Duurzame en fossiele waterstof in alle kleuren van de regenboog
Waterstof komt niet als aardgas of olie uit de grond. Het groeit ook niet als biomassa aan een boom. Wie waterstof wil gebruiken, moet waterstof (laten) maken. Dat kan duurzaam en op vele manieren. Een overzicht.
Waterstof is een cruciale grondstof en energiedrager. Dat was waterstof altijd al maar in het licht van klimaatbeleid neemt het belang sterk toe. Het is van groot belang dat we veel waterstof gaan maken zonder CO2-uitstoot.
Wie al wat bekender is met waterstof, kent de waterstofkleuren grijs, blauw en groen. Ik verzon daar nog twaalf schakeringen bij. De strepen van het zebrapad staan symbool voor diversiteit. In dit geval de diversiteit aan opties om waterstof te produceren. In dit stuk een introductie in deze diversiteit, een beschouwing van de potentie van verschillende opties en een gok op welke termijn welke optie relevant is voor klimaatbeleid. Tot slot enkele vooruitblikkende conclusies.
Hoofdgroep 1. Waterstof gemaakt uit fossiele brandstoffen of biomassa
De eerste hoofdgroep is de productie van waterstof uit gangbare energiedragers, zoals aardgas, olie of hout. De energie benodigd voor dit proces komt uit de uitgangsstof, die door een chemische reactie uiteenvalt in waterstof en restproducten.
In een reactie van aardgas met stoom ontstaat bij hoge temperaturen (700 – 1100 °C) waterstof en CO2. De CO2 wordt direct afgescheiden en afgeblazen naar de atmosfeer. Van de originele energie in het aardgas blijft door het verlies aan warmte en het scheidingsproces van waterstof en CO2 zo’n 75% behouden. Net als aardgas zijn ook olie, steenkool en bruinkool met stoom of zuurstof te verwerken tot waterstof. Omdat de verhouding waterstof en koolstof in steenkool en olie minder gunstig is dan bij aardgas komt daarbij (voor dezelfde hoeveelheid waterstof) veel meer CO2 vrij.
Potentie: Producenten van kunstmest, benzine, plastics, glas, metalen en margarine over de hele wereld zijn grootverbruikers van waterstof. Die zijn vandaag praktisch allemaal afhankelijk van steam methane reforming.
Tijdslijn: De productie van grijze waterstof is vandaag enorm en moet naar nul om klimaatverandering te remmen.
Naast fossiele brandstoffen als aardgas en steenkool zijn ook biogas en houtpellets geschikt om waterstof mee te produceren. Zolang deze productie niet sneller gaat dan de biomassa kan groeien, is bruine waterstof CO2-neutraal.
Potentie: Aan deze vorm van waterstof kleven alle nadelen die aan andere toepassingen van biomassa kleven. Beschikbaarheid van duurzame biomassa begrenst zo de potentie van bruine waterstof.
Tijdslijn: Gezuiverd biogas (groen gas) heeft dezelfde samenstelling als aardgas en kan dan ook direct in de fabrieken voor grijze waterstof worden toegevoerd. Bruine waterstof is daarmee de snelste bron van CO2-neutrale waterstof. Met garanties van oorsprong voor biogas kan dit morgen al.
Blauwe waterstof wordt net als grijze waterstof gemaakt uit aardgas, steenkool of aardolie. Op het punt in de productie waar producenten van grijze waterstof de afgescheiden CO2 de lucht in blazen, transporteert de producent van blauwe waterstof de CO2 naar een opslagfaciliteit, bijvoorbeeld een leeg gasveld.
Potentie: Alle producenten van grijze waterstof scheiden de CO2 al af. Deze geconcentreerde stroom CO2 is goed geschikt voor opslag, zeker als de transportafstand tussen waterstoffabriek en opslagfaciliteit niet te groot is. Dat is daarmee een aandachtspunt voor nieuwe waterstoffabrieken. Ook raakt elk lege gasveld uiteindelijk toch weer vol. CO2-opslag kan niet oneindig doorgaan.
Tijdslijn: CO2-afvang en -opslag is technisch voldoende uitontwikkeld en toepasbaar bij veel bestaande waterstoffabrieken. Als overheden dit jaar met steun over de brug komen, zijn de eerste blauwe waterstofprojecten vermoedelijk rond 2025 operationeel. Dat betreft dan echter puur de ombouw van bestaande fabrieken, die dan ook slechts aan bestaande vraag voldoen. Nieuwbouw van extra waterstoffabrieken zal vermoedelijk iets meer tijd vergen, ook al is CO2-opslag vanaf het ontwerpfase inbegrepen.
