Klimaatverandering maakt het noodzakelijk de uitstoot van broeikasgassen drastisch te reduceren. De komende decennia zal er, wereldwijd, een nieuw energiesysteem uitkristalliseren met een veel lagere carbon footprint. Technologische doorbraken, kostenverlagingen, politieke keuzes en draagvlak zullen bepalen hoe dat nieuwe systeem er uit komt te zien.
Door meer te elektrificeren zal elektriciteit een groter aandeel krijgen in het finale energieverbruik. Voor veel landen zal elektriciteit uit zon en wind het basiselement van het nieuwe energiesysteem zijn (met voorlopig aardgas als belangrijkste aanvulling). Ook voor Nederland is deze keuze de facto reeds gemaakt. Het zijn de grote kostendalingen voor de productie van elektriciteit uit zon en wind die hieraan ten grondslag liggen.
Een toekomstig all electric energiesysteem mag dan waarschijnlijk technisch wel mogelijk zijn; een energiesysteem waarbij er in een systeemanalyse op kosten geoptimaliseerd wordt ziet er heel anders uit. Opslag en transport van elektriciteit zijn relatief duur. Er blijven energiedragers nodig met een hoge energiedichtheid die relatief makkelijk kunnen worden opgeslagen of getransporteerd. Anders gezegd: moleculen in plaats van elektronen.
Waterstof is hierbij de meest voor de hand liggende optie en een belangrijke component van de EU Green Deal. De vraag is niet óf waterstof een rol gaat spelen in het toekomstige energiesysteem, maar wát voor rol het zal zijn. Een aantal vragen dienen zich aan:
– Hoe groot wordt het aandeel waterstof in een nieuw, wereldwijd, energiesysteem?
– Hoe zal de verhouding zijn tussen blauwe en groene waterstof?
– Hoe zal lokale productie zich verhouden tot transport over lange afstand?
De voor- en nadelen van waterstof
Het gebruik van waterstof heeft veel voordelen. Het kan zonder uitstoot van broeikasgassen door elektrolysers als groene waterstof overal worden geproduceerd waar zero-carbon-elektriciteit en water voorhanden is. Het kan met een lage uitstoot van broeikasgassen als blauwe waterstof overal worden geproduceerd waar aardgas en water voorhanden zijn en de mogelijkheid bestaat om CO₂ te gebruiken of in de diepe ondergrond te injecteren. Het heeft een energiedichtheid van dezelfde orde van grootte als fossiele brandstoffen (hoger per eenheid van gewicht en lager per eenheid van volume). Het kan in vergelijkbare hoeveelheden als fossiele brandstoffen worden getransporteerd of opgeslagen, al brengt dat meer kosten met zich mee. En, boven alles: bij de verbranding van waterstof komen geen broeikasgassen vrij.
Het gebruik van waterstof heeft ook veel nadelen. Vooralsnog brengt met name groene waterstof hoge kosten met zich mee. Dat wordt mede veroorzaakt door de beperkte efficiëntie van 70% waarmee elektriciteit kan worden omgezet in waterstof. Elke volgende stap bij het gebruik van waterstof brengt veelal een verder energieverlies met zich mee. De kans op lekkages is groter voor waterstof dan voor aardgas. Voor blauwe waterstof is de afvang van CO₂ niet 100% en dient men rekening te houden met de emissies van methaan (een sterk broeikasgas) bij de productie en het transport van aardgas.
Op de vraag of het bestaande gasnetwerk kan worden gebruikt is geen simpel antwoord. Waterstof kan eerder leiden tot het bros worden van materiaal maar zolang drukken (en veranderingen in druk) binnen bepaalde grenzen blijven hoeft dat veelal geen beletsel te zijn voor het gebruik van een bestaand netwerk. Afhankelijk van de benodigde capaciteit moeten bestaande centrifugaalcompressoren mogelijk worden vervangen.
De toekomstige rol van waterstof is nog niet goed uitgekristalliseerd.
Op dit moment wordt waterstof vooral gebruikt voor niet-energietoepassingen: de productie van ammoniak (voor kunstmest), in de chemie (plastics) en bij de raffinage van olie. Omdat door regulering, met name in de scheepvaart, de vraag naar hoog zwavelige brandstoffen afneemt, stijgt de vraag naar waterstof, essentieel om onzuiverheden en zwavel uit ruwe olie te verwijderen. De nu gebruikte waterstof is vrijwel uitsluitend grijze waterstof op basis van aardgas en, met name in China, steenkool. Voor al deze bestaande toepassingen valt waterstof moeilijk te vervangen.
