Waarom waterstof?
Wat maakt waterstof nou zo geschikt voor haar rol in een duurzame energievoorziening? Die vraag komt hieronder uitgebreid aan de orde. We leggen uit waarom we ook in de toekomst nog steeds ‘moleculen’ nodig hebben. En waarom het molecuul waterstof helpt om onze energievoorziening te verduurzamen en de betrouwbaarheid en de betaalbaarheid van ons energiesysteem veilig te stellen.
Waterstof, essentiële bouwsteen voor een duurzame energievoorziening
In onderstaande tekst zoomen we in op de verschillende rollen die CO₂-neutrale waterstof zou kunnen spelen. Hierbij richten we ons enerzijds op de toepasbaarheid van het molecuul waterstof om verschillende marktsegmenten te verduurzamen: de molecuulrol. En anderzijds op de systeemrol: de rol die waterstof kan spelen om het energiesysteem betaalbaar en betrouwbaar te houden.
De inzet van waterstof in marktsegmenten, de molecuulrol
Verderop in deze longread staat de toepassing van waterstof in de verschillende marksegmenten uitgebreid omschreven. Samengevat kan waterstof een rol spelen bij de verduurzaming van de volgende vier marktsegmenten. Het betreft hier het CO₂-vrij maken van segmenten waar elektrificatie niet mogelijk of zeer lastig is.
- Waterstof als grondstof De (petro)chemische industrie heeft moleculen nodig als grondstof voor haar processen. Deze producten zijn niet te maken met elektriciteit. Nu is waterstof uit olie of gas vaak de grondstof, maar die is relatief eenvoudig te vervangen door duurzame waterstof.
- Waterstof voor hoge temperaturen Sommige processen van de industrie zijn lastig of niet via elektrificatie te verduurzamen. Vooral waar die heel hoge temperaturen vraagt. Dat kan verschillende oorzaken hebben. Bijvoorbeeld omdat elektrificatie forse investeringen vereist, de techniek simpelweg nog niet beschikbaar is of de elektrische apparatuur de hoge temperaturen niet aankan. Met waterstof kunnen deze hoge temperaturen wél worden bereikt.
- Waterstof voor zwaar en langeafstandstransport Verschillende vormen van transport, zoals zwaar vrachtverkeer, commerciële scheepvaart of (grote) vliegtuigen kunnen technisch gezien niet geëlektrificeerd worden. Waterstof kan ook hier een rol spelen, direct of als grondstof voor synthetische brandstoffen
- Waterstof voor warmtevoorziening Volledige elektrificatie van de warmtevraag in de gebouwde omgeving vereist een delicaat samenspel van forse isolatie, efficiency van de warmtesystemen en netwerkcapaciteit. Gebruik van moleculen beperkt de transportkosten en garandeert voldoende warmtelevering en vereenvoudigt daarmee verduurzaming van de gebouwde omgeving. Hierbij kunnen we ook denken aan een combinatie van elektrische en gassystemen: de zogenoemde hybride systemen. Groen gas lijkt hiervoor het eerst aangewezen molecuul. Op langere termijn kan waterstof ingezet worden in combinatie met een HR-ketel of brandstofcel.
Het belang van moleculen
Momenteel wordt meer dan 80% van het Nederlandse energie-eindverbruik (industrie inclusief grondstoffen, gebouwde omgeving, mobiliteit en landbouw) ingevuld door gasvormige, vloeibare en vaste vormen van energie: moleculen. Die komen vooral uit aardgas, olie en kolen. Deze energievormen bevatten koolstof, die bij verbranding vrijkomt in de vorm van CO₂. Waarvan we nu juist de uitstoot willen elimineren.
Iets minder dan 20% wordt ingevuld met elektronen, beter bekend als elektriciteit. Voor ongeveer 15% wekken we onze elektriciteit in Nederland op met duurzame bronnen. Voor het overgrote deel (zo’n 85%) van de elektriciteitsproduktie zijn we momenteel dus nog steeds afhankelijk van aardgas- of kolengestookte elektriciteitscentrales.
