Waterstof ontwikkelingen in volle gang in de energie- en materialentransitie

Denk aan beleid, wet en regelgeving, versnelde opschaling van technologie en kennisdelen vanuit pilot projecten, samenwerking met andere landen en import vanuit buitenland, mobiliteit, transport en opslag op zee, elektrolyse technologie met hogere efficiëntie, lagere kosten en beperken van kritische materialen.

Een gesprek met TNO-waterstof experts Marcel Weeda en Lennart van der Burg.

Geen doel op zich

“Er wordt ongelooflijk veel over waterstof gezegd en geschreven, maar hoe groot de rol van waterstof in de toekomst is, hangt van veel factoren en omstandigheden af. We doen als TNO al vele jaren onderzoek naar de technologieën en toepassingen van dit gas. We kennen de voor- en nadelen. Één ding staat vast: het is een uiterst nuttig middel in de energietransitie maar we moeten ervoor waken het als doel op zich te zien”, zegt Marcel.

In stroomversnelling brengen

Waterstof wordt al heel lang geproduceerd en gebruikt, vooral in de chemische industrie voor de productie van ammoniak en methanol, en voor de raffinage van aardolie. Productie gebeurt nu vooral op basis van aardgas en gaat gepaard met uitstoot van CO₂. Omschakeling naar duurzame bronnen is nodig maar is helaas complex en tijdrovend. TNO onderzoekt hoe die ontwikkeling in een stroomversnelling is te brengen.

Marcel: “Naast vervanging van fossiele waterstof door groene waterstof in de huidige toepassingen is het van belang dat de inzet van groene waterstof als vervanging van fossiele brandstoffen wordt gestimuleerd via wet- en regelgeving voor die toepassingen waar directe elektrificatie niet mogelijk is.

Bestaande technologieën moeten we veel grootschaliger gebruiken voor productie. Nieuwe technologieën voor elektrolyse waar TNO vol op inzet, moeten we versneld ontwikkelen. Dat is essentieel om kosten te beperken en minder kritieke grondstoffen te gebruiken. Op dit gebied werken we nauw samen met het bedrijfsleven en adviseren we de overheid welk beleid het meeste effect sorteert.”

Samenwerking groene waterstof import met buitenland

“TNO werkt nauw samen met het ministerie van EZK aan de  ontwikkeling van groene waterstofketens om waterstof te importen. Daarnaast zijn we een belangrijk adviseur van de Europese Commissie als het gaat om opslag van waterstof”, aldus Lennart.

“Inmiddels zijn er in Spanje samenwerkingsovereenkomsten getekend in aanwezigheid van koning Willem-Alexander, minister Rob Jetten van EZK en TNO-expert Rene Peters. Spanje wordt een belangrijke leverancier van groene waterstof aan Noordwest-Europa en ons land gaat een hubfunctie vervullen om het door te voeren naar onder meer Duitsland.”.

CEO Tjark Tjin-A-Tsoi van TNO reisde mee met een delegatie onder leiding van minister-president Mark Rutte voor bezoeken aan Namibië, Zuid-Afrika en Marokko. Ook hier ging het om samenwerking op het gebied van groene waterstof. Zo is Namibië interessant als exportland voor waterstof en ammoniak, omdat daar veel ruimte is voor zonne- en windenergie en het over een diepzeehaven beschikt. TNO werkt hier samen en deelt kennis met onderzoeksinstellingen en bedrijven over waterstof.

Toepassing waterstof voor mobiliteit

Over de rol van waterstof in het transport over de weg, over water en door de lucht lopen de meningen uiteen. TNO heeft de afgelopen jaren veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om waterstof te gebruiken voor licht en zwaar wegtransport.

Voor personenauto’s lijkt elektrisch rijden het uiteindelijk te gaan winnen, maar voor vracht- en ander zwaar verkeer over lange afstand heeft waterstof wel degelijk potentie. Dat geldt ook voor de scheepvaart. In de luchtvaart lijken de belemmeringen voorlopig groter dan de kansen en zal het eerder in de vorm zijn van synthetische kerosine: groene waterstof met biogene CO₂.

Groene waterstof voor opslag hernieuwbare energie

Zo is elektrificatie, het overstappen door industrieën van fossiele brand- en grondstoffen op elektriciteit, doorgaans te verkiezen boven waterstof. Maar omdat het energieaanbod van zon en wind grillig is, vormt waterstof een noodzakelijke optie om uiteindelijk een variabel aanbod van hernieuwbare energiebronnen in het energiesysteem te krijgen.

“Opslag is dan noodzakelijk om energiezekerheid te bieden en pieken en dalen in het net te voorkomen. Bovendien is waterstof een oplossing daar waar elektrificatie niet mogelijk is en vormt het een belangrijke vervanging voor fossiele grondstoffen in de chemische industrie.