Als energiedrager in een nieuw energiesysteem is waterstof een van de opties en moet het een strijd om marktaandeel in dat nieuwe systeem gaan voeren. Waterstof biedt niet het onverslaanbare pakket aan dat fossiele brandstoffen in de aanbieding hebben, mits men althans milieuvervuiling en de uitstoot van broeikasgassen buiten beschouwing laat.
Voor verschillende scenario’s varieert het aandeel waterstof in de globale, finale energievoorziening in 2050 tussen ongeveer 5% en 30%. Waterstof zal in het nieuwe energiesysteem dienen voor de decarbonisatie van die gedeelten van het systeem waar zero carbon elektriciteit (en accu’s, flexibele vraag, overcapaciteit van zon en wind) geen betere optie is. Gezien de onzekerheid van toekomstige kostenontwikkelingen (stroom uit zon of wind, elektrolysers, accu’s, aardgas, CCS) is de rol van waterstof in onze toekomstige energievoorziening minder goed uitgekristalliseerd dan de rol van zon en wind. in onze toekomstige elektriciteitsvoorziening. Waterstof is nu daar waar zon en wind zo’n twintig jaar geleden waren.
Van alle potentiële toepassingen van waterstof zijn er een aantal waarvan het aannemelijk is dat waterstof een grote rol gaat spelen. Dit zijn met name staalproductie en de scheepvaart en luchtvaart over langere afstanden. Daarbij kan het zowel gaan om waterstof als om de hiermee geproduceerde ammoniak (Haber-Bosch proces) of synthetische koolwaterstoffen (Fischer-Tropsch proces). Airbus baseert het ontwerp van een nieuwe generatie vliegtuigen op waterstof. Met deze toepassingen kan de vraag naar waterstof wereldwijd met ongeveer een factor 5 stijgen ten opzichte van de huidige vraag en kan het aandeel waterstof uitkomen rond 10%-15%. Daarbij is de nieuwe vraag voor het gebruik van waterstof als brandstof en niet voor het gebruik als grondstof. Biofuels kunnen voor sommige toepassingen een concurrent zijn voor waterstof maar de beschikbaarheid daarvan zal ook in de toekomst beperkt zijn.
Daarnaast zijn er een aantal potentiële toepassingen waarvan het aannemelijk lijkt dat waterstof een kleinere, soms zelfs verwaarloosbare, rol gaat spelen. De markt voor personenauto’s en lichte vrachtwagens gaat definitief naar elektrische auto’s. Als er al een rol is voor waterstof in het wegvervoer, is dat hooguit voor zwaar transport over grotere afstanden. Voor productie van elektriciteit zal de rol van waterstof zich eerder beperken tot het doorkomen van een dunkelflaute dan het door het hele jaar heen leveren van stroom. Dat is een essentiële rol die echter slechts een gelimiteerd verbruik van waterstof met zich meebrengt. Voor verwarming lijkt elektriciteit (warmtepompen), aangevuld met geothermie, groen gas en restwarmte, slechts een beperkte ruimte voor waterstof over te laten. De totale hoeveelheid energie die nodig is om huizen met waterstof te verwarmen is ruwweg een factor 5 hoger dan die met warmtepompen; de kosten ruwweg een factor 2.
Blauwe waterstof: snelle reductie van emissies
Bloomberg New Energies Finance verwacht dat groene waterstof op veel plaatsen al in 2030 vergelijkbare kosten heeft als blauwe waterstof. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) verwacht dat dit vaak niet voor 2050 het geval zal zijn. GoldmanSachs merkt hierbij op dat lage kosten voor groene waterstof in 2030, in landen als Saoedi-Arabië of de Emiraten, nog geen lage kosten bij aflevering in NW Europa betekenen als transport de kosten bij aflevering verdubbelt. Aurora Energy verwacht in een recente studie dat blauwe waterstof uit landen als Nederland en Noorwegen de goedkoopste waterstof in NW Europa zal zijn.
CCS, essentieel voor blauwe waterstof, is als techniek niet onomstreden. Met blauwe waterstof is het moeilijker de laatste stap te zetten van low carbon naar zero carbon; ook door methaanlekkages bij de productie en het transport van aardgas. In hoeverre dit een beletsel zal zijn voor blauwe waterstof om op de lange termijn een rol te blijven spelen is, naast de mate waarin vooruitgang kan worden geboekt bij het tegengaan van methaanlekkages, vooral ook een politieke keuze.
