Energie: De toekomst van waterstof
De ontbrekende schakel
Hoewel waterstof vaak wordt voorgesteld als hét symbool van een duurzame toekomst, is de weg daarnaartoe allesbehalve rechtlijnig. Een actieve regie is nodig. ‘Nederland heeft de neiging om te zeggen: laat de markt alles doen.’
22 april 2020 – verschenen in nr. 17-18
Een belangrijke bron van energie in de toekomst wordt gezonde voeding. Hele wijken zijn straks alleen nog te voet of op de fiets bereikbaar. Auto’s zijn uit de binnensteden verdrongen door metro’s, trams en elektrische stadsbussen.
Een rit met een auto begint bij een oplaadpaal; de elektrische auto heeft de economische strijd gewonnen van de waterstofvariant. Alleen vrachtwagens en touringcars rijden op waterstof, omdat een waterstoftank minder weegt dan batterijen. En de vliegtuigen in de lucht verbranden ‘synthetische’ kerosine, een combinatie van waterstof en herwinbare kooldioxide.
In monumentale buurten en op het platteland zijn gasketels vervangen door waterstofketels en komt er waterstof uit de oude gasleidingen. Grachtenpanden en boerderijen zijn niet zuinig genoeg om met elektriciteit te verwarmen en op een warmtepomp aan de zeventiende-eeuwse gevel of warmtebuizen in de gracht zit niemand te wachten. In moderne buurten ligt dat anders: daar zijn de woningen via een warmtenet aangesloten op restwarmte van de industrie of thermische warmte uit de grond. Of ze hebben warmtepompen die warmte uit de lucht, de bodem of het grondwater halen.
Uit de kust en uit het zicht staan gigantische windmolenparken in de Noordzee. Daartussen enkele kunstmatige eilanden waarop uit windenergie waterstof wordt geproduceerd. Maar de meeste elektrolysers voor de productie van waterstof staan op het land, dicht bij industriële clusters, zoals in Delfzijl, Amsterdam, de Maasvlakte en Borsele. Tot bezwaren leidt dat nauwelijks, want elektrolysers doen hun geruisloze werk in gigantische loodsen – en aan ‘dozen’ in het landschap is Nederland in 2040 inmiddels wel gewend. Bovendien komt er nu zoveel energie van zee en uit zonnepanelen dat men begonnen is omstreden windmolens op het land te onttakelen.
De industrie zit voor het grootste deel ‘aan het stopcontact’: de voedingsfabrikanten, de machinefabrieken, de hele chemiesector. Alleen waar temperaturen van meer dan zeshonderd graden noodzakelijk zijn, zoals voor het maken van staal, glas en bakstenen en voor chemische processen, wordt waterstof gebruikt. Verder is waterstof een belangrijke grondstof voor de productie van bijvoorbeeld kunststof of kunstmest.
Olie wordt alleen nog geproduceerd als grondstof voor de chemische industrie en, niet onbelangrijk, om windturbines te smeren – hoewel de meeste chemische producten tegen die tijd misschien al uit biomassa, waterstof en hergebruikte koolstof worden gemaakt. En aardgas wordt hooguit ingezet om tekorten aan waterstof op te vangen. Het moet dan wel uit Noorwegen of Rusland worden geïmporteerd, want Slochteren is dan al vijftien jaar dicht. Het twaalfduizend kilometer lange aardgasnet van Gasunie wordt nu voornamelijk gebruikt om waterstof te verdelen.
Het lijkt niet zo moeilijk om je voor te stellen waar onze energie in 2040 vandaan komt. Later is allang begonnen. Een op de elf geplande windmolens in de Noordzee staat al fier overeind (één gigawatt van de geplande elf gigawatt). Er ligt een klimaatakkoord met een routeplan tot in elk geval 2030. De twee tegenpolen, de industrie en de natuur- en milieuorganisaties, hebben elkaar gevonden in een ‘waterstofcoalitie’. En twee weken geleden heeft het kabinet een ‘waterstofvisie’ gepubliceerd. De opties zijn beperkt en de tijd dringt: in 2050 moeten we, net als de rest van de wereld, volledig CO2-neutraal zijn.
Ons energiesysteem wordt een mix van groene elektronen (stroom) en groene moleculen (waterstof). Want de waterstof is nodig om de flauwtes in de duurzame energieopwekking (periodes zonder wind en zon) te overbruggen.
