De rol van waterstof binnen de energietransitie

Voor het lectoraat energietransitie van Hanzehogeschool Groningen werden in februari Jan-jaap Aué en Klaas Jan Noorman geïnstalleerd. Dr. ir. Jan-jaap Aué hield daarvoor een rede over waterstof als innovatiemotor. “Duurzaam geproduceerde waterstof kan een grote rol spelen in de energietransitie.”

Waterstof is een energiedrager die bij de transitie naar een duurzame energievoorziening een belangrijke rol kan spelen. De toename van de opwekking van hernieuwbare elektriciteit uit zon en wind en de daarmee gepaard gaande fluctuaties in het aanbod bieden een aantrekkelijke mogelijkheid voor waterstof. Met de omzetting van water middels elektrolyse in H2, waterstof, kan een overschot aan groene stroom opgeslagen worden voor later gebruik. Ook is waterstof inzetbaar als brandstof.

Waterstof-hub

De infrastructuur in Noord Nederland is bij uitstek geschikt om grootschalige toepassing van waterstof mogelijk te maken. Kennis, de aanwezigheid van chemische industrie en de connectie met offshore windparken en het buitenlandse elektriciteitsnet zijn belangrijke factoren. Bovendien kan de bestaande infrastructuur voor de distributie van aardgas benut worden.

Groene waterstof wordt geproduceerd met behulp van duurzaam opgewekte energie. Daarmee wordt de uitstoot van broeikasgassen van productie op basis van bijvoorbeeld aardgas of kolen, vermeden. Wel is waterstof zelf een broeikasgas, hoewel het ook snel de atmosfeer verlaat. Als waterstof duurzaam geproduceerd in grote hoeveelheden beschikbaar komt en veilig opgeslagen en getransporteerd kan worden is de inzet mogelijk voor:

Klein- en grootschalige, korte termijn en seizoensopslag van energie
Als brandstof met hoge energiedichtheid voor transport en mobiliteit
Hoge temperatuur warmte in de procesindustrie
Warmtevoorziening in de gebouwde omgeving
Vervanging niet-duurzaam geproduceerde waterstof voor de industrie
Benutting van de bestaande fijnmazige gasinfrastructuur

Oude technologie

Hydrogen als naam voor waterstof komt uit het Grieks (hydro – water; gen, genen – schepper) en vormt het meest voorkomende element in het universum. Op aarde komt natuurlijk (ongebonden) waterstof maar weinig voor. Toch wordt al lang gebruik gemaakt van waterstof. In de afgelopen 200 jaar voor verlichting (stadsgas) en later ook voor verwarming of om te koken. Door de overschakeling naar het gebruik van aardgas verdween het gebruik.

Waterstof kan op verschillende manieren gemaakt worden. In de gasfabrieken van de vorige eeuw werd waterstof geproduceerd door vergassing; het verhitten van steenkool. Als we het hebben over groene waterstof dan wordt de productie bedoeld op basis van elektrolyse van water. Hiervoor is veel energie benodigd:

2H2O (vloeibaar) + energie > 2 H2 (gas) + O2 (gas)

De meest gangbare manier voor waterstofproductie is steamreforming van aardgas. Bij hoge temperaturen (700-1100 gr. C) wordt stoom met methaan omgevormd tot koolmonoxide en H2:

CH4 + H2O + energie > CO + 3 H2

Groene waterstof is in vergelijking met conventioneel geproduceerde waterstof relatief duur. Vandaar dat gekeken wordt naar de inzet van hernieuwbare elektriciteit zodra daarvan een overschot bestaat. Bij veel wind en zon en een lage elektriciteitsvraag ontstaan regelmatig grote overschotten, met lage prijzen tot gevolg.

Groene waterstof is in vergelijking met conventioneel geproduceerde waterstof relatief duur.
Vandaar dat gekeken wordt naar de inzet van hernieuwbare elektriciteit zodra daarvan een
overschot bestaat. Bij veel wind en zon en een lage elektriciteitsvraag ontstaan regelmatig
grote overschotten, met lage (zelfs negatieve) prijzen tot gevolg. Regelmatig worden ook
duurzame bronnen afgeschakeld bij overproductie.

