Goedkope hernieuwbare energiebronnen kunnen van groene waterstof een praktische vervanging voor fossiele brandstoffen maken

Waterstof gemaakt met elektriciteit uit wind- of zonne-energie zou een schone en koolstofneutrale energiebron kunnen zijn. Europa loopt voorop.

Franziska Barczyk

door

• Peter Fairley archiefpagina

24 februari 2021

10 baanbrekende technologieën 2021: groene waterstof

• 
  Waarom het uitmaakt:

  Groene waterstof kan het aardgas, diesel en benzine vervangen dat in schepen, vrachtwagens, bussen en auto's wordt gebruikt.

• 
  Hoofdrolspelers:

  •ThyssenKrupp

  
  
  

  • Verkrijg H2 Nucleus Nowega

  • In de waterstof

  • Siemens

  
  
  

• 
  Beschikbaarheid:

  nutsvoorzieningen

Waterstof is een aantrekkelijke brandstof. Een kilogram waterstof heeft ongeveer drie keer zoveel energie als een vergelijkbare hoeveelheid diesel of benzine. Als het schoon en goedkoop kan worden gemaakt, kan het de sleutel zijn tot het opruimen van een reeks lastige vitale sectoren.

Tegenwoordig wordt de meeste geproduceerde waterstof gemaakt door aardgas te combineren met stoom bij hoge temperaturen. Het is een energie-intensief proces waarbij aanzienlijke hoeveelheden koolstofdioxide worden uitgestoten, het belangrijkste broeikasgas dat de klimaatverandering veroorzaakt. Maar een klein en groeiend percentage wordt gemaakt door water in zijn samenstellende elementen te splitsen door het te zappen met elektriciteit, een proces dat bekend staat als elektrolyse. Dit kost ook veel energie, maar als de elektriciteit uit een hernieuwbare bron komt, zoals wind- of zonne-energie, produceert het minimale schadelijke uitstoot.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2021

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Deze zogenaamde groene waterstof is tegenwoordig ongeveer drie keer duurder om te produceren dan waterstof uit aardgas (voornamelijk methaan, waarvan de moleculen zijn samengesteld uit één koolstofatoom gebonden aan vier waterstofatomen). Maar dat is de helft van wat het 10 jaar geleden kostte. En naarmate de kosten van wind- en zonne-energie blijven dalen en schaalvoordelen rond de productie van groene waterstof optreden, kan het een stuk goedkoper worden. Als dat gebeurt, heeft groene waterstof het potentieel om een ​​kernbrandstof te worden voor een koolstofarme toekomst. Tegelijkertijd kan waterstof, naarmate de technieken voor het afvangen van koolstof worden verbeterd, uit aardgas worden gewonnen zonder dat er zoveel koolstofdioxide in de atmosfeer vrijkomt.

Waterstof is mede door zijn veelzijdigheid waardevol. Het kan worden verbrand als vervanging voor fossiele brandstoffen zoals steenkool, aardolie en aardgas. Deze brandstoffen produceren allemaal koolstofdioxide wanneer ze worden verbrand, terwijl het verbranden van pure waterstof in een turbine alleen maar waterdamp produceert. Het katalyseert echter ook de productie van schadelijke stikstofoxiden vanwege de hoge temperaturen. Een andere manier om waterstof te gebruiken is in brandstofcellen, die waterstof combineren met zuurstof om water en elektriciteit te creëren - het omgekeerde van elektrolyse - zonder stikstofoxiden te produceren.

Verwant verhaal

Hoe dalende zonnekosten de hoop op schone waterstof hebben doen hernieuwen Terwijl landen de harde wiskunde doen om hun klimaatdoelen te halen, lijkt groene waterstof steeds belangrijker te worden.

Waterstof kan voertuigen aandrijven, waaronder auto's, bussen, treinen en vliegtuigen, hetzij door brandstofcellen, hetzij door het rechtstreeks te verbranden. Het verbranden van waterstof kan ook koolstofvrije warmte leveren voor gebruik in staalfabrieken, cementfabrieken en andere industrieën. En groene waterstof kan de waterstof vervangen die al als grondstof wordt gebruikt in alles, van raffinaderijen tot kunstmestfabrieken, waardoor hun uitstoot van kooldioxide wordt verminderd. Sommige industriële locaties, zoals staalfabrieken en chemische fabrieken, kunnen de geproduceerde zuurstof ook als bijproduct gebruiken.

Ongeacht hoe het wordt vervaardigd, het veilig en betaalbaar opslaan en transporteren van waterstof blijft moeilijk, vooral voor enkele veelbelovende toepassingen zoals de luchtvaart. Daarom is een andere optie om waterstof te combineren met koolstof - dat uit de atmosfeer kan worden opgevangen in een proces dat luchtafvang of uit schoorstenen wordt genoemd - om vloeibare synthetische koolwaterstofbrandstoffen te produceren die gemakkelijker te hanteren zijn dan waterstof. Deze vloeibare brandstoffen kunnen een schonere, vergelijkbare vervanging zijn voor benzine of diesel.

Waterstof kan ook worden gebruikt om energie uit hernieuwbare energiecentrales op te slaan, die vervolgens weer kan worden omgezet in elektriciteit en aan het net kan worden geleverd als de wind wegvalt, er wolken komen of de vraag stijgt.

Met zoveel mogelijke toepassingen, de Internationaal Energie Agentschap (IEA) voorspelt dat tegen 2050 waterstof in meer dan 10% van de wereldwijde energiebehoefte kan voorzien en meer dan 11 miljoen gigawattuur aan energie per jaar kan produceren. Dat vereist meer dan $ 4 biljoen aan infrastructuur voor de productie, opslag en transport van waterstof.

