Welke rol speelt waterstof in de energie transitie?

Waterstof staat afgelopen jaren erg in de belangstelling. Nieuwe beleidsplannen, grote project aankondigingen en nieuwe technologieontwikkelingen. Waar komt die aandacht voor waterstof nu ineens vandaan?  En welke rol speelt waterstof in de energie transitie? TNO geeft inzicht in de huidige stand van zaken en antwoord op deze en andere vragen.

Wat is er nieuw aan waterstof? 

Waterstof is geen nieuwe ontwikkeling. Nederland is op dit moment al groot gebruiker van waterstof¹ met name in de raffinaderijen en voor kunstmestproductie. Deze huidige waterstof productie gaat echter gepaard met erg veel CO₂ uitstoot daar restgassen en aardgas de primaire input zijn. De toekomst ligt bij groene waterstof gemaakt middels elektrolysers gekoppeld aan groene stroom uit wind en zon. De elektrolyser technologie is bekend en al ruim een eeuw oud.

Grote systemen zijn gerealiseerd bijvoorbeeld in Egypte waar een 203 Megawatt alkaline elektrolyser operationeel was in 1959 gekoppeld aan de Aswandam waterkrachtcentrale voor de productie van kunstmest. Ten tijde van de oliecrisis in de jaren ’70² heeft TNO nog een rapport uitgebracht over de toekomst van waterstof in Nederland. Veel aspecten waar we nu over spreken komen hier aan bod, waaronder grootschalige elektrolyse voor productie van waterstof, transport via pijpleidingen, opslag in de ondergrond en direct gebruik van waterstof in de staalindustrie. De verdere opkomst van het veel goedkopere aardgas heeft de ontwikkeling van de waterstof technologie echter verdrongen.  

Waar staan we nu? 

Sinds die tijd heeft de ontwikkeling van waterstof met name de focus gehad op de toepassing in de mobiliteit middels brandstofcel gedreven waterstof auto’s met als hoogtepunt de periode 2000 – 2010; het eerste decennium van deze eeuw. De belofte van brandstofcel-elektrische personenauto’s op waterstof is echter achterhaald door een snellere ontwikkeling van batterij elektrische auto’s. Eind 2022 reden er ruim een half miljoen volledige of hybride elektrische auto’s in Nederland versus 600 waterstof auto’s³.  De toekomst van waterstof (of waterstof gelieerde energiedragers) in de mobiliteit ligt met name in vrachtverkeer, scheepvaart en luchtvaart waar een groot vermogen en een grote actieradius van belang is.  

Ook de elektrolyse technologieontwikkeling staat pas aan het begin. Als we de vergelijking maken met de zonne-energie ontwikkeling, dan staat de elektrolyse technologie daar waar zonne-energie was begin deze eeuw of zelf nog daarvoor. Rond het jaar 2000 was er 810 Megawatt (MW) cumulatief geïnstalleerd vermogen aan zone energie wereldwijd. In 2 decennia tijd groeide dit met een factor duizend naar 843 Gigawatt (GW) in 2021⁴. Volgens het IEA⁵ was in 2020 het totale cumulatieve geïnstalleerde elektrolyser vermogen wereldwijd minder dan 300 MW. Dit is net zo groot als één groene waterstof productiefaciliteit zoals nu wordt ontwikkeld op de Maasvlakte. We zitten dus echt aan begin van de ontwikkeling en opschaling.  

Systeemrol Waterstof in de energie transitie  

In tegenstelling tot de jaren ’70 is de verwachting dat waterstof nu wel doorbreekt en een blijvende rol krijgt in ons energiesysteem. Hoofdreden hiervoor is de huidige klimaat en energiecrisis en de sterke noodzaak om het gebruik van fossiele energie en de bijbehorende CO₂-emissies versneld af te bouwen. Deze ontwikkeling wordt versterkt door de sterke kostprijs reductie van wind en zonne-energie en de verwachte kostprijs reductie van elektrolysers.  

De energietransitie gaat over de overgang van een energiesysteem (dat nu vrijwel volledig is) gebaseerd op kolen, aardolie en aardgas naar een energiesysteem (dat voornamelijk) gebruik maakt van hernieuwbare energiebronnen zoals zon, wind, biomassa, waterkracht, omgevingswarmte en geothermie. Zon en wind spelen een voorname rol want dat zijn de grootste bronnen. In dat verband zijn er drie belangrijke rollen voor waterstof: 

1. Grootschalige opslag van hernieuwbare elektriciteit om het variabele aanbod ook over langere periodes in overeenstemming te kunnen brengen met de vraag naar elektriciteit; 

2. Verduurzaming van industrieën en toepassingen die (vooralsnog) niet direct zijn te elektrificeren denk aan de luchtvaart en staalindustrie  

3. Transport van wind- en zonne-energie ten behoeve van herverdeling van die bronnen van locaties in de wereld met overvloedige beschikbaarheid naar locaties met een tekort of grote beperkingen voor benutting van die duurzame bronnen (bv. ruimtegebrek als gevolg van een hoge bevolkingsdichtheid in combinatie met een energie-intensieve economie) 

Waterstof is geen doel opzich  

In Nederland beschikken we naast een aanzienlijk potentieel aan zon over een groot potentieel aan windenergie, met name op de Noordzee tot wel 70 GW. Door optimaal gebruik te maken van deze koolstofvrije bronnen, kan inzet van bio-based energiedragers zoals groen gas zoveel mogelijk beperkt blijven tot toepassingen waar koolstof onmisbaar is, zoals voor de koolstofchemie in de chemische industrie en voor biobrandstoffen. Van belang is om waterstof te zien als middel en geen doel op zichzelf. 

Elektrolyse maakt het mogelijk om energie van wind en zon maximaal te benutten en op te slaan in waterstof en te gebruiken op die plekken waar direct gebruik van elektriciteit (nog) geen optie is. Het begint echter wel met winning van zonne-energie en windenergie. Hoe meer waterstof we gebruiken des te meer parken zijn er nodig om de energie daarvoor te leveren. Dat vergt niet alleen grote investeringen maar ook veel ruimte en grondstoffen. Efficiënte inzet van waterstof is daarom van groot belang.