Waterstof uit waardeloze groene stroom is een waardeloos idee

Leticia Bertin, via Flickr Creative Commons

Over waterstof bestaan vele misverstanden. De hardnekkigste daarvan is wel dat we in Nederland waterstof gaan produceren met bijna gratis of zelfs negatief geprijsde overschotten hernieuwbare elektriciteit. 

De basis klopt niet. Heroverweeg alles

In de negativiteit rond het Klimaatakkoord is het enthousiasme over waterstof een verademing. In het sterk gepolariseerde energiedebat is ongegrond enthousiasme echter ook kwalijk. Daarom dit stuk.

In de complexe werkelijkheid loopt de droom van waterstof uit overtollige elektriciteit tegen stevige knelpunten aan. In deze taaie longread licht ik enkele daarvan toe. Daarmee hoop ik de discussie over waterstof naar een hoger plan te trekken. Stuur dit bericht daarom zeker door aan iedereen die de woorden ‘goedkope overschotten‘ gebruikt in een betoog voor waterstofauto’s, seizoensopslag of waterstofketels. Wellicht weten zij iets dat ik nog niet weet. Ik hoor het graag!

De essentie en de Waterstofbingo
TL;DR: Het valt niet mee goedkope waterstof uit duurzame stroom te produceren. Dat neemt niet weg dat waterstof cruciaal is in de energietransitie. Omdat het tegenvalt om CO2-vrije waterstof te maken, moeten we er zuinig mee zijn.

Speciaal voor praatjes op een beurs, in de kroeg of bij de koffieautomaat, drie triggers om ‘Waterstofbingo!’ te roepen:

  1. Iemand draagt waterstof aan om iets anders vóóral niet te doen.
  2. Iemand claimt dat groene waterstof binnen afzienbare tijd even goedkoop is als aardgas.
  3. Iemand noemt waterstof een uitkomst voor overschotten wind en zonne-energie.

Hieronder in ruim 3.000 woorden de info en argumenten om dergelijk ongegrond en storend ‘optimisme’ in perspectief te zetten. Dit stuk is een vervolg en aanvulling op mijn artikel11 misverstanden over wondermiddel waterstof‘.


1.Waterstof haalt als seizoensopslag de kerst niet

Wie over de energietransitie denkt, denkt al snel aan wind en zon. In het stralende toekomstbeeld wekken we als Nederland al onze energie zelf duurzaam op, met windturbines en zonnepanelen. Reëel of niet, dat beeld houden we voor nu even vast. Als we dan alléén naar het elektriciteitsverbruik kijken en alleen van wind en zon gebruikmaken, kun je de opwek bijvoorbeeld verdelen in twee derde wind en een derde zon. Nederlandse bedrijven, huishoudens en overheden verbruiken samen jaarlijks zo’n ±120 miljard kilowattuur (kWh) elektriciteit. Bij de gekozen verhouding leveren windturbines daarvan ±78 miljard kWh en zonnepanelen de overige ±42 miljard kWh. Figuur 1 geeft weer hoe dat er op maandbasis grofweg uitziet.

Figuur 1. Impressie van een ‘elektriciteitsneutraal’ Nederland. 100 procent van het elektriciteitsgebruik op jaarbasis geproduceerd met wind en zon.

Als we volledig vertrouwen op wind en zon, maken we onszelf volledig afhankelijk van de weersomstandigheden. Zoals vast al gegokt, piekt zonne-energie duidelijk in de zomer. Windturbines presteren constanter, met juist een dipje in de zomer. Bij elkaar opgeteld schieten wind en zon in de wintermaanden te kort en is er in de zomer een overschot.

Kijkend naar Figuur 1 ontstaat de wens het zomerse overschot te benutten om het tekort in de winter aan te vullen. Seizoensopslag is bij het Klimaatakkoord dan ook een belangrijk thema. Waterstof gooit hoge ogen om die rol in te vullen.

‘Energieverlies maakt bij overtollige energie niet uit’

Dat bij de omzetting van (overschotten) elektriciteit naar waterstof en weer terug veel van de energie verloren gaat, zien de waterstofoptimisten nauwelijks als probleem. ‘Het gaat om energie die anders sowieso verloren was gegaan. Wees blij dat een deel wél nuttig gebruikt wordt.’