Bij de productie van waterstof uit aardgas en stoom komt CO2 vrij. Het is ook mogelijk om aardgas of biogas (methaan, CH4) direct te ‘kraken’ in waterstof en vaste koolstof. Deze vaste koolstof is veel makkelijker te vervoeren en op te slaan dan gasvormig CO2. Ook is de vaste koolstof te verkopen als grafiet. Rusland lijkt stevig in te zetten op deze vorm van waterstofproductie (bedankt @MargrietKuiper!).
Potentie: Ruwweg even groot als de potentie voor grijze waterstof.
Tijdslijn: Op pilotschaal bewezen maar het is gissen tegen welke problemen producenten oplopen bij het opschalen en concurrerend maken van dit proces. Verwacht geen grootschalige toepassing voor 2030.
Potentie: Uitgaande van kraken even groot als de potentie voor bruine waterstof. Uitgaande van CO2-opslag telt de beschikbaarheid van lege gasvelden als extra beperkende factor.
Tijdslijn: Als overheden dit jaar met steun over de brug komen, zijn de eerste blauwe en dus ook de eerst gouden waterstofprojecten vermoedelijk rond 2025 operationeel.
Hoofdgroep 2. Waterstof gemaakt uit water met behulp van elektriciteit
In de tweede hoofdgroep is water de uitgangsstof. Door elektriciteit door dit water te jagen (elektrolyse) valt het water uiteen in waterstof en zuurstof. Bij de productie zelf komt daarmee geen CO2 maar onschadelijk zuurstof vrij.
Groene waterstof uit overschotten lijkt dé hoop in bange dagen voor de energietransitie. Overtollige elektriciteit uit windmolens en zonnepanelen sla je op in de vorm van waterstof, voor de momenten dat het niet waait en donker is.
Potentie: Nihil. Waterstofproductie uit overschotten is in theorie een mooie droom maar in de praktijk een economische nachtmerrie. In deze longread leg ik uit waarom:“Waterstof uit waardeloze groene stroom is een waardeloos idee.”
Tijdslijn: Op kleine schaal is waterstofproductie uit overschotten redelijk snel mogelijk. De technologie is er en de subsidie als we even niet opletten ook. Het zal echter nooit schalen.
Ook wanneer elektrolysers niet op overschotten groene elektriciteit draaien, heet de waterstof groen. Terecht, er is geen CO2 bij vrij gekomen. Naast de variabele stroom uit windturbines en zonnepanelen gooien ook waterkracht, geothermie en zonnekrachtcentrales hoge ogen om groene waterstof te maken. Deze laatste bronnen kennen we niet in Nederland maar waterstof is per buis of per schip goed te transporteren.
Potentie: Oneindig. Er is geen gebrek aan duurzame energie, noch aan materialen om energie om te zetten in waterstof.
Tijdslijn: Vooralsnog is er praktisch geen land dat structureel meer duurzame elektriciteit produceert dan het verbruikt. De meeste grote elektriciteitsmarkten draaien nog voor zeker de helft op steenkool en gas. Nieuwe windparken, zonneweides of waterkrachtcentrales realiseren de komende decennia daarom meer CO2-reductie door hun elektriciteit aan elektriciteitsverbruikers leveren dan aan een waterstoffabriek. Verwacht voor 2035 nergens productie van groene waterstof op een schaal die in de buurt komt van de huidige productie van grijze waterstof.
Als het om duurzaamheid gaat, speelt vaak ook de wens op zelfvoorzienend te zijn. Het oranje label maakt onderscheid tussen groene waterstof geproduceerd in Nederland en geïmporteerde waterstof.
Potentie: Beperkt. Alleen offshore windparken lenen zich qua productiefactor voor waterstofproductie. Om het huidige (grijze) waterstofverbruik van de Nederlandse industrie te vergroenen is meer offshore windcapaciteit nodig dan de 11,5 gigawatt die voor 2030 gepland staat. Voor alle nieuwe plannen met waterstof is nog meer capaciteit nodig. Nederland is zeer energie-intensief en compact. Zelfvoorzienend zijn door grootschalige inzet op waterstof is in Nederland – ook gegeven oneindig budget en tijd – geen reëel doel.
Tijdslijn: Alle windturbines en zonneparken die voor Nederland gepland zijn in het Klimaatakkoord zijn hard nodig om de CO2-uitstoot van kolencentrales en gasturbines uit de markt te halen. Verwacht, ook omdat het elektriciteitsverbruik waarschijnlijk nog stijgt, voor 2035 geen ‘Oranje waterstof’ op enige relevante schaal.