Maar dat is niet het hele verhaal. Waterstof is óók een onmisbare grondstof en brandstof voor de industrie. En deze heeft er belang bij dat de waterstof zo goedkoop mogelijk wordt geproduceerd. Dat wil zeggen: uit aardgas en niet uit water met behulp van elektriciteit van windmolens. De CO2 die daarbij vrijkomt, wil de industrie opslaan onder de grond – een technologie die volgens critici niet alleen gevaarlijk is, maar ook de transitie naar een werkelijk duurzame economie vertraagt. Hoewel waterstof dus vaak wordt voorgesteld als hét symbool van een duurzame toekomst, zou ze ook wel eens dé hinderpaal op weg naar die toekomst kunnen zijn.
Waterstof. ‘H’ voor scheikundigen – van ‘hydrogenium’. Het deeltje dat het meest voorkomt in het universum (hele sterren bestaan uit waterstof) en dat op onze planeet vooral bekend is door zijn unieke verbinding met zuurstof, in de vorm van H2O. Hydrogenium: ‘de watermaker’.
Dat je water ook weer uit elkaar kunt halen, is uiteraard een ontdekking van de mens. Zet een bak water onder stroom en de zuurstofatomen zwemmen naar de ene kant en de waterstofatomen naar de andere. Waterstof- en zuurstofatomen delen in H2O vier elektronen. Als je deze lokt met een positieve of negatieve elektrische lading van buiten, vergeten ze hun loyaliteit en laten ze het watermolecuul uit elkaar vallen.
Waterstof komt op aarde vooral voor in verbindingen met andere atomen. Aardgas, bijvoorbeeld, bevat ook waterstofatomen. Net als olie, vetten, zuren en menselijk weefsel. Omdat het niet zelfstandig kan overleven, hecht het zich met groot enthousiasme aan alles wat voorbijkomt. En het is déze enorme energie die waterstof zo gewild maakt. Als je een waterstofatoom dat op de ene plaats door elektrolyse is losgeweekt van een zuurstofatoom op een andere plaats weer verbindt met een zuurstofatoom, komt er veel energie vrij. De rol van waterstof in ons toekomstige energiesysteem is die van ‘energiedrager’: we kunnen er elektrische energie in opslaan en vervoeren.Waterstof is ook een onmisbare grondstof en brandstof voor de industrie, dus moet het zo goedkoop mogelijk zijn
Dat maakt waterstof tot de ontbrekende schakel in een duurzaam energiesysteem. Op momenten dat er te veel elektriciteit is, gebruiken we deze voor elektrolyse. De waterstof slaan we op in zoutkoepels. In periodes dat het níet waait én de zon niet schijnt, gebruiken we de waterstof om elektriciteit op te wekken. Stroomtekorten worden op de eerste plaats opgelost door elektriciteit uit andere landen in te kopen. ‘Dunkelflautes’, waarbij er op hetzelfde moment in héél Europa geen wind of zon is, zijn zeldzaam, maar komen voor. Het is dus goed om waterstof achter de hand te hebben.
Waterstof is bovendien ‘schoon’: bij het samenvoegen van waterstof met zuurstof (bij verbranding) ontstaat water. Daardoor is het ook een ideaal alternatief voor koolstofhoudende brandstoffen zoals aardgas en diesel.
We zullen in Nederland in 2040 waarschijnlijk lang niet al onze waterstof zelf kunnen produceren. De windturbines die daarvoor nodig zijn, moeten immers óók helpen om de honger van onze laptops, auto’s en koelkasten te stillen. In alle scenario’s wordt daarom ook gerekend op aanvoer uit bijvoorbeeld Spanje en Marokko, waar waterstof uit elektriciteit van goedkope zonnepanelen kan worden gemaakt.
De uitdaging van waterstof is gelegen in de elektriciteit die nodig is om haar te scheiden van andere atomen. Bij de omzetting van elektrische energie naar moleculaire energie gaat twintig tot dertig procent verloren. Huidige elektrolysers maken bovendien nog gebruik van zeer zeldzame metalen, zoals iridium. Efficiëntere en goedkopere elektrolysemethodes zijn de heilige graal.
‘Over twintig jaar kan het aandeel van elektriciteit in het verbruik twee keer zo groot zijn als nu’, denkt Pieter Boot, sectorhoofd klimaat, lucht en energie bij het Planbureau voor de Leefomgeving. ‘Dat komt onder andere door elektrificatie van het wagenpark en van de industrie en door het wegvallen van aardgas. Zelfs als we op andere vlakken zuiniger worden met energie – en dat is verstandig om te doen – zal onze stroomhonger groter worden.’
Straks kan de helft van onze energie uit het stopcontact komen. Nog eens een kwart komt van omgevingswarmte of van de industrie. ‘Waterstof is de laatste keus’, zegt Boot, ‘op de plaatsen waar andere energiedragers lastiger zijn. Maar dan heb je het misschien toch nog altijd over 25 procent van onze energiebehoefte.’
