Dossier Waterstof

De zichzelf vervullende profetie van waterstof

Europa lijkt vol te gaan voor waterstof. Er zijn in verschillende lidstaten veel plannen voor waterstoffabrieken. Overheden reserveren enorme sommen geld voor steun. En het heeft er alle schijn van dat er een Europese hoofdinfrastructuur – een backbone – voor waterstof komt. Maar hoe zit het met de kosten? Die moeten toch nog fors naar beneden? Een zichzelf vervullende profetie lijkt in de maak.

Wim Raaijen

Waterstof is hot. Een paar jaar geleden begon het met een paar aankondigingen voor groene waterstofprojecten en al iets langer worden grootschalige blauwe projecten voorbereid. Vooral Nederland spant de kroon met het aantal aangekondigde plannen, in de Eemsdelta, Rotterdam, Amsterdam, Zeeland en ook Limburg. Nederland heeft momenteel de meeste plannen, zonder dat er overigens veel finale investeringsbeslissingen zijn gevallen.
Gaat het echter om toezeggingen van de overheid, dan loopt Nederland juist achter op onder meer Duitsland, Frankrijk en recent ook Groot-Brittannië. Die landen hebben al miljarden in het vooruitzicht gesteld voor het succes van waterstof.
Eén conclusie kan alvast worden getrokken: De Europese waterstoflobby heeft zijn werk voortreffelijk gedaan. Dat moeten zelfs de grootste criticasters toegeven. Want op grond van toekomstvoorspellingen, verschillende als-dan-berekeningen en een aantal aanstekelijke ambities hebben vooral multinationals en gastransportbedrijven tal van Europese overheden kunnen overtuigen.
Veel grote systeembedrijven hebben voordeel bij een stevige inzet op waterstof. Vooral gastransportbedrijven zien in waterstof een interessant alternatief voor aardgas. Met wat aanpassingen kan een deel van het bestaande aardgasnet straks waterstof vervoeren door heel Europa. Daarmee is het gevaar van kapitaalvernietiging sterk verkleind. Ook grote chemie- en oliebedrijven zien in groene en blauwe waterstof de mogelijkheid om hun CO₂-uitstoot drastisch terug te brengen, zodat een groot deel van hun installaties intact kunnen blijven. Geen creative destruction, maar vergroening van binnenuit.

Energiedrager
In de waterstofcampagne, maar ook in de discussies rond waterstof gaat het bijna altijd over de rol van het gas als energiedrager en minder over de kwaliteit van grondstof. Waterstof als vervanging van aardgas in huishoudens en rijden op aardgas worden regelmatig als aantrekkelijke voorbeelden aangehaald. Juist deze toepassingen lijken op de korte en middellange termijn geen groot succes te worden. En misschien wel nooit. Om Diederik Samsom in een eerder interview in ons andere blad Petrochem aan te halen: ‘Als natuurkundige ga ik ook altijd uit van de exergie van een brandstof. Met waterstof kan je duizend graden Celsius maken. Je kunt er een raket mee naar de maan sturen. Dan is het suf om met zo’n gigantische brandstof een kamer op twintig graden te brengen. Daar zijn andere oplossingen geschikter voor. Bijvoorbeeld restwarmte van vijftig graden.’

Diederik Samsom: ‘Je kunt met waterstof een raket naar de maan sturen. Dan is het suf om met zo’n brandstof een huiskamer op 20 graden te brengen.’

Adobestock

Met de blauwe variant kan de industrie volgens verschillende experts al op korte termijn grote stappen zetten. Door de CO₂-uitstoot bij steam reforming van aardgas af te vangen en ondergronds op te slaan, kunnen emissies van de bestaande waterstofproductie worden gereduceerd.
Blauw waterstof is gebaat bij een relatief hoge prijs voor CO₂-emissierechten. Dat die momenteel boven de zestig euro per ton ligt, is dus positief. Dat komt al dicht bij de kosten van CCS (carbon capture and storage, red.) voor de industrie. Toch mag die prijs volgens energie-expert René Peters van TNO ook best lager liggen om de industrie aan te zetten om over te stappen van grijze waterstof naar blauw. ‘Zeker als de ETS-prijs van CO₂ sterk fluctueert. Voor de industrie is zekerheid over de kosten van blauwe waterstof belangrijker dan onzekerheid over de CO₂-emissieprijs.’
Aan blauw waterstof zit ook een sterk geografisch component. Niet voor niets heeft Rotterdam grote plannen op dit gebied. De haven heeft daadwerkelijk de mogelijkheid om dichtbij – in lege gasvelden in de Noordzee – CO₂ op te slaan. Bovendien heeft de industrie in de Rotterdamse haven samen ook massa genoeg om een dergelijke grote investering uiteindelijk rendabel te maken