De algemene verwachting is dat het aandeel van elektriciteit in het eindverbruik richting 2050 ongeveer zal verdubbelen tot zo’n 40% en we op deze wijze onze energievoorziening verder kunnen verduurzamen. We kunnen immers met bijvoorbeeld warmtepompen, elektrische auto’s en sommige industriële processen overschakelen van fossiele moleculen naar elektriciteit. Deze elektriciteit moet dan natuurlijk wel duurzaam zijn opgewekt. Met de stijgende elektriciteitsvraag zal parallel dus ook het aanbod van duurzame elektriciteit moeten stijgen.
De belangrijke conclusie is dat de resterende 60% van onze energievoorziening ook in 2050 energie in de vorm van moleculen nodig heeft. Omdat we streven naar een CO₂-neutrale energievoorziening zijn hiervoor duurzame moleculen nodig (of CO₂-afvang bij gebruik van fossiele energiebronnen). Geothermie, biomassa of CO₂-neutrale waterstof kunnen hierin voorzien.
Het molecuul waterstof
Verschillende duurzame moleculen gaan een rol spelen in onze duurzame energievoorziening. Elk heeft zijn voor- en nadelen. Zo zal warm water (restwarmte en geothermie) steeds vaker worden gebruikt om gebouwen te verwarmen. Veel restwarmte is afkomstig van aardgas- en kolengestookte elektriciteitscentrales waarvoor we geen toekomst meer zien in een duurzame energievoorziening. Geothermie biedt veel potentie, maar staat nog in de kinderschoenen. Daarnaast kan biomassa onder andere gebruikt worden in de chemische industrie als grondstof, bij verbrandingsprocessen, om er groen gas of waterstof van te maken en om er biobrandstoffen van te maken. Biomassa is echter schaars en moet daar worden ingezet waar geen alternatieven zijn.
CO₂-neutrale waterstof kent momenteel zeker ook nadelen. De kostprijs is bijvoorbeeld nog te hoog, het is nog maar beperkt beschikbaar en er ontbreekt een landelijke infrastructuur. Aan deze nadelen wordt druk gewerkt, zoals we uitleggen in andere delen van deze longread.
Kortom: onze duurzame energievoorziening zal bestaan uit allerlei vormen van energie. Het HyChain-rapport van ISPT beschrijft uitgebreid de potentiële rol van CO₂-neutrale waterstof in de verschillende marktsegmenten in vergelijking met de potentiële rol van geothermie en biomassa.
De inzet van waterstof ten behoeve van het energiesysteem; de systeemrol
Naast de rol die CO₂-neutrale waterstof speelt bij verduurzaming van bepaalde marktsegmenten, speelt waterstof ook een rol op momenten dat duurzame elektriciteit onvoldoende beschikbaar is. Dit betreft de systeemrol: de rol die een energiedrager kan vervullen om de betrouwbaarheid en de betaalbaarheid van het hele energiesysteem te waarborgen.
Vanuit maatschappelijk oogpunt kan waterstof deze belangrijke systeemrol vervullen. Waterstof maakt het namelijk mogelijk om het elektriciteitssysteem en een duurzaam gassysteem te koppelen. Dit koppelen van energiesystemen noemen we ook wel systeemintegratie. Het koppelen van de systemen biedt het grote voordeel dat de sterke elementen van het ene systeem, de zwakke elementen van het andere systeem kunnen opvangen.
Melk en kaas, elektriciteit en waterstof
De waterstofexpert van het Japanse Toyota, professor Katsuhiko Hirose, legt de waarde van waterstof uit aan de hand van de analogie met melk en kaas. Melk is de elektriciteit, waar je soms te veel van hebt. Als je van melk kaas maakt (kaas staat hierbij symbool voor waterstof), heb je een afgeleid product dat je langer kunt bewaren. Dit kan overigens ook een op zichzelf staande reden zijn om van melk, kaas te maken. Verspil je zo melk? Nee, je maakt er een nieuw product mee, dat niet meer concurreert met melk, maar met andere, waardevollere producten.