Energieverliezen hebben echter wel degelijk grote consequenties voor de haalbaarheid van seizoensopslag. Om alle tekorten te kunnen aanvullen met waterstof (geproduceerd uit overschotten), moeten de overschotten minimaal tweeënhalf keer zo groot zijn als de tekorten. Alleen al daarom gaat de vlieger van de ‘goedkope overschotten’ in de puurste zin niet op. Om het minimale overschot voor seizoensopslag te produceren, zijn per definitie extra windmolens en zonnepanelen nodig.


Zomers overschot gaat vrijwel altijd nog dezelfde nacht weer op

De overschotten en tekorten in Figuur 1 tonen wat dat betreft helaas niet de volle ernst van de zaak. De productie en het verbruik van elektriciteit moeten niet alleen op maandbasis maar ook elke seconde in balans zijn. Figuur 2 zoomt daarom in op een mooie zonnige week in de zomer, met gemiddeld over de week een flink overschot aan wind- en zonnestroom.

Figuur 2. In hartje zomer bestaan er grote overschotten maar ook tekorten.

De overschotten wind- en zonnestroom zijn deze week elke middag aanzienlijk. Toch leveren zonnepanelen ook op een heldere zomernacht – als de zon eenmaal onder is – precies niets. Als dan ook de wind het laat afweten, ontstaan ook midden in de zomer serieuze tekorten. En hier hakt het energieverlies van waterstofopslag er direct hard in: Hoewel absoluut substantieel zijn de overschotten in de middag lang niet altijd tweeënhalf keer zo groot als de nachtelijke tekorten.

Figuur 3. Rendement Power to Gas (±75%) vermenigvuldigd met rendement Gas to Power (±55%) geeft een totaalrendement van slechts ±40%.

Geen goedkope overschotten maar dure overcapaciteit

De waterstof die je op een gemiddelde zomermiddag maakt, gaat in de praktijk kortom nog dezelfde avond weer op. De zomerse waterstofproductie die als seizoensopslag tekorten van november tot maart had moeten aanvullen, haalt door het matige rendement het eind van de zomer niet.

Als je waterstof als seizoensopslag wil gebruiken, lukt dat dus bij lange na niet met ‘goedkope overschotten’. Om in de zomer genoeg waterstof te maken voor de hele winter is serieuze overcapaciteit aan windturbines en zonnepanelen nodig.

Om de benodigde overcapaciteit te bepalen, doorlopen we ook de andere 51 weken van het jaar op de schaal van Figuur 2. Dan blijkt dat alle losse uurtjes met tekorten bij elkaar optellen tot een tekort van ±45 miljard kWh. Voor ruim een derde van het jaarverbruik schieten wind en zon tekort en doen we graag een beroep op de waterstofopslag.

Daarvoor is dankzij de conversieverliezen van waterstof (60% verlies heen en terug naar elektriciteit, figuur 3) gedurende het jaar (2,5 x 45 =) ±110 miljard kWh aan ‘overschotten’ nodig. Bij energieneutraliteit staat tegenover elke kWh tekort één kWh overschot. ±45 miljard kWh overschot hebben we dus al te pakken. Voor de resterende ±65 miljard kWh bouwen we extra windturbines en zonnepanelen bij, totdat de jaarlijkse opwek optelt tot (120 + 65=) ±185 miljard kWh.

En dan gebeurt er iets opvallends: Er blijft aan het eind van het jaar waterstof over…


Waterstof als back-up voor wind en zon lost deels zijn eigen probleem op

De oorzaak blijkt uit Figuur 4. Deze grafiek toont dezelfde zomerweek als Figuur 2 maar nu met de extra opwek. De 60% grotere wind- en zon-opbrengst resulteert niet alleen in grotere overschotten maar ook in kleinere tekorten.

Figuur 4. Meer wind en zon betekent meer overschot maar ook minder tekort.

Dat zie je goed als je de maandagnacht in Figuur 2 en 4 vergelijkt. Waar in de originele situatie nog een tekort bestond, is de grafiek onder de zwarte verbruikslijn in Figuur 4 nu geheel ingekleurd. In de andere nachten blijft een tekort bestaan maar dat is steeds kleiner dan in Figuur 2. Het beetje wind dat toch elke nacht beschikbaar is, levert nu tenslotte zo’n 60% meer op.