Met blauwe waterstof en CCS kunnen in de industrie wel snel grote stappen worden gezet. Analoog aan de verwarming van bestaande huizen geldt: het mag dan misschien niet de ideale langetermijnoplossing voor de volle 100% zijn, een snelle toepassing van meer isolatie en hybride warmtepompen is beter dan een veel langzamer start met uitsluitend volledig aardgasloze oplossingen.
Lange-afstandtransport is voorlopig geen gegeven
Grijze waterstof wordt op dit moment vrijwel altijd lokaal geproduceerd. In welke mate het transport van waterstof over grote afstanden van de grond zal komen is onduidelijk. Voor aardgas heeft dit decennia lang geduurd en intercontinentaal transport van LNG is pas de laatste 10 jaar serieus van de grond gekomen. Transport van waterstof per schip brengt substantiële kosten met zich mee; ook als waterstof eerst naar ammoniak wordt omgezet. Zo’n omzetting in ammoniak of een LOHC (liquid organic hydrogen carrier) ten behoeve van transport is waarschijnlijk. Ammoniak heeft daarbij het voordeel van lagere kosten maar is moeilijker handelbaar. LOHC’s (methanol, tolueen) kunnen makkelijker in bestaande tanks worden opgeslagen. De meeste projecten die nu worden opgezet (zoals het grote groene NEOM-waterstofproject in Saoedi-Arabië) lijken uit te gaan van ammoniak.
Schattingen voor het omslagpunt voor transport per schip versus pijpleidingtransport variëren tussen 1.500 en 4.000 kilometer. Naast kosten kunnen geopolitieke keuzes hierbij een rol spelen. Het is niet denkbeeldig dat Noordwest-Europa waterstof uit bij voorbeeld Zuid-Spanje (binnen de EU) prefereert boven waterstof uit Noord-Afrika.
Op dit moment zijn toekomstige ontwikkelingen qua kosten relatief onzeker; zowel voor de productie als het transport. Met dat als kanttekening kan men voorzichtig, bijvoorbeeld op basis van de IEA-kostenschattingen voor waterstof in 2050, de mogelijke contouren schetsen van hoe een toekomstig productie- en transportsysteem van waterstof eruit zou kunnen zien:
• De productie van waterstof zal nog lange tijd veel meer lokaal en verspreid plaatsvinden dan de huidige productie van aardgas.
• Op de lange termijn lijkt grootschalige import vooral aantrekkelijk voor Japan (op basis van zowel kosten als ruimtebeslag) en mogelijk ook voor Noordwest-Europa.
• Voor landen met grote gasreserves zoals Rusland en Qatar zal de lokale productie van blauwe waterstof ook op de lange termijn een aantrekkelijke optie blijven. Afhankelijk van de politieke keuzes die daar gemaakt worden zou dat ook voor de VS het geval kunnen zijn.
• Voor landen met een groot potentieel aan goedkope elektriciteit uit zon (Noord-Afrika, Midden-Oosten, Australië) zal de lokale productie van groene waterstof een aantrekkelijke optie zijn. Dit is met name het geval als de trend van het laatste decennium, met veel snellere kostendalingen voor zon dan voor wind, zich verder voortzet. Minder duidelijk is hoe snel grootschalige export van waterstof van de grond komt.
• Europa lijkt, althans voor de lange termijn, een keuze voor groene waterstof te hebben gemaakt (lokaal geproduceerd of geïmporteerd). Het is waarschijnlijk dat een zekere mate van import voor Noordwest-Europa noodzakelijk zal zijn vanwege ruimtegebrek.
Politieke keuzes kunnen veranderen. Inschattingen van toekomstige kostenontwikkelingen voor productie en transport van waterstof kennen een grote onzekerheid. Waar gaat het heen met toekomstige gasprijzen en CO₂ beprijzingen zoals het EU ETS systeem? Al die factoren spelen een grote rol bij de aantrekkelijkheid van blauwe waterstof ten opzichte van die van groene waterstof en de aantrekkelijkheid van lokale productie versus import. De Nederlandse overheid moet bij het uitstippelen van beleid rekening houden met deze grote onzekerheden en kan niet uitgaan van één enkele vastomlijnde route.
Waterstof hubs zijn het laaghangend fruit
Wat minder onzeker is, zijn de huidige kosten voor groene en blauwe waterstof; die liggen voor blauwe waterstof een factor 2 tot 3 lager dan die voor groene waterstof. Daarbij zijn het de grote havengebieden waar industrie, raffinaderijen en chemie geconcentreerd zijn waar zero of low carbon waterstof op de korte termijn het meest aantrekkelijk is. Veelal wordt hier reeds grijze waterstof geproduceerd en gebruikt.