Een markante rol speelt de aardgasprijs. Die schommelt momenteel enorm. Zo is de groothandelsprijs in een jaar tijd verdrievoudigt. Uiteraard hebben de grijze en turquoise route daar ook last van. De grilligheid van de aardgasprijs kan wel een extra stimulans zijn voor de industrie om te elektrificeren of meer haast te maken met de plannen voor groene waterstof.
Er zijn ook plannen om CO₂ uit andere clusters via Rotterdam onder de Noordzee op te slaan. Daar zitten echter ook weer – met name infrastructurele – kosten aan verbonden. De binnenlandse industrie onderzoekt daarom ook andere opties. In die zin heeft bijvoorbeeld Chemelot dezelfde puzzels te leggen als de Duitse chemie in bijvoorbeeld Leverkusen en Ludwigshafen.

Waterstof, brandstofcellen en elektromotoren vormen vormen voor zwaar transport mogelijk een interessante combinatie.

Wim Raaijen

Ook voor personenauto’s lijkt waterstof voorlopig niet het beste alternatief voor benzine en diesel. De batterij-auto heeft inmiddels een aardige voorsprong opgebouwd en de ontwikkelingen op het gebied van accu’s staan niet stil. Ze worden goedkoper en ook de capaciteit neemt toe. De nieuwste elektrische auto’s hebben al een actieradius van 400 tot 500 kilometer en dat neemt alleen maar toe. Ook komen er op den duur alternatieven voor de lithium-ion-batterijen die mogelijk goedkoper zijn en minder afhankelijk van schaarse grondstoffen.
Voor zwaarder transport lijkt dat anders te liggen. Om grote vrachtauto’s, maar ook schepen en zeker vliegtuigen aan te drijven, lijken elektromotoren een interessante optie. Echter, er is enorm veel batterijcapaciteit nodig om de benodigde energie mee te nemen. Al gauw te veel gewicht, zeker voor vliegtuigen. Waterstof, brandstofcellen en elektromotoren vormen dan mogelijk een interessantere combinatie.

Ludwigshafen
Als het om energie gaat, dan lijken er voor de procesindustrie twee belangrijke mogelijkheden om te verduurzamen: waterstof en elektrificatie. Als het gaat om hogetemperatuur-processen, dan is waterstof vooralsnog het enige alternatief voor aardgas. In andere gevallen spelen meer factoren mee. Bijvoorbeeld totale efficiëntie in de keten. Hoe minder conversiestappen er nodig zijn, des te interessanter de energiedrager. In heel veel gevallen lijkt elektrificatie van industriële installaties als winnaar uit de bus te komen. Helemaal als de benodigde stroom duurzaam is opgewekt. Belangrijke factor is ook de netcapaciteit. Voor elektrificatie moeten fabrieken aangesloten zijn aan een stroomnet met een enorme capaciteit. Voor industrieclusters aan zee waar veel duurzaam opgewekte stroom aan land komt, lijkt dat een minder groot probleem dan voor binnenlandse clusters. Niet voor niets pleit Chemelot voor versterking van het elektriciteitsnet in en naar Limburg. In Duitsland investeren BASF en RWE miljarden om meer duurzaam opgewekte stroom richting Ludwigshafen te krijgen.

Grondstof
De strijd tussen de energiedragers kan de realiteit enigszins vertroebelen. Tot 2030 liggen de grootste kansen voor emissieloos waterstof vooral op het gebied van grondstof en hulpstof voor de procesindustrie. Op dat vlak heeft waterstof nauwelijks concurrenten. Bij het ontzwavelen van brandstoffen en de productie van onder andere kunstmest is waterstof onmisbaar. Misschien dat de vraag vanuit de raffinagesector op den duur afneemt, als we steeds meer elektrisch gaan rijden, maar op andere vlakken zal de vraag juist toenemen. Met name op het gebied van nieuwe circulaire processen zal waterstof een belangrijke rol spelen. Bijvoorbeeld bij het chemisch recyclen van plastics. Hydrogeneren is de beste oplossing om fosfor en chloor uit de gemengde stromen kunststofafval te halen. Vergeet ook niet de mogelijkheden om met waterstof de productie van staal significant te vergroenen.