Het kunnen opslaan van duurzame energie voor andere seizoenen is ‘de heilige graal’ van
de duurzame energie. Belangrijker dan de efficiency van bron tot gebruik is de mogelijkheid
voor seizoensopslag. Daarom zullen ook verschillende technieken in de toekomst gebruikt
worden. All Electric als het kan, biobrandstoffen en waterstof voor grootschalig gebruik en
seizoensopslag.

Voor de productie van groene waterstof bestaan meer mogelijkheden. Zo worden zonnecellen ontwikkeld die water omzetten in waterstof onder invloed van zonlicht. Maar ook vergisting van biomassa biedt aanknopingspunten, vergelijkbaar met de manier waarop bacteriën methaan produceren.

Waterstof als energiedrager

Waterstof heeft per kilogram een hoge energie-inhoud: ca. 140 MJ/kg. Voor aardgas is dat ongeveer 42 MJ/kg. Maar omgekeerd is de energie-inhoud per volume veel lager, minder dan 1/3de van aardgas en een kwart voor benzine. Compressie is dus nodig om voldoende energie te kunnen transporteren en momenteel is dat kostentechnisch een grote beperking.

De opslag van energie wordt als kansrijke toepassing voor waterstof gezien. Duurzaam geproduceerde energie omgezet in waterstof kan dan voor lange perioden opgeslagen worden in bijvoorbeeld lege gasvelden of in zoutkoepels. Op deze wijze kunnen grote
hoeveelheden duurzame energie worden opgeslagen. Voor Nederland is seizoensopslag wenselijk om gedurende de winter over voldoende energie voor verwarming te kunnen beschikken.

Het gebruik van waterstof als brandstof in een brandstofcel is een andere mogelijkheid. Groene waterstof kan in een fuel cell omgezet worden in elektriciteit en warmte en voor dat proces is de keten CO2-neutraal. Water is dan het voornaamste afvalproduct.

Innovatie en ketenvorming

Interdisciplinaire, open ketensamenwerking is het sleutelwoord voor EnTranCe, proeftuin
van de Hanzehogeschool Groningen en de Energy Academy Europe, als het gaat om
kennisontwikkeling voor het versnellen van de energietransitie. Daarbij is waterstof of de
waterstofeconomie geen doel op zich, maar een middel. Klimaatverandering en afspraken
gemaakt in het ‘Parijs’-akkoord manen tot spoed en grote veranderingen zijn snel nodig om
de voorgenomen transitie waar te maken.

Voor het versnellen van innovatie is interdisciplinaire samenwerking een manier: in plaats
van ontwikkelingen opeenvolgend te laten plaatsvinden, kan door uitwisseling tussen
diverse disciplines ook gelijktijdige ontwikkeling plaats hebben. Met kortcyclische ontwerp-
en ontwikkeltrajecten worden opeenvolgende processen als research, development en
realisatie in elkaar geschoven. Daarnaast kunnen veel bedrijven ook van elkaar leren.
Samen hebben ze veel delen van de puzzel beschikbaar.

Vandaar dat ook het bedrijven-netwerk HydroGreenn door EnTranCe en Stork samen is opgezet. Meer dan 30 bedrijven en instellingen die van elkaar kunnen leren op het gebied van waterstof.

De grootschalige inzet van waterstof en een mogelijke overgang naar een heuse waterstofeconomie is op dit moment nog toekomstmuziek. Maar de bijdrage van waterstoftechnologie aan de energietransitie zal groot zijn en volgens sommigen zelfs bepalend.

Jan-Jaap Aué zegt: “De energie-transitie zal een systeemverandering moeten zijn. Een verandering die technologie, mens en maatschappij raakt. Het gezamenlijk ontwikkelen van een waterstof economie is een fantastische kans om met waterstof als metafoor onze maatschappij te veranderen in een duurzame maatschappij. Daarover ben ik optimistisch.”

Over:

Het lectoraat energietransitie is onderdeel van EnTranCe, het centre of expertise energy van Hanzehogeschool Groningen en is gericht op de systeemveranderingen die nodig zijn om de energietransitie mogelijk te maken. Jan-Jaap Aué en Klaas Jan Noorman werden op 21 februari geïnstalleerd als professor energy transition. Aué is tevens directeur van het Center of Expertise Energy EnTranCe. Deze tekst is een bewerking van zijn rede.

Dit artikel verscheen in EnergieGids 2018 nr. 3.