Dunkelflaute
Waterstof kan binnen de systeemrol op verschillende vlakken een belangrijke bijdrage leveren. In een film van Greenpeace wordt het belang van waterstof voor systeemintegratie duidelijk uitgelegd. Het geeft toelichting op verschillende onderwerpen die in onderstaande tekst benoemd staan. Deze film gaat over perioden van tekorten, met bijzondere aandacht voor de Dunkelflaute, diens correlatie met de beperking van importmogelijkheden in een dergelijke situatie en de rol van accu-opslag voor korte perioden en die van waterstof voor langere termijn opslag, zodat op momenten van een aanbod tekort er toch voldoende duurzame elektriciteit, met waterstof opgewekt, beschikbaar kan zijn.
Hieronder leggen we uit waarom CO₂-neutrale waterstof een belangrijke rol zal moeten spelen om ons energiesysteem betrouwbaar en betaalbaar te houden. Samengevat komt dit neer op:
- Waterstof maakt grootschalige energieopslag mogelijk voor de lange termijn
- Waterstof maakt kosteneffectief transporteren en distribueren van energie mogelijk
- Waterstof maakt grootschalige, efficiënte integratie van hernieuwbare energie mogelijk
1. Waterstof maakt grootschalige energieopslag mogelijk voor de lange termijn
Het aanbod van duurzame elektriciteitsopwekking uit zonne- en windenergie volgt de vraag niet automatisch, zoals een conventionele elektriciteitscentrale op kolen of aardgas dit wel doet. In de zomermaanden is de productie van hernieuwbare elektriciteit meestal groter dan de vraag en in de wintermaanden juist kleiner. Je zou de overproductie uit de zomer willen gebruiken om in de winter ook een betrouwbare energievoorziening te hebben. Je wilt dus een grote hoeveelheid elektriciteit gedurende een lange periode opslaan, bufferen.
Waterstof biedt deze mogelijkheid om elektriciteit, geproduceerd op het ene moment, te gebruiken op een ander moment. Dit komt omdat elektriciteit geconverteerd kan worden naar waterstof en je met waterstof (indien nodig) elektriciteit kan opwekken. En in de tussentijd kun je de waterstof grootschalig en langdurig opslaan. Er is bij de conversie van elektriciteit naar waterstof (en andersom) sprake van energieverliezen. Maar kies je niet voor deze route, dan kan de overtollig geproduceerde elektriciteit helemaal niet worden gebruikt én moet er op momenten van tekort alsnog elektriciteit geproduceerd worden uit andere bronnen.
Additioneel aan het ‘reguliere’ overbruggen van seizoenen kan waterstof op eenzelfde wijze ook een rol spelen bij het overbruggen van periodes van enkele dagen en/of weken waarbij de zon- en windproductie zeer laag is, terwijl de vraag naar duurzame elektriciteit hoog is. In Duitsland is een dergelijke periode al een algemeen bekend verschijnsel: de zogenaamde Dunkelflaute. Een Dunkelflaute is dus een reëel scenario. In 2017 was er in Duitsland een 10-daagse periode waarin er nauwelijks aanbod was van zon- en windenergie.
Waterstof zal een belangrijke rol gaan spelen bij het balanceren van vraag en aanbod in ons elektriciteitssysteem door onder meer het opvangen van grote, wisselende hoeveelheden aanbod over de seizoenen heen en bij langdurige perioden van tekorten. Hiermee draagt waterstof bij aan een betrouwbaar energiesysteem.
Grootschalige waterstofopslag kan in zoutcavernes. Onderstaande figuur kwantificeert waterstofopslag in tijd en capaciteit en vergelijkt deze met andere vormen van energieopslag.
Vergelijking technieken voor energieopslag
Buffercapaciteit voor duurzame energievoorziening
Om een gevoel voor de ordegrootte te krijgen geven we hier inzicht in de hoeveelheid energie die in Nederland, bij een volledig duurzame energievoorziening gebufferd moet worden om zomer-winter verschillen te kunnen overbruggen. Hierin is dus niet buffering voor bijvoorbeeld internationale lucht- en scheepvaart meegenomen. Waterstof zal, naast andere moleculen, in een deel van deze buffering kunnen voorzien.
Hoeveel energie in een volledig duurzame energievoorziening in Nederland gebufferd moet worden, is afgeleid uit data van de Net voor de Toekomststudie. Doorrekening van de verschillende scenario’s uit deze studie laat een vrijwel gelijk beeld zien ten aanzien van de behoefte aan een energiebuffering.