Net als voor blauw is een hoge CO₂-prijs positief voor de groene route. Meer onderscheidend is echter de stroomprijs. Daarmee kunnen ook geografische verschillen ontstaan. Landen als Portugal, Spanje en Marokko hebben veel meer zonuren dan Noord-Europese landen. De kostprijs van zonnestroom tendeert daar nu al naar 1 eurocent per kilowattuur. Zijn er ook nog mogelijkheden voor offshore wind, dan kunnen de relatief dure elektrolyzers een hogere bezettingsgraad krijgen. Voor de Portugese kust zijn bijvoorbeeld mogelijkheden voor drijvende windparken.
De bezettingsgraad van elektrolyzers kan volgens energie-expert René Peters van TNO zeker meespelen. En dat maakt landen als Portugal zeker interessant. Maar we moeten er ons niet op blindstaren, stelt hij. ‘Doorslaggevend wordt de stroomprijs en vooral de momenten dat die heel laag of zelfs negatief is door een overschot aan duurzaam opgewekte energie. Er zijn al berekeningen die laten zien dat die pieken meer invloed hebben op de waterstofprijs en dat de laagste prijs voor waterstof ontstaat bij een lagere bezetting van de elektrolyzers.’
Qua stroomprijs kunnen landen als Nederland en België niet concurreren de zuidelijke landen en ook niet met Scandinavische landen, met hun waterkracht. Toch spelen er andere zaken mee. Wil de Nederlandse en Belgische industrie profiteren van goedkope waterstof uit zuidelijke landen, dan moet die Europese waterstofbackbone er wel komen.

Een andere optie is omzetting naar ammoniak dat vloeibaar per schip kan worden vervoerd. Dat is vooral interessant als de ammoniak dan vervolgens als chemische bouwsteen wordt ingezet, bijvoorbeeld bij de productie van kunstmest. Moet er daarna weer waterstof van worden gemaakt, dan wordt dat mogelijk een kostbare zaak. Elke omzetting levert verlies op en verschepen is aanmerkelijk duurder dan transport via pijpleidingen.
En er speelt nog meer, stelt Peters. Willen we ons elektriciteitssysteem volledig vergroenen, dan hebben we echt waterstof nodig. ‘Er wordt straks bijvoorbeeld steeds meer offshore windenenergie geproduceerd. Die groei kan ons elektriciteitsnet straks niet meer aan. En het versterken van het elektriciteitsnet is niet alleen heel duur, maar kost ook veel tijd. Waterstof biedt een prima mogelijkheid om de overschotten aan opgewekte energie betaalbaar te transporteren en voor langere tijd op te slaan.’
Om de bezettingsgraad van elektrolyzers te vergroten, ziet Peters ook wel mogelijkheden in Noordwest-Europa. Tussen de offshore windturbines is ook nog voldoende ruimte voor drijvende zonneparken, die in combinatie een vlakker productieprofiel genereren.

Ook op het vlak van CCU, het inzetten van CO₂ als grondstof, kunnen veelbelovende innovatieve processen niet zonder waterstof. De meeste innovaties op dit vlak moeten de komende decennia nog tot bloei komen. Denk aan synthetische kerosine, de elektrochemische productie van mierenzuur en artificiële proteïnen voor voeding en voeder. Voor organische producten zullen altijd koolstof- en waterstofbronnen nodig zijn.