Ook in de andere 51 weken van het jaar vullen de extra windturbines en zonnepanelen een deel van de tekorten uit de eerdere situatie direct in. Om het hele jaar door te komen met wind, zon en waterstof, blijkt opwekken van 145% (in plaats van 160%) van de totale elektriciteitsgebruik voldoende. De resulterende situatie op maandbasis is weergegeven in Figuur 5.

Figuur 5. Zelfvoorzienend qua elektriciteit met uitsluitend wind, zon en waterstof.

Dankzij de extra windturbines en zonnepanelen – die onmisbaar zijn om waterstof als seizoensopslag te kunnen gebruiken – is er van seizoensopslag eigenlijk geen sprake meer. Elke maand is er nu ruimschoots meer opwek dan verbruik.

Voor iedere zinvolle hoeveelheid waterstof is een kapitaal aan extra ‘wind en zon’ nodig. Het gaat dus niet om energie die anders sowieso verloren was gegaan. Het is dus wél zonde als slechts 40 procent nuttig gebruikt wordt. Dat is de eerste reden om plannen met waterstof als seizoensopslag uit ‘goedkope overschotten’ terug naar de tekentafel te sturen.


2.Geen fabriek is goed in stilzitten, een elektrolyser zeker niet

Hoewel de vlieger van seizoensopslag met waterstof uit pure overschotten duidelijk niet opgaat, is er wel degelijk seizoensopslag nodig. En als we waterstof niet als opslag gebruiken, is er in ieder geval waterstof nodig als grondstof voor de chemie en voor productie van staal en kunstmest. Die industrie moet tenslotte ook van zijn CO2-uitstoot af.

Verleidelijk om meer dan alleen het overschot te pakken

Als de prijs die de markt voor groene waterstof wil bieden maar hoog genoeg is, kan het uit om vele extra windturbines of zonnepanelen te bouwen, puur voor de waterstofproductie. Helaas wordt een kWh groene stroom alleen niet vanzelf een pufje waterstof.

Daar is een elektrolyser voor nodig, een elektrochemische installatie die water omzet in waterstof en zuurstof. Als het doel is om álle overschotten (die term houden we er toch maar even in) om te zetten, moet zo’n elektrolyser evenveel capaciteit hebben als er samen aan windturbines en zonnepanelen staat opgesteld, minus het minimale niveau van elektriciteitsverbruik. Figuur 6 geeft (geprojecteerd op Figuur 4) weer hoe dat er in de praktijk grofweg uitziet.

Figuur 6. Elektrolysecapaciteit waarbij geen kilowattuur verloren gaat.

Vanwege de grillige natuur van wind- en zonnestroom heeft deze elektrolyser een zeer grillig bestaan. Op alle momenten dat het vlak hierboven paars is (en niet een mengelmoes van windgroen of zongeel) draait de elektrolyser niet op zijn ontwerpcapaciteit. Zelfs in deze superzonnige week staat hij meestal stil. Slechts een uur of 3 van de 168 uren in een week benadert hij zijn maximale productiecapaciteit. Over de volle 52 weken van het jaar gemeten, draait deze waterstoffabriek op minder dan 15% van zijn capaciteit. Deze productiefactor van 15% betekent veel voor zijn businesscase want een elektrolyser koop je per eenheid vermogen, niet per geproduceerde kilo waterstof.

Bierviltje voor de kosten voor grootschalige waterstofproductie

Het elektriciteitssysteem zoals weergegeven in Figuur 4 heeft ongeveer 55 gigawatt (GW) aan zonnepanelen nodig (uitgaande van een capaciteitsfactor van 10%) en zo’n 30 GW aan windturbines (capaciteitsfactor 35%). Laten we aannemen dat Nederland afgerond altijd wel 10 GW elektriciteit gebruikt. Dan moet de elektrolyser een vermogen kunnen absorberen van (55+30-10=) 75 GW.