Een project als H-Vision in het Rotterdamse havengebied biedt uitzicht op een relatief snelle en substantiële vermindering van CO₂-uitstoot. Een eerste project, een fabriek voor het genereren van blauwe waterstof, gecombineerd met de injectie van CO₂ in lege gasvelden offshore, zou in 2025 voltooid kunnen zijn. Voor dit soort projecten is, mede door het huidige anti-industrie klimaat in Nederland, financiële steun van de overheid geen gegeven.
Groene waterstof mag dan vooralsnog een kostenprobleem hebben, blauwe waterstof heeft een acceptatieprobleem. Blauwe waterstof en CCS sluiten echter beter aan bij de huidige sterke punten van de Nederlandse economie dan de productie van groene waterstof met elektrolysers. Voor CCS heeft Nederland de lege gasvelden, infrastructuur, kennis en ligging om op korte termijn een substantiële rol te spelen.
Met het in eerste instantie concentreren op blauwe waterstof, voorlopig nog substantieel goedkoper dan groene waterstof, kan een grotere waterstofeconomie en infrastructuur van de grond komen. Daarnaast kan het gebruik en transport van CO₂ verder op gang gebracht worden. Injectie van CO₂ in de ondergrond hoeft niet beperkt te zijn tot lege gasvelden maar kan ook plaats vinden in aquifers – zoals in Noorwegen bij het Sleipner project al 25 jaar gebeurt en nu wordt gepland bij het Northern Lights project.
Blauwe waterstof, groene waterstof en waterstof infrastructuur verdienen allemaal steun
Het bovenstaande is zeker geen stellingname tegen groene waterstof. Het is niet meer dan de constatering dat voor Nederland, in ieder geval op de korte termijn, blauwe waterstof een aantrekkelijke optie is. De kans dat er in Nederland op grote schaal elektrolysers gebouwd gaan worden is uitermate klein. Voor de maakindustrie van elektrolysers heeft China een voorsprong genomen. Zelfs voor een land als Duitsland is dat een grote uitdaging; laat staan voor Nederland. Landen met een betere track record voor maakindustrie hebben een betere uitgangspositie voor groene waterstof dan Nederland.
Groene waterstof heeft een lagere carbon footprint dan grijze waterstof als de CO₂-intensiteit van elektriciteit lager ligt dan 185 gram CO₂ per kilowattuur (g CO₂/kWh). Voor blauwe waterstof ligt dat omslagpunt bij enige tientallen gram CO₂/kWh, afhankelijk van de mate waarin CO₂ wordt afgevangen. Ter vergelijking: de huidige Nederlandse CO₂-intensiteit van elektriciteit ligt bij 300 gram CO₂; Ember schat in een recente studie dat die in 2030 gedaald zou moeten zijn tot ruim 120 gram CO₂/kWh. Ook als er een dedicated wind park gebouwd wordt voor de productie van groene waterstof, is het niet onredelijk zich af te vragen in hoeverre dat ten koste gaat van een groter aandeel groene stroom in de totale stroommix.
Terwijl steun aan blauwe waterstof erop gericht is om op een termijn van tien à twintig jaar emissies terug te brengen, is steun aan groene waterstof erop gericht om deel te nemen aan een wereldwijde inspanning om de kosten van elektrolysers terug te brengen (simpelweg door er veel te gaan bouwen). Dat is analoog aan de Duitse steun voor zon en wind in de vroege fase van de Energiewende en een investering voor de lange termijn. Het zou mooi zijn als Nederland dit keer niet alleen de Duitsers de kastanjes uit het vuur laat halen.
Rotterdam heeft een dominante positie in Noordwest-Europa op het gebied van olie en olieproducten. Het is geen vanzelfsprekendheid dat Rotterdam een dergelijke positie ook zal verkrijgen voor waterstof. Als de business case voor waterstof niet rondkomt in Nederland, gaan bedrijven naar het buitenland. Dat een bedrijf als Shell nu een waterstoffabriek bij de raffinaderij in Keulen bouwt, en dat een bedrijf als Equinor voor waterstof en CCS nu de aandacht buiten Noorwegen verlegt van Nederland naar het Verenigd Koninkrijk, geeft te denken. Het is een reflectie van de tot nu toe halfhartige steun van de Nederlandse overheid voor waterstof, het hier heersende anti-industrie klimaat en de weinig consistente koers van de Nederlandse overheid op het gebied van energie.
Hopelijk kunnen er bij de formatie snel zaken worden gedaan en komt er een compromis waarbij men enerzijds waterstof en CCS snel daadwerkelijk gaat steunen en anderzijds het streven naar een snelle realisatie van nieuwe kerncentrales laat varen.