Alleen Europa mikt op 40 gigawatt aan elektrolysecapaciteit tegen 2030. (Dat zou ongeveer 2% zijn van de voorspelling van het IEA voor 2050.) Er is een tsunamigolf van kansen sinds het begin van [2020]. Het is ongelooflijk hoeveel grote en realistische projecten eraan komen, zegt Christoph Noeres, hoofd van de groene waterstofbusiness voor Uhde Chlorine Engineers, een dochteronderneming van het Duitse conglomeraat ThyssenKrupp.

Hoe groen was mijn vallei

Waterstof valleien —regionale projecten die elektrolyse-installaties situeren waar ze meerdere industriële doeleinden kunnen dienen, vormen zich in heel Europa. ThyssenKrupp, in de buurt van Hamburg in Noord-Duitsland, maakt deel uit van een groen waterstofconsortium van € 89 miljoen ($ 107 miljoen), ondersteund door een subsidie ​​van € 30 miljoen van de Duitse overheid. Het geplande project omvat een raffinaderij, een cementfabriek, stroomgeneratoren en een offshore windpark.

Aanvankelijk zal zijn groene waterstof een deel van de grijze waterstof vervangen - zoals van aardgas afgeleide waterstof soms wordt genoemd - dat in de raffinaderij wordt gebruikt. De Duitse groep is vervolgens van plan om waterstof te laten reageren met koolstofdioxide dat is opgevangen uit de cementfabriek om zowel methanol, een chemische grondstof als synthetische vliegtuigbrandstof te produceren.

Ongeveer 240 kilometer (150 mijl) naar het zuidwesten, zal een ander groen waterstofconsortium ontmantelde gaspijpleidingen hergebruiken om waterstofgas te vervoeren. Het consortium is van plan een elektrolyzer van 100 megawatt te bouwen. Van daaruit hoopt het waterstof door een 130 kilometer lang netwerk in het industriële Ruhrgebied te leiden.

Twee soorten elektrolysers maken de meeste groene waterstof. Alkalische elektrolysers dompelen elektroden onder in water dat is gedoteerd met loog of kalium; PEM-elektrolyzers gebruiken een vast membraan waardoor waterstofkernen kunnen stromen.

Als deze pijpleiding een nieuwe bestemming krijgt, kunnen elektrolyzers die zijn aangesloten op oude leidingen uiteindelijk groene waterstof leveren aan bijna alle grote industrieën in Duitsland. Dat zal de druk op het overbelaste elektriciteitsnet van Duitsland verlichten en ook zorgen voor een directe levering van back-upenergie voor donkere, windstille periodes.

2021

10 baanbrekende technologieën

Andere grote projecten starten in Nederland, Italië, Spanje, Frankrijk, Groot-Brittannië, Canada, Australië, Japan en China. In eerste instantie zal de waterstof die deze projecten produceren duur zijn. Het adviesbureau McKinsey schat echter dat groene waterstof in 2030 net zo goedkoop zal zijn als grijze waterstof, dankzij goedkopere elektrolyse en hernieuwbare elektriciteitsopwekking en de stijgende koolstofkosten.

De zon schijnt fel

Wil waterstof zijn potentieel kunnen waarmaken, dan is openbaar beleid cruciaal. Om te beginnen zullen regelgevers of wetgevers beleid moeten opstellen om bestaande aardgaspijpleidingen in staat te stellen ook waterstof te vervoeren - bekend als blending - en verlagingen van de koolstofemissies verplicht stellen om de vraag naar waterstof te genereren.

Een deel hiervan gebeurt al. Duitsland heeft eind vorig jaar een belangrijke wijziging doorgevoerd, waardoor producenten van groene waterstof vrijgesteld zijn van het betalen van bepaalde toeslagen op elektriciteit. Dit was in feite een erkenning van de overheid dat groene waterstof een verlengstuk is van hernieuwbare wind- en zonne-energie. Andere regelgeving die in Duitsland en in heel Europa wordt besproken, zou CO2-reducties vereisen bij raffinaderijen en staalfabrieken en in andere zware industrieën, krachtens de richtlijn hernieuwbare energie van de Europese Commissie.

Jack Brouwer, associate director van het Advanced Power and Energy-programma aan de University of California, Irvine, zegt dat vergelijkbaar beleid nodig is om groene waterstof in de VS op gang te brengen, maar de discussies zijn nog maar net begonnen.

Terwijl Europese regeringen verplichten dat aardgaspijpleidingen groene waterstof accepteren - in hoeveelheden tot wel 12% in volume in Nederland - zijn Amerikaanse gasbedrijven vaak tegen bijmenging.

Het blokkeren van waterstofbijmenging is volgens Brouwer een serieus obstakel. Californië heeft al een regel die bepaalt dat een derde van de waterstof die bij tankstations voor brandstofcelvoertuigen wordt gepompt, afkomstig is uit hernieuwbare bronnen. Maar momenteel is het moeilijk om aan groene waterstof te komen. Brouwer zegt dat als producenten bestaande aardgaspijpleidingen als distributienetwerk zouden kunnen gebruiken, ze op een winstgevende manier meer elektrolyzers zouden kunnen bouwen in afgelegen gebieden met bijzonder winderige of zonnige gebieden.

Er zijn ook nog tal van technische hindernissen te overwinnen. De omvang van wind- en zonne-energie die nodig is om een ​​wereldwijd netwerk van elektrolyse-installaties te laten draaien, is enorm. Brouwer maakt de zaak dat een duurzame toekomst simpelweg onmogelijk is zonder zwaar op waterstof te leunen. Hij zou zomaar gelijk kunnen hebben.