In onderstaand voorbeeld is het Regionaal scenario gebruikt. In dit scenario is veel energiebesparing gerealiseerd, is onze samenleving sterk ge-elektrificeerd en is het aandeel hernieuwbare opwek zeer fors toegenomen tot 84 GW zon en 42 GW wind.
Samenvatting aannames Net voor de Toekomstscenario’s. Bron: Netbeheer Nederland. Klik op de afbeelding voor grotere versie.
Om tot vaststelling van omvang van de buffervraag te komen moeten eerst aanbod (de blauwe lijn in onderstaande figuur) en vraag (de oranje lijn) van energie met elkaar vergeleken worden. De gele staafjes illustreren per maand het energieoverschot of het -tekort.
Analyse maandelijks energietekort of overschot in een duurzame Nederlandse energievoorziening, Regionaal scenario Net voor de Toekomst. Gasunie o.b.v. Netbeheer Nederland, Net voor de Toekomststudie
In bovenstaande grafiek is duidelijk zichtbaar is dat er in de wintermaanden overwegend een tekort en in de zomermaanden een overschot van duurzame energie is. Dit is ondanks de aanname dat er 60 GW aan accu-opslag in Nederland beschikbaar is. Deze accu’s in de vorm van thuisbatterijen en auto-accu’s zorgen voor de uurbalans, maar zijn niet geschikt voor de zogenaamde seizoensopslag (buffering). Als korte termijn flexmiddelen zijn in dit scenario tevens demand side response-opties meegenomen. Daarnaast is geanalyseerd hoeveel duurzame elektriciteit geïmporteerd zou kunnen worden. Geconcludeerd werd dat import uit omringende landen van elektriciteit uit zon en wind geen zekere en dus geen afdoende optie is. In ons omringende landen, doen zich vaak dezelfde weersomstandigheden voor als bij ons.
Er moet gedurende de winter dus een voorraad zijn die we kunnen aanspreken en deze voorraad moet in de zomer gevuld worden. Om hoeveel dat gaat (hoe groot de buffer moet zijn) wordt zichtbaar wanneer we de achtereenvolgende tekorten optellen. Dit zijn de cumulatieve tekorten, de bruine staafjes in onderstaande grafiek.
De buffercapaciteit, weergegeven met de groene staafjes, moet zorgen voor het opvangen deze cumulatieve tekorten. Zoals af te leiden uit de hoogte van groene staafje slinkt de buffer tussen oktober en maart, terwijl tussen april en september de voorraadbuffer weer wordt aangevuld. Willen we voorkomen dat we in maart een tekort hebben, dan moet de buffer een omvang hebben conform de groene staafjes.
Analyse maandelijkse bufferbehoefte energie in een duurzame Nederlandse energievoorziening. Regionaal scenario Net voor de Toekomst. Gasunie o.b.v. Netbeheer Nederland, Net voor de Toekomststudie
2. Waterstof maakt kosteneffectief transporteren en distribueren van energie mogelijk
De Infrastructure Outlook laat zien dat door toenemende verduurzaming van onze energievoorziening het transmissienet van elektriciteit na 2030 tegen zijn beperkingen gaat aanlopen.
Het elektriciteitsnet zal fors uitbreiden om aan de groeiende elektriciteitsvraag te kunnen voldoen. Het elektriciteitsnetwerk zal echter, ook na deze uitbreiding, niet in staat zijn om het (noodzakelijk) fors groeiende aanbod van elektriciteit uit zon- en windenergie op langere termijn te kunnen accommoderen.
Voor een belangrijk deel moet het overtollige aanbod worden opgeslagen in de vorm van waterstof. Om een volledige verduurzaming energievoorziening te kunnen realiseren, is dus een waterstofnetwerk nodig.
In het verlengde hiervan kan het onder bepaalde omstandigheden ook kosteneffectief, of pure noodzaak zijn om de met wind op zee geproduceerde elektriciteit niet via kabels naar land te transporteren, maar in de vorm van waterstof per pijpleiding. Het aanleggen van pijpleidingen door zee is zo’n twee tot drie keer goedkoper dan een elektriciteitskabel.