Naast wind, zon, waterkracht en bodemenergie is ook kernenergie een bron van CO2-neutrale elektriciteit. Voor het klimaat is kernenergie top. Dat geldt dus ook voor waterstof uit kernenergie. Er zullen ongetwijfeld lezers zijn die kernenergie desondanks niet zo’n goed idee vinden. Daarom een apart kleurtje.
Potentie: Groot. Kerncentrales zijn door hun stabiele levering veel geschikter voor de productie van waterstof dan variabele wind- en zonnestroom.
Tijdslijn: Net als andere bronnen zonder CO2-uitstoot hebben we bestaande en nieuwgebouwde kerncentrales voorlopig hard nodig om elektriciteit zelf CO2 vrij te maken. Bouwen van extra kerncentrales duurt al snel 10 tot 15 jaar. Verwacht voor 2035 geen grootschalige waterstofproductie uit nieuwe kerncentrales. Kanttekening daarbij is dat bestaande kerncentrales het in veel elektriciteitsmarkten momenteel zwaar hebben. Reddingspogingen met een specifieke opdracht tot waterstofproductie zou de productie van paarse waterstof iets versnellen, zij het op beperkte schaal.
De roep om in Nederland geproduceerde waterstof is groot. Er is een gerede kans dat er eerder gigawatts aan elektrolysers staan dan dat er windparken draaien om deze waterstoffabrieken van energie te voorzien. Waterstofproductie op fossiele stroom ligt dan op de loer. De systeemrendementen daarvan zijn dramatisch en de CO2-uitstoot is een veelvoud groter dan die van grijze waterstof uit steam reformers.
Potentie: Beangstigend. Waterstof maken met kolenstroom is vanuit klimaatoogpunt volslagen idioot.
Tijdslijn: Het is niet ondenkbaar dat de waterstofeconomie in eerste aanzet draait op pikzwarte waterstof.
Restgroep. Overige routes voor waterstofproductie
Naast chemische omzetting van brandstoffen en elektrolyse zijn ook deze productiemethodes een vermelding waard.
Boven de 2.500 °C splitst water vanzelf in waterstof en zuurstof. Met behulp van katalysatoren of via thermochemie kan deze temperatuur omlaag tot tot onder de 1.000 °C. Daarmee is thermolyse met concentrated solar power of in een kernreactor direct mogelijk.
Potentie: Groot, in dezelfde orde als elektrolyse.
Tijdslijn: Lastig in te schatten of deze route economisch kans maakt tegen elektrolyse
De thermisch en elektrisch gedreven splitsing van water versterken elkaar. Bij hoge temperaturen is er minder elektriciteit nodig om waterstof te produceren. Dit maakt vooral de combinatie van kernenergie en waterstofproductie erg interessant, daar ruwweg de helft van de energie van een kerncentrale normaliter verloren gaat als restwarmte. Ook zonnewarmte, geothermie en andere warmtebronnen in combinatie met elektrolyse gooien hoge ogen.
Potentie: Groot. Wel moet de fabriek op temperatuur blijven. Koppeling met wind en zon ligt daarmee niet voor de hand.
Tijdslijn: Hogetemperatuur en stoomelektrolyse lopen in ontwikkeling licht achter op lagetemperatuur elektrolyse.
In plaats van een zonnepaneel en een elektrolyser te koppelen is het ook mogelijk om met een foto-actieve katalysator direct waterstof uit zonlicht te produceren. In Nederland wordt hier onder andere door Differ aan gewerkt.
Potentie: Lastig in te schatten.
Tijdslijn: Al jaren een belofte maar de achterstand in ontwikkeling op losse elektriciteitsopwekking en elektrolyse is groot en groeit.
Er zijn algen, bacteriën en enzymen die waterstof produceren, bijvoorbeeld op basis van afvalwarmte of zonlicht. Met behulp van selectie of genetische modificatie is de opbrengst van deze organismen mogelijk te verhogen.
Potentie: Lastig in te schatten.
Tijdslijn: In ieder geval niets op grote schaal op middellange termijn.
Bij de productie van bijvoorbeeld chloorgas uit keukenzout en water komt waterstof als bijproduct vrij. Ook bij de productie van staal uit steenkool en ijzererts en bij verschillende chemische processen is waterstof een restproduct. Productie van deze reststroom kent CO2-uitstoot maar die uitstoot is er ook als we de waterstof niet gebruiken.
Potentie: Beperkt. De markt voor waterstof is ordes groter dan de waterstof die vrijkomt als reststroom.
Tijdslijn: Deze reststromen zijn voorhanden. Afvangen en zuiveren is echter niet zonder meer economisch zinvol.
