Illustration of making of green hydrogen
Waterstof

Industrie opent weg naar groene waterstof

Hoe kan de industrie voldoen aan de klimaatdoelstellingen van Parijs? Duurzaam opwekte waterstof is een van de oplossingen. Sigrid Bollwerk en Arend de Groot van TNO vertellen hoe de zaken ervoor staan en welke perspectieven zogenoemde ‘electrolyzers’ hierbij bieden.

Door Erik te Roller - Beeld: NS+R op 11 jan 2019

De Nederlandse industrie staat voor de enorme opgave haar CO2-uitstoot binnen 31 jaar terug te brengen tot bijna nul. Een opdracht die in lijn is met het Klimaatverdrag van Parijs. Dat kan de industrie voor een belangrijk deel bereiken door de CO2-uitstoot van haar waterstofproductie voor eigen gebruik te voorkomen. Bijvoorbeeld door de CO2 op te vangen en op te slaan (Carbon Capture and Storage, CCS/red), wat een tijdelijke oplossing biedt. Nog mooier is het om waterstof met behulp van duurzame stroom te produceren uit water. Daarvoor zijn grote electrolyzers, ofwel elektrolyse-installaties nodig. Maar hoe ver is de ontwikkeling daarvan? Kunnen die straks concurrerend waterstof produceren?

CO2-voetafdruk

De Nederlandse industrie produceert en verbruikt jaarlijks ongeveer 800.000 ton waterstof. Sommige chemiebedrijven binden waterstof met stikstof uit de lucht tot ammoniak, een grondstof voor kunstmest en sommige kunststoffen. Raffinaderijen gebruiken waterstof om meer lichte brandstoffen uit een vat olie te halen en om oliefracties te ontzwavelen. In de toekomst zullen ze waarschijnlijk nog meer waterstof gaan gebruiken om nog zwaardere oliefracties te kunnen verwerken. “Als de Europese Unie ertoe overgaat de CO2-voetafdruk van brandstoffen op een andere manier te berekenen, namelijk door te kijken naar de voetafdruk van de hele keten, dan wordt het voor raffinaderijen aantrekkelijker om waterstof te produceren met electrolyzers. Bij een hogere CO2-prijs zal dat nog aantrekke­lijker zijn”, zegt Bollwerk, Roadmap Coordinator CO2-neutrale industrie bij TNO-werkmaatschappij ECN.

Duur

De industrie produceert waterstof door aardgas met behulp van stoom en een katalysator om te zetten in waterstof en CO2. Als de sector die waterstof zonder CO2 met groene elektriciteit wil produceren, dan zijn electrolyzers nodig met een totaal vermogen van vijf à tien gigawatt. Dat vraagt dan wel zeven tot vijftien windparken à la Borssele (750 megawatt) op de Noordzee. Die zijn alleen al nodig om de huidige waterstofproductie van de industrie van stroom te voorzien.
Bollwerk: “Op het ogenblik zijn alleen electrolyzers te krijgen van enkele megawatts, hoewel er op bestelling al grotere apparaten worden gebouwd. Je kunt hiermee groene waterstof produceren, maar die is duur vanwege de hoge energiekosten en de hoge aanschafkosten van deze elektrolyse-installaties.” Er zijn vijf à tien fabrikanten van de zogenoemde PEM-electrolyzers in de wereld, waarbij PEM staat voor het gebruikte kunststof membraan (Polymer Electrolyte Membrane). “Die membranen en andere componenten hebben een beperkte levensduur. Om te zorgen dat ze niet vier maanden, maar een jaar of vijf jaar meegaan, passen de fabrikanten dure materialen toe.”

Testen en beoordelen

“Wil er een markt voor electrolyzers van de grond komen, dan zullen ze veel goedkoper en efficiënter moeten worden”, vervolgt Arend de Groot, Power-2-Hydrogen-Expert bij TNO. “Het gaat er vooral om de componenten, waaruit die installaties zijn opgebouwd, van goedkopere materialen te maken zonder afbreuk te doen aan de efficiëntie en levensduur. Een van de knelpunten bij die ontwikkeling is het testen en beoordelen van de alternatieve materialen. Daarvoor zijn kostbare testen van duizenden uren nodig. In het nieuwe Faraday-laboratorium in Petten, dat dit jaar opengaat als onderdeel van het Voltachem-programma voor elektrificatie van de chemische industrie, kunnen we de materialen veel sneller testen. Doel is om na een maand of drie te kunnen voorspellen hoe het materiaal zich gedraagt na grofweg vijf jaar. Ondertussen zijn we ook in internationaal verband bezig de testprotocollen binnen Europa te harmoniseren. De testen doen we niet op eigen houtje, maar in samenwerking met de bedrijven in de toeleveringsketen, zeg maar de bedrijven die de componenten voor electrolyzers leveren. Zij hebben de specifieke kennis en kunnen de resultaten inzetten voor het verbeteren van hun producten. Rond Eindhoven zit een hightech cluster van bedrijven die deze componenten heel goed zou kunnen leveren.”
Tests op wat grotere schaal zullen plaats­vinden bij het Hydrohub-elektrolyse­test­centrum bij EnTranCe van de Hanzehoge­school Groningen. Dat gebeurt in samen­werking met eindgebruikers zoals Gasunie, Nouryon (voorheen de chemietak van AkzoNobel), Shell en het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT).
In het Faraday-laboratorium in Petten kijken onderzoekers straks ook naar electrolyzers met keramische membranen die bij hoge temperaturen werken. Deze zogeheten ‘vaste-oxide-cellen’ bevinden zich in een vroeger stadium van ontwikkeling dan de PEM-cellen, maar beloven een zeer hoog rendement te zullen halen.