Elektrificatie
Uiteindelijk zal het in de toekomst een spel worden van onder andere kostprijs, waarde, situatie, alternatieven en politieke keuzes. Als energiedrager moet waterstof het opnemen tegen andere dragers, maar ook onderling zal er strijd zijn tussen met name groen, blauw, grijs en turquoise waterstof. Waarbij de turquoise variant een interessante black horse is. Onder andere via methaanpyrolyse of plasmatechnologie is waterstof uit aardgas of biogas zonder CO₂-uitstoot, maar met pure koolstof als waardevolle tweede product.
Elke kleur heeft ook een eigen kostendynamiek (zie de uitklapkaders bij dit artikel). Voor de blauwe en turquoise variant blijft de prijs van aardgas of biogas meespelen. Voor turquoise speelt natuurlijk ook de waarde van koolstof mee. Bij groen gaat het vooral om de prijs per kilowattuur duurzaam opgewekte stroom en de ontwikkelingen op het gebied van elektrolyzers.
Voor alle kleuren geldt dat de prijs van CO₂ een belangrijke factor is. Op het moment stijgt die prijs in het Europese emissiehandelssysteem tot historische hoogte van meer dan zestig euro per ton. Dat is positief voor alle vormen van emissieloos waterstof. Maar niet onversneden. Tegelijkertijd helpt die hoge prijs ook elektrificatie van bijvoorbeeld fabrieken verder in de hand. Producenten met een goede aansluiting op het elektriciteitsnet kunnen overwegen om versneld te gaan elektrificeren. Het duurt immers nog even voordat er een significante productie van groen waterstof wordt gerealiseerd, of grote opslagcapaciteit voor CO₂ gereed is.

Urgentie
Een belangrijke intrinsiek versterkende succesfactor lijkt juist in de keuzes van overheden en bedrijven zelf te liggen. Gaan verschillende bedrijven daadwerkelijk hun plannen waarmaken, dan worden de nodige technologieën vanzelf goedkoper en investeringen realistischer. Een kwestie van schaalgrootte. De ontwikkelingen in zonne-energie en offshore wind in het afgelopen decennium hebben dat bijvoorbeeld al aangetoond.
In het verleden hebben overheden vaker het heft in handen genomen. Denk aan de gasificatie van Nederland. Een halve eeuw geleden is het Nederlandse aardgasnet in recordtijd aangelegd. Een belangrijke politieke reden was overigens dat kernenergie nog een enorme belofte was en dat Nederland daarom versneld de aardgasvoorraden wilde verwaarden.
Het klimaat schept momenteel een nog veel realistischere maatschappelijke urgentie en politieke realiteit. Beslissingen die nu worden genomen, zijn bepalend voor de komende decennia en zelfs op een nog langere termijn. Emissieloos waterstof als belangrijke energiedrager en grondstof kan zodoende een zichzelf vervullende profetie worden.

Elke kleur waterstof heeft ook een eigen kostendynamiek.

Adobestock

Ietwat onderbelicht is de ontwikkeling van de derde route. Met methaanpyrolyse en bijvoorbeeld plasmatechnieken is aardgas – of biogas – ook om te zetten in waterstof. Maar dan zonder CO₂-uitstoot, maar met de coproductie van koolstof, ofwel carbon black. Een product waar een groeiende markt voor is.
Net als bij blauw waterstof is een hoge CO₂-prijs positief naast een lage aardgasprijs. Een derde factor die meespeelt is de technologie die nog in ontwikkeling is. Het is nog onduidelijk hoe de kapitaalsinvesteringen van een turquoise waterstoffabriek gaan uitvallen. Positief punt is wel dat de koolstof ook waarde heeft. Dus hoe hoger die is, des te gunstiger dat is voor de kostprijs van waterstof.
Volgens Rajat Bhardwaj van TNO – die zelf ook onderzoek doet naar methaanpyrolyse – is het inderdaad nog moeilijk om turquoise te vergelijken met blauw en groen omdat de nodige kapitaalsinvesteringen nog moeilijk zijn in te schatten.

‘Bij inschattingen moeten we daarom al gauw een fout van ongeveer twintig procent accepteren.’ Bij een prijs van zestig euro per ton CO₂ kan de turquoise route de competitie met de grijze route zeker aan.
Vooral de binnenlandse chemieclusters lijken zich op de turquoise route te storten. Niet verwonderlijk. Ze zijn vaak goed aangesloten op aardgas en bij de productie is aanmerkelijk minder elektriciteit nodig dan bij de groene route. Bovendien is geen opslag van CO₂ nodig, zoals bij de blauwe route. Op de Brightlands Chemelot Campus wordt bijvoorbeeld onderzoek gedaan naar plasmatechnologie en BASF bouwt momenteel al een proeffabriek in Ludwigshafen voor methaanpyrolyse.

Dossier Waterstof

De zichzelf vervullende profetie van waterstof

Blauw: CO2-prijs en geografie

Groen: stroomprijs en infrastructuur

Turquoise: koolstofprijs en binnenlandse sites