Gekleurde balkjes in een zee van grijs
In het debat rond klimaat en energie staat duurzame waterstof centraal. Er zijn talloze opties om waterstof te produceren maar we moeten ook erkennen waar we nu staan. CO2-vrije waterstof is er nog nauwelijks. Alle routes moeten we dus bewandelen. Het zebrapad hierboven staat dan ook niet alleen symbool voor mooie diversiteit aan opties. De strepen tonen ook de verhouding tussen de huidige productie van duurzame en fossiele waterstof. Een beetje kleur in een zee van grijs.
Het is allereerst zaak deze verhouding om te draaien. Grijze waterstof moet de markt uit. Zo snel als mogelijk. Alle waterstof die vandaag al gebruikt wordt moet zo snel mogelijk duurzaam zijn. Het is mijn inschatting dat alleen dat wereldwijd tot zeker 2035 zal duren.
Pas over grofweg 15 jaar komen we dan toe aan productie van ‘extra’ duurzame waterstof, voor markten die vandaag nog niet geen waterstof consumeren. En ook dan zal het niet hard gaan. Daarvoor zijn nieuwe steamreformers met CO2-opslag nodig, of kerncentrales, windparken of stuwmeren en elektrolysers. Stuk voor stuk enorme projecten, die enorm veel tijd kosten.
Duurzame waterstof voor mensen met haast
De snelste route om vandaag serieuze volumes duurzame waterstof te produceren is niet CO2-opslag en ook niet elektrolyse van overschotten. Wie vandaag hard wil kunnen maken dat hij het klimaat helpt met waterstof moet groengascertificaten kopen. In een volume gelijk aan zijn waterstofverbruik, plus het energieverlies in een grijze waterstoffabriek. Wie gaat voor elektrolysewaterstof en het klimaat hoog in het vaandel heeft moet de elektrolyser uitzetten als het niet stormt. Continue elektrolyse vergroenen met groenstroom certificaten resulteert in de praktijk in pikzwarte waterstof. Niet doen.
Reken op een OPEC voor waterstof
Voor wie wel 15 jaar geduld kan opbrengen, staat de volgende tegenvaller klaar. Reken je vooral niet rijk met een lage kostprijs voor stroom en/of elektrolyse. Ook al zou de kostprijs van waterstofproductie op termijn kelderen, bijvoorbeeld omdat Frankrijk vol inzet op waterstof uit kernenergie, Saudi-Arabië op zonnekracht of Rusland op blauwe waterstof. Ook al zouden enkele landen meer waterstof produceren dan ze zelf op kunnen krijgen.
Alle waterstof die bedrijven of landen kunnen missen, gaat de wereldmarkt op. Schaarste is op die wereldmarkt een zekerheid. Net zoals nu voor olie is ook voor waterstof straks de marktprijs bepalend. De kans is bovendien groot dat er een Organization of Hydrogen Exporting Countries opstaat om de marktprijs in haar voordeel te beïnvloeden, zoals de OPEC nu. Een lage productieprijs is prachtig voor de producent maar betekent vrijwel niets voor de waterstofconsument.
Imagecredit: Tayla Kohler, via Unsplash Public Domain
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.
#Paars. Kerncentrales kunnen natuurlijk ook direct warmte leveren aan industrie of warmtenet.
Ik weet niet ofdat een kerncentrale vanwege de veiligheid in een cyclus met 1000 graden mag werken zodat thermoelektrolyse wel of niet mogelijk wordt. De kweekreactor in Kalkar zou natrium gekoeld worden en dat was dan ook een reden dat dit project werd stil gezet. Vloeibaar natrium is namelijk erg brandbaar. Elektrolysegas (knalgas) ook.
Voor het geval Turquoise waterstof slaat op waterstof direct geproduceerd door een zonnepaneel met water direct uit de lucht (universiteit van Gent, 2018). Dat paneel bestaat dan ook uit silicagel dat net als een adsorptieluchtontvochtiger (Woods WD80) waterdamp uit de lucht haalt en omzet in vloeibaar water. Het is dus niets anders dan een gewoon zonnepaneel dat (vloeibaar)water elektrolyseert.
Er is nog een andere methode om waterstof te maken. Vergelijkbaar met steam methane/oil reforming, alleen vindt alles onder de grond plaats. Dus de olie hoeft niet gewonnen te worden en de Co2 niet afgevoerd. De uitdaging is om uit het syngas alleen de waterstof naar boven te transporteren en de rest ondergronds te laten.
Hiermee kan men uitgeputte olie velden of olie velden met te veel water alsnog gebruiken.
Zie https://allesoverwaterstof.nl/zwarte-waterstof-schoon-waterstof-uit-bestaande-olievelden/