

Alles bij elkaar biedt waterstof met een veelzijdige functionaliteit, mogelijkheid tot afstemmen van vraag en aanbod, en de koppeling tussen het elektrische en vloeibare- danwel gasvormige deel van het energiesysteem uitzicht op een duurzaam energiesysteem (PDF) dat in belangrijke mate kan worden gebaseerd op zon, wind en waterkracht.

Website by Webroots