Elektrolysers zijn dure installaties. Per kilowatt vermogen betaal je vandaag ruim € 1.000,- maar ik durf de gok wel aan dat het medio deze eeuw ook voor € 400,- per kilowatt kan. Zeker als je 75 GW  (75.000.000 kW) in één keer bestelt. Dan kost de elektrolyser € 30 mrd.  Als we aannemen dat zo’n elektrolyser 10 jaar meegaat, zet hij voor hij afgeschreven is (15%*10 jaar*8760 uur*75 GW=) 985 miljard kilowattuur overschotstroom om in waterstof. Dat is 3 ct/kWh per kilowattuur omgezette stroom. Zelfs bij deze vrij optimistische prijs voor de elektrolyser is de geproduceerde waterstof daarmee (puur door de afschrijving van de installatie) al duurder dan aardgas (kostprijs exclusief belastingen).

Uit het bierviltje hierboven blijkt dat omzetten van alle overschotten (puur voor de kosten van de elektrolyser) voorlopig minimaal 3ct per opgewekte kilowattuur (kWh) kost. En dan komt de economische aap uit de mouw: Als de productie van de elektrolyser verdubbeld (dus een productiefactor van 30% ipv 15%) halveert de afschrijving per omgezette kWh. Als de exploitant van de elektrolyser in staat is om – naast de ‘gratis overschotten’ – evenveel extra elektriciteit in te kopen voor 3 ct/kWh of minder dan verdubbeld zijn productie terwijl de productiekosten precies gelijk blijven. De gemiddelde groothandelsprijs voor elektriciteit lag de laatste jaren gevaarlijk dicht rond de 3 ct/kWh. Het was de waterstoffabriek zeker gelukt om zijn productie te verdubbelen met elektriciteit waar in de markt ook zonder de elektrolyser behoefte aan was.

De exploitant van een waterstoffabriek zal zich nooit kunnen inhouden om méér dan alleen de gratis overschotten te verbruiken. De waterstofproductie zal concurreren met andere elektriciteitsgebruikers. Bovenop de extra windmolens en zonnepanelen die nodig zijn om de energieverliezen van waterstof te compenseren zijn er nog meer extra molens en panelen nodig om de energiehonger van economische elektrolyse te stillen.


3.Elektrolyse zal lang niet alle overschotten gebruiken

Het klinkt misschien tegenstrijdig met het punt hierboven maar het onderliggende economische principe is precies hetzelfde. Het komt relatief weinig voor dat alle zonnepanelen én alle windturbines tegelijkertijd op maximaal vermogen draaien. Het komt nog minder voor dat zo’n moment ook nog samenvalt met een lome vakantiezondag waarop we bijzonder weinig stroom verbruiken. Als we het vermogen van de elektrolyser hierboven halveren produceert hij (als alleen omzetten van overschotten toegestaan is) slechts zo’n 2% minder waterstof. En stijgt de productiefactor tot bijna 25%.

In de economische praktijk van kosten, baten en risico’s zit het er dik in dat een exploitant van waterstoffabrieken een nog veel hogere benutting van zijn installatie eist. Ik ga uit van een productiefactor van 50% als ondergrens. Dan is de elektrolyser gegeven dezelfde overschotten niet 75 GW maar slechts zo’n 4 GW (!) groot.

Figuur 7. Kleine maar winstgevende elektrolyser

De resulterende situatie is weergegeven in Figuur 7. De nu 95% procent kleinere fabriek zet dan nog steeds ruim 20% van het jaarlijkse overschot om, maar dus ook bijna 80% niet. En ook zo’n veel kleinere elektrolyser heeft er baat bij om productie te draaien op elektriciteit die niet als overschot te kwalificeren is, zie punt 2.

Een productiefactor van 50% is geen irreële eis voor een exploitant van een dure fabriek die een goede boterham wil verdienen. Als exploitanten deze productiefactor inderdaad als ondergrens stellen – en we nog steeds waterstof willen inzetten als seizoensopslag – dan moet de opwek uit wind en zon op jaarbasis op een haar na drie keer zo groot zijn als het verbruik, zie Figuur 8. Dat betekent dat we zelfs in de maanden dat de opwek het kleinst is meer energie weggooien dan dat we verbruiken. ‘Seizoensopslag’ is in dit scenario een volslagen onzinnige term.