Maar terwijl windmolens al rendabel zijn, moet de eerste commerciële waterstoffabriek nog worden gebouwd. Hoe kan dat? Er lijkt een belangrijke rol weggelegd voor de industrie. Zij verbruikt immers veruit de meeste energie (vooral in de vorm van aardgas), is nu al de grootste afnemer van waterstof (als grondstof) en is, als het goed is, in staat het voortouw te nemen bij de noodzakelijke giga-investeringen. Maar het gedrag van de olie-, chemie-, kunstmest- en staalreuzen laat zich moeilijker voorspellen dan dat van moleculen.
Het ministerie van Economische Zaken en Klimaat telde eind vorig jaar acht serieuze plannen van de industrie voor een investeringsbedrag van in totaal een miljard euro. In wisselende coalities hadden Nouryon, Tata Steel, Dow Benelux, Yara, BP en KLM plannen gepresenteerd voor de grootschalige productie van waterstof. Recent hebben Shell en Gasunie zich daarbij aangesloten, met een schets voor een gigantisch windmolenpark met elektrolysers in de Noordzee.
Dit lijkt een behoorlijk commitment. Maar geen van deze ontwerpen prikt al op een bord op een bouwterrein. Sinds het Kyoto-protocol van 23 jaar geleden weet de industrie dat ze niet aan verduurzaming kan ontsnappen. Ze past elektrolyse (een ontdekking uit 1832) al lang toe om metalen te winnen uit mineralen. En de brandstofcel, die chemische energie weer omzet in elektrische energie, beleefde zijn grote doorbraak in 1993, dus vier jaar vóór Kyoto.
Er draaien wel talloze kleine projectjes met waterstof: in Veendam zet een elektrolyser van Gasunie (met één megawatt de grootste tot nu toe in Nederland) zonne- en windenergie om in waterstof; in Rozenburg en Hoogeveen worden woningen verwarmd met waterstofketels; tussen Groningen en Leeuwarden rijdt sinds kort een waterstoftrein; in Delfzijl bouwen KLM en Schiphol mee aan een fabriek die groene kerosine moet gaan maken en wat verder van huis, in Zweden, draait al een staalfabriekje (van SSAB) op waterstof in plaats van op kolen.
Volgens ondernemersorganisatie FME sleutelen er in Nederland 260 kleine en middelgrote bedrijven aan innovaties op het gebied van waterstof. Een voorbeeld is H2Fuel Systems in Voorschoten, dat ontdekte hoe je waterstof (een gas) in een vloeistof en in korrels kunt bewaren, wat meer mogelijkheden biedt voor opslag en vervoer. Voor al deze initiatieven geldt: het is wachten op een markt.
‘We hebben niet nóg meer rapporten en studies nodig’, zegt Noé van Hulst, topambtenaar bij Economische Zaken en Klimaat en al twintig jaar een invloedrijke energiedeskundige binnen de overheid. ‘Nu moet de schop in de grond.’
Ook de beheerders van de infrastructuur, Gasunie, Stedin en TenneT, raken ongeduldig. ‘2030 is voor ons morgen’, zegt Hans Coenen, vicepresident corporate strategy van Gasunie. ‘We hoeven niet veel aan te passen aan ons leidingnet om het geschikt te maken voor waterstof, maar we kijken niettemin aan tegen een investering van twee miljard euro en we moeten snel beslissen om op tijd klaar te zijn.’Het gedrag van de olie-, chemie-, kunstmest- en staalreuzen laat zich moeilijker voorspellen dan dat van moleculen
‘Het komt moeizaam op gang, maar dat ligt niet alleen aan de industrie’, zegt hoogleraar Ad van Wijk, die in binnen- en buitenland bekendheid geniet als waterstofdeskundige en onder andere de Europese Commissie adviseert. Zo is er bijvoorbeeld nog geen subsidieloket voor waterstof. ‘De huidige subsidieregeling voor duurzame energie, SDE++, beoordeelt aanvragen op hun CO2-besparing en bij de productie van waterstof wordt geen CO2 bespaard. Indirect natuurlijk wel, omdat dankzij waterstof fossiele brandstoffen overbodig worden, maar zo ziet de wetgever dat nog niet.’
Plannen voor elektrolysers op zee stuiten ook op een andere hindernis: alleen offertes (tenders) tot één gigawatt windenergie komen in aanmerking voor subsidie. ‘Maar voor een elektrolyser is minstens tien keer zoveel capaciteit nodig’, aldus Van Wijk. ‘Shell heeft onlangs de knuppel in het hoenderhok gegooid met zijn voorstel voor een windpark van tien gigawatt.’