Over opslag hebben we inmiddels vastgesteld dat dit op land in lege zoutcavernes mogelijk is. Dat is tot 2030 afdoende. Maar op weg naar 2050 ontkomen we niet aan opslag offshore in lege gasvelden onder de Noordzee.

Met Energie Beheer Nederland hebben we de haalbaarheid daarvan onderzocht. Technisch lijkt het haalbaar en de pijpleidingen voor het transport liggen er. Wel is er meer onderzoek nodig voordat we deze optie vanaf 2030 kunnen benutten”, aldus Marcel.

Groene waterstof productie op zee

Lennart: “Nederland zet sterk in om waterstof op zee te gaan produceren. Op dit moment wordt nog nergens op de wereld op grote schaal waterstof op zee geproduceerd. Deze ontwikkeling staat pas in het begin. TNO werk met partners aan een eerste pilot project ‘PosHYdon’, waar  een 1 MW electrolyser op een bestaand olie en gas platform wordt gerealiseerd. Deze pilot zal in 2024 operationeel zijn.

Inmiddels heeft de Nederlandse overheid plannen aangekondigd voor een 100 MW en ook  een 500 MW electrolyser op zee. Alleen al op het Nederlandse deel van de  Noordzee hebben we een potentie van 70 Gigawatt wind op zee. Om dit te benutten en te integreren in ons energie systeem zal een deel van de elektriciteit moeten worden opgezet naar waterstof.

Overheidsbeleid

”Er komen vanuit Brussel steeds meer verordeningen en richtlijnen die gevolgen hebben voor het toekomstig gebruik van waterstof, zoals Fit for 55 en de Renewable Energy Directive. Deze richtlijn bevat een verplicht doel voor inzet van groene waterstof in de industrie en voor vervoern. Verder biedt het IPCEI Waterstof instrument (Important Projects of Common European Interest) de mogelijkheid belangrijke projecten vergaand te stimuleren met overheidsgeld.

“Van belang is wel dat er meer aandacht komt voor kennisontwikkeling en kennisdeling zodat we zoveel mogelijk leren van de eerste pilots en demonstratieprojecten. Dat is hard nodig om de ontwikkeling te versnellen maar ook om te leren hoe de veiligheid optimaal is te garanderen.”

“Dit alles gaat richting geven aan beleid en ook aan activiteiten van het bedrijfsleven en investeringen voor de langere termijn. Denk aan infrastructuur die nodig is om de industrie en het transport van waterstof te voorzien. Ook hier geldt weer dat regelgeving niet zozeer is gericht op het stimuleren van waterstof als zodanig maar als middel om de uitstoot van broeikasgassen tussen nu en 2030 met tenminste 55 procent te verminderen. ”

Indirect broeikasgaseffect waterstof

Een van de aandachtspunten voor de komende periode is het nauwkeurig vaststellen van lekkages die zich tijdens productie en transport kunnen voordoen en hoe die zijn te voorkomen.

“Hoewel waterstof op zich schoon is omdat het geen broeikasgas uitstoot tijdens verbranding, staat inmiddels vast dat het de afbraak van het zware broeikasgas methaan in de atmosfeer vertraagt. Daarom wordt waterstof wel een ‘indirect broeikasgas’ genoemd. Hoeveel er van productie tot eindgebruik op welke plekken ontsnapt en hoe je dat kunt tegengaan, moeten we onderzoeken.”

“Er is hier nog veel onbekend, maar als we hier niet voldoende aandacht aan besteden kan zo een deel van de klimaatwinst die groene waterstof oplevert weer tenietgaan. Zeker nu het gas in toenemende mate in grote hoeveelheden via grote pijpleidingen tussen landen en schepen over de wereldzeeën wordt getransporteerd. Hoe meer transport, overslag en conversie, hoe groter de kans dat er in de keten waterstof door lekkage verloren gaat.”

Schaarse materialen en kosten reductie

Groene waterstof is een belangrijk element in de energietransitie. Voor de materialentransitie, het beperken van het gebruik van kritische grondstoffen en de circulaire economie, zijn wel de nodige aandachtspunten.

“Daarom doen we uitgebreid onderzoek naar het optimaliseren van elektrolysetechnologie. Zo zijn we erin geslaagd PEM electrolyse-cellen te ontwikkelen die 200 keer minder van het schaarse materiaal iridium nodig hebben dan de gangbare cellen.”

“Verder werken we samen met Nederlandse high tech bedrijven aan een nieuwe generatie elektrolyse met een circulair ontwerp, hogere efficiëntie en lagere kosten. Zo ontwikkelen we oplossingen om de schaarste aan grondstoffen tegen te gaan. Door dat hier te doen vergroten we ook de kansen voor de Nederlandse maakindustrie en de kans dat de productie van high-tech elektrolysetechnologie en van electrolysers behouden blijft voor Europa.”