Figuur 8. Productie wind en zon bij een aantrekkelijke productiefactor voor elektrolyse én waterstof als enige optie voor energieopslag

In de praktijk zal een elektrolyser niet alleen elektriciteit van de markt wegsnoepen die niet als overschot te kwalificeren is (zie punt 2) maar juist ook heel veel daadwerkelijke stroomoverschotten aan zich voorbij laten gaan. Dat betekent automatisch dat er nog meer windturbines en zonnepanelen nodig zijn om het systeem draaiende te houden. 


4.Overschotkapers op de kust, want we zijn gekke Henkie niet

Als we kijken naar lampen, ovens, televisies, computers, waterkokers en tosti-ijzers dan is ons elektriciteitsverbruik niet zo flexibel. Als we dergelijk gebruik willen dekken met wind en zonnestroom dan ontstaan er inherent overschotten en tekorten. Maar lang niet al het verbruik is star. Een koelkast springt een paar keer per dag aan om op temperatuur te blijven. Als de koelkast wat extra koelt rond het middaguur komt hij de rest van de middag door zonder extra te koelen. Hetzelfde geldt voor een ingeplugde laptop. Laad’m vol tijdens een overschot en je kunt 3 tot 10 uur doorwerken zonder bij te laden.

Vraagsturing thuis is vandaag nog echt iets voor de hobbyist

Wie nog meer met de wind en de zon wil meebewegen, kan de wasmachine en oven zo programmeren dat ze hun werk doen als de stroom het goedkoopst is. En de echte purist pakt alleen de stofzuiger, het strijkijzer of de zonnebank als het stormt.

De energievraag aanpassen op het energieaanbod, ook wel vraagsturing of smart grid, is op de schaal van de wasmachine en de laptop thuis klein bier. Op de schaal van de aluminiumproductie, in grote koelhuizen, in de chemie en bij waterschappen is echter vandaag al veel flexibiliteit te vinden. Dat gaat om grote vermogens en deze spelers zijn al gewend om in te spelen op de actuele stroomprijs. Het levert ook in de huidige elektriciteitsmix, met nog vooral steenkool en aardgas, goed geld op.

Hoe meer windmolens en zonnepanelen het werk van kolen en gascentrales overnemen, hoe meer ondernemers zullen beseffen dat hun energieverbruik flexibel is. Wie nu nog volcontinu produceert, schroeft de productie graag even een uurtje terug als de stroomprijzen echt hoog zijn. Wie nu de fabriek een paar weken stillegt voor groot onderhoud in de zomer, zal dat onderhoudsmoment graag naar de winter verplaatsen.

En dan hebben we het alleen nog maar over bestaande flexibiliteit. Als wind en zon in 2030 de primaire bronnen in de elektriciteitsproductie zijn, zal iedereen die dat kan zijn energieverbruik daar op aanpassen. Als er in 2030 in de helft van de keukens een Quooker zit, springen deze boilers vooral aan als de stroom goedkoop is. Als er in 2035 3 miljoen elektrische auto’s rondrijden (die 1 à 2 keer per week moeten laden) laden die vooral als de stroom goedkoop is. Als er in 2040 tientallen warmtenetten geëlektrificeerd zijn, bufferen die vooral warmte als het hard waait en/of de zon flink schijnt.

Een waterstoffabriek is maar een van de vele spelers op de elektriciteitsmarkt die flexibiliteit inzetten om in te spelen op de elektriciteitsmarkt. En juist omdat de meeste van deze flexibele energieverbruikers net iets minder flexibel zijn dan waterstofproductie, zullen ze net iets meer willen betalen voor elektriciteit die we in de huidige markt als ‘overschot’ kwalificeren: Een elektrische boiler kan best een paar uurtjes wachten met verwarmen maar morgenochtend moet de douche wel weer warm zijn. Een elektrische auto kan best een paar dagen wachten met laden maar leeg is toch echt leeg.

Een elektrolyser heeft nooit acuut elektriciteit nodig. Een elektrolyser kan altijd wachten. Een elektrolyser sluit, op puur economische gronden, achteraan in de rij voor overschotten. De consequentie daarvan is grofjes weergegeven in Figuur 8.

Figuur 8. Waterstofproductie in concurrentie met andere flexibele energiegebruikers.

Het gevolg van deze concurrentie om de goedkoopste kilowatturen is dat ook een veel kleinere elektrolyser toch niet zijn gewenste productie kan halen. Als de exploitant van de elektrolyser uit punt 3 blijft bij zijn eis (een productiefactor van minimaal 50%) dan zal deze elektrolyser nu niet 75 GW, niet 4 GW maar misschien nog slechts 1 GW groot zijn.