Een derde barrière vormt het transport van de geproduceerde waterstof. Van Wijk: ‘TenneT is verplicht energiekabels van windparken op zee aan te sluiten op het net. Het is echter veel voordeliger om waterstof op zee te maken en dan als gas door een pijp aan land te brengen. Daar zou de Gasunie moeten zorgen voor verder transport. Maar voor de Gasunie geldt nog niet dezelfde verplichting als voor TenneT.’
Misschien maakt de industrie ook om een andere reden geen haast, denkt hoogleraar transitiekunde Jan Rotmans. ‘De industrie wint nu waterstof uit aardgas. En als ze het voor elkaar krijgt om de CO2 die daarbij vrijkomt op te mogen slaan onder de grond, dan hoeft ze voorlopig helemaal niet in windmolens en elektrolysers te investeren.’
De industrie gebruikt nu ook al veel waterstof, als grondstof. Deze wordt gewonnen uit aardgas (CH4) en wordt ‘grijze waterstof’ genoemd – ter onderscheiding van ‘groene waterstof’ die met herwinbare energie uit water wordt gemaakt.
Enkele invloedrijke bedrijven, waaronder ExxonMobil, Shell en de Rotterdamse haven, lobbyen momenteel voor toestemming en subsidie om het eerste Carbon Capture and Storage-project (CCS) in lege gasvelden onder de Noordzee te kunnen beginnen, het Porthos-project. De milieubeweging is mordicus tegen, wegens het risico op verzuring van de zee en omdat de initiatiefnemers de maatschappij willen laten betalen voor de infrastructuur.
‘Ik ben bang dat de industrie “blauwe” waterstof, waarbij de CO2 wordt afgevangen, als ontsnapping ziet’, zegt Rotmans. ‘Dan kan ze voorlopig gewoon door blijven gaan met haar huidige productiewijzen.’ Campagneleider en energiedeskundige Faiza Oulahsen van Greenpeace deelt die zorg. ‘Enkele bedrijven kijken gelukkig wél serieus naar groene waterstof, maar andere lijken te denken: als we gedwongen worden, geef ons dan maar geld voor CCS. En zodra de infrastructuur voor CCS er eenmaal is, gaat deze werken als een lock-in. Dan komt de massale elektrificatie van de industrie niet van de grond.’
‘De komende tien jaar leidt het inzetten op waterstof dus helemaal niet tot CO2-reductie, integendeel’, zegt Rotmans. ‘De uitstoot zal eerst omhoog gaan, doordat er veel fossiele energie nodig is om grijze waterstof te maken en om de CCS-infrastructuur aan te leggen.’
De Groene Amsterdammer heeft twee grote spelers, Shell en Nouryon, naar hun mening gevraagd. Nouryon reageerde dat ze hier nu ‘geen ruimte’ voor hebben en Shell reageerde helemaal niet.
Een actieve regie is nodig, stellen alle betrokkenen. ‘Nederland heeft de neiging om te zeggen: laat de markt alles doen’, zegt topambtenaar Van Hulst. ‘Maar die houding moeten we nu niet hebben. Gelukkig ziet het kabinet dat ook en pleit het in zijn waterstofvisie voor een actieve regisseursrol voor de overheid.’
‘De overheid heeft al jaren geen leiding meer genomen’, stelt Rotmans. ‘De meeste “visies” werden niet uitgevoerd. De energietransitie vergt een langetermijnstrategie en een centrale, sturende rol, niet alleen van de overheid, maar bijvoorbeeld ook van het Havenbedrijf Rotterdam.’
‘Energie is een publieke voorziening’, zegt zijn collega Van Wijk. ‘We moeten voorkomen dat de industrie straks alle goedkope groene energie krijgt en huishoudens duurdere energie moeten kopen. En op Texel moet de energie straks nog net zo goedkoop zijn als in hartje Amsterdam. Daar is marktordening voor nodig.’
Covid-19 biedt nu een unieke kans. In ruil voor financiële steun zou de overheid duurzaamheidseisen kunnen stellen aan de industrie en de luchtvaart. Eén simpel voorstel lag er al vóór de crisis: verplicht grootverbruikers om een deel van hun aardgas te vervangen door groene waterstof, zodat de productie daarvan eindelijk op gang komt.
‘Nadat Slochteren was ontdekt, heeft de overheid binnen een paar jaar een heel gasleidingnet uit de grond gestampt’, zegt Faiza Oulahsen van Greenpeace. ‘Dat heeft de overheid destijds toch óók niet aan de markt overgelaten?’
Dit artikel verscheen eerder in De Groene Amsterdammer
Met medewerking van René Peters, business director gastechnology van TNO