Kosten transport kilometer
De kosteneffectiviteit van energietransport per pijpleiding en een goede invulling van onze schaarse openbare ruimte pleiten voor de aanleg van een waterstofinfrastructuur. Hiervoor kunnen we delen van de bestaande aardgasinfrastructuur opnieuw gebruiken.
3. Waterstof maakt grootschalige, efficiënte integratie van hernieuwbare energie mogelijk
Grootschalige elektriciteitsopwekking met zon en windenergie zal regelmatig resulteren in een overaanbod aan elektriciteit en steeds vaker in een situatie waarbij het elektriciteitsnetwerk het aanbod niet meer aan kan (netwerkcongestie).
Waterstof maakt het mogelijk om het groot potentieel aan zon- en windenergie optimaal te benutten, die anders mogelijk afgeschakeld zouden moeten worden. De elektriciteit kan via elektrolyse geconverteerd worden naar waterstof. Dit kan ook al direct in/nabij de windmolen of zonnepaneel plaatsvinden, waarbij efficiencyvoordelen ten opzichte ‘gewone’ elektrolyse te behalen zijn.
Zon en wind wekken elektriciteit op naar mate zon schijnt en de wind waait. Deze sterk wisselende invoeding zorgt voor prijsfluctuaties. Conversie naar waterstof kan als het ware een bodem leggen onder de elektriciteitsprijzen en ervoor zorgen de elektriciteitsprijzen enigszins stabiliseren. Conversie naar waterstof is daarmee een oplossing voor het stijgende risico (vanuit producentenperspectief) op dalende prijzen voor duurzame elektriciteit naarmate het aanbod verder groeit. Conversie van elektriciteit naar waterstof biedt de windmoleneigenaren daarmee een financieel interessante aanvullende business case. Dat kan de aanleg van windparken bevorderen.
Op het moment dat het nodig is, kan het waterstof in zijn molecuulrol in de verschillende marktsegmenten worden gebruikt, of het kan (met conversieverliezen, afhankelijke van het type centrale dat gebruikt wordt) weer omgezet worden in elektriciteit. Waterstof is een belangrijke bron voor een betrouwbare, duurzame elektriciteitsvoorziening. Niet heel efficiënt. Maar wel een van de weinige opties voor een snel op- en afschakelbare duurzame elektriciteitscentrale.
De rol van waterstof in systeemintegratie – verschillende rapporten
Verschillende internationale rapporten, zoals die van de Hydrogen Council detailleren de verschillende rollen van waterstof. Voor Nederland specifiek zijn twee rapporten zeer relevant.
Net voor de Toekomst studie, Netbeheer Nederland
Netbeheer Nederland heeft in opdracht van alle Nederlandse netbeheerders van het elektriciteits- en aardgasnetwerk studie gedaan naar de toekomstige energiehuishouding in het rapport Net voor de Toekomst.
In deze studie heeft de brancheorganisatie voor netbeheerders vier scenario’s voor een duurzame Nederlandse energievoorziening in 2050 ontwikkeld. Netbeheer Nederland heeft meegenomen in hoeverre elektrificatie een mogelijkheid biedt en of thuisbatterijen, slimme sturing en import aanbodtekorten kunnen oplossen.
Infrastructure Outlook 2050, TenneT en Gasunie
De Netbeheer Nederland-studie is de basis geweest voor de Infrastructure Outlook 2050 van TenneT en Gasunie: de eerste gezamenlijke capaciteitsanalyse van de Nederlandse landelijke netbeheerders van elektriciteit en gas. Hierin concluderen zij dat de bestaande elektriciteits- en gasinfrastructuur in Nederland en Duitsland een cruciale rol moet blijven spelen voor het behalen van de klimaatdoelstellingen van Parijs. En dat er ook een waterstofinfrastructuur nodig is.
Naast duurzaam methaan (te transporteren via het bestaande aardgasnetwerk) zijn er aanvullende duurzame moleculen nodig in de vorm van waterstof als de beschikbaarheid van elektronen ontoereikend is. Een deel van de Nederlandse gasinfrastructuur zal geschikt gemaakt moeten worden voor het transport van waterstof.