Waterstofproductie is het toppunt van flexibiliteit maar een elektrolyser is zeker niet het enige apparaat dat profiteert van overschotten elektriciteit. Een elektrolyser die het puur van goedkope overschotten moet hebben, doet alleen aanspraak op de echte restjes elektriciteit. Restjes die echt niemand anders wil hebben.


5.Economische dempers op de overschotten van wind en zon

Van punt 1 tot en met 4 deden we net alsof de duurzame energievoorziening van de toekomst alleen draait op windturbines en zonnepanelen. Dat moet maar eens afgelopen zijn. Het is onzin.

Volledig over op wind en zon is volledig achterlijk

Overschotten wind- en zonnestroom bestaan bij de gratie van windparken en zonneweides die gemiddeld geld opleveren. Wie tientallen procenten van zijn jaarproductie gratis weggeeft, is welhaast bij definitie chronisch afhankelijk van subsidie. Of in een oogwenk failliet.

Zelfs in het meest bescheiden scenario van Figuur 1 is er voor ruim 35% van de jaarproductie van de geïnstalleerde windmolens en zonnepanelen geen (betalende) afnemer. Daarmee is zelfs dit meest bescheiden scenario een economische fictie. Windmolens en zonnepanelen worden per stuk geplaatst. Als iemand in 2027 merkt dat hij met een windpark dat in 2026 in gebruik kwam geen cent is verdient, bouwt hij in 2028 niet nog een windpark. En zijn concurrent ook niet.

Als het elektriciteitsverbruik blijft zoals het nu is, is de kans klein dat wind en zon samen meer dan 60% van de jaarproductie zullen leveren. Als de bestaande flexibele verbruikers gaan meehandelen op de elektriciteitsmarkt en er veel warmtepompen, elektrische boilers en stekkerauto’s bijkomen groeit het marktaandeel van wind en zon samen misschien tot 75% in 2040 of zelfs tot 90% in 2050. Maar 100% wordt het nooit.

En dat hoeft ook niet. Windturbines en zonnepanelen zijn goed betaalbaar, vrijwel overal toepasbaar en daarom inderdaad de hoofdrolspelers van de transitie. Maar vlak de bijrollen van bijvoorbeeld waterkracht, aardwarmte, biomassa en kernenergie niet uit. Die bijrollen zijn beeldbepalend. Elke procent elektriciteitsverbruik die niet door weersafhankelijke windturbines of zonnepanelen maar door duurzame regelbare alternatieven wordt geproduceerd, verkleint de behoefte aan opslag. En verkleint navenant de hoeveelheid overtollige kilowatturen die we zouden kunnen omzetten in waterstof.


Conclusie: Mooier kan ik het niet maken

Dat niemand bij zijn volle verstand waterstof zal produceren uit uitsluitend elektriciteit waarvoor niemand wil betalen, betekent niet dat het concept ‘groene waterstof’ kansloos is. Gelukkig maar. De energietransitie is zonder CO2-vrije waterstof tenslotte wel zo goed als kansloos. Alleen daarom zal CO2-vrije waterstof er zeker komen.

De consequentie van de hierboven beschreven marktdynamiek is slechts dat er voor het elektriciteitsverbruik van waterstofproducenten fatsoenlijk betaald moet worden. De consequentie daarvan is dat waterstof de komende decennia nog niet in overvloed beschikbaar zal zijn, en dat groene waterstof waarschijnlijk nooit echt spotgoedkoop zal zijn. Dat is misschien doorslaggevend voor de plannen die je nu met waterstof hebt/had. Doe er je voordeel mee.

Wie groene waterstof wil produceren, is voor de elektriciteitsmarkt geen barmhartige samaritaan die zich ontfermt over waardeloze overschotten. De waterstofproducent zal net als iedereen moeten betalen voor zijn verbruik. Het populaire idee van grootschalige waterstofproductie uit gratis stroom is daadwerkelijk kansloos. Mooier kan ik het niet maken.

ImagecreditLeticia Bertin, via Flickr Creative Commons

Dit vind je misschien ook leuk...