Hogere volumes zullen bij electrolyzers tot lagere kosten leiden

Sigrid Bollwerk

Klandizie

Hoe snel zal de prijs van electrolyzers dalen? Bollwerk: “Als je goedkopere componenten eenmaal in serie kunt produceren, dan gaan de kosten flink omlaag. Zo is het ook gegaan bij de ontwikkeling van brandstofcellen. PEM-brandstofcelsystemen kostten tien jaar geleden nog vijfduizend euro per kilowatt vermogen. Nu zijn ze bij een volume van 50.000 stuks per jaar te maken voor minder dan zestig euro per kilowatt. Daardoor is de technologie nu breed inzetbaar. In Londen hebben bussen met brandstofcellen in totaal al 25 miljoen kilometer op waterstof gereden zonder problemen. Eenzelfde ontwikkeling kun je verwachten bij electrolyzers. Wel zal het aantal geproduceerde electrolyzers veel minder zijn, denk aan enkele electrolyzers van meer dan honderd megawatt per jaar. Toch zullen hogere volumes ook bij electrolyzers tot lagere kosten leiden.”
Moet de industrie maar rustig afwachten? “Nee, want een keten voor de productie van electrolyzers kun je alleen opbouwen als er zicht is op klandizie van de eindgebruikers”, benadrukt Bollwerk. “Grote bedrijven moeten met andere woorden gecommitteerd zijn om die installaties aan te schaffen. Daarom moeten ook zij betrokken zijn bij deze ontwikkeling. Shell doet dat al door in zijn Rheinland-raffinaderij bij Keulen in 2020 te gaan proefdraaien met een electrolyzer van tien megawatt (zie artikel op pagina 16. Tijdens deze en andere proefprojecten kunnen we al samen met andere partijen werken aan de ontwikkeling van elektrolyzers van generatie 2.0, waarbij we uiteraard de resultaten van de pilots meenemen.”

Gezamenlijk traject

De Groot: “Wat momenteel ontbreekt is een strategie om met de electrolyzers door de valley of death te komen. Dat betekent in deze dat de innovatie alleen kan slagen als er parallel aan het ontwikkelen van betere componenten ook demonstratieprojecten en vroege commerciële toepassingen komen. Dit geeft fabrikanten de gelegenheid de fabricage op te schalen. Dat vraagt om brede samenwerking tussen onderzoeksinstituten zoals TNO, de fabrikanten en de eindgebruikers. De overheid zal moeten helpen met de voorfinanciering van demonstratieprojecten. Maar ze zal dat alleen willen doen als de industrie een duidelijk plan heeft voor de inzet van electrolyzers voor de productie van groene waterstof, inclusief de eerste commerciële toepassingen. De Waterstofcoalitie, een initiatief van netbeheerders, industrie, energiebedrijven, natuur- en milieuorganisaties en wetenschappers, gaat er bij haar plannen vanuit dat er in 2030 electrolyzers zullen opereren met een totaal vermogen van drie à vier gigawatt. Veel grote, industriële bedrijven scharen zich achter die plannen en moeten nu stappen in die richting zetten.”
Bollwerk: “We moeten een gezamenlijk traject uitzetten, dat leidt tot geschikte electrolyzers voor de industrie. Als de keten eenmaal goed is georganiseerd, kan het snel gaan. Zeker als er zicht is op grootschalige toepassing. En zodra er een markt in het vizier komt, zullen meer partijen instappen.”
De vraag naar waterstof zal verder stijgen door nieuwe toepassingen in de industrie, zoals van het vervangen van aardgas voor het opwekken van proceswarmte. Als ook het verkeer en transport deels overschakelen op waterstof, zal de vraag daarnaar nog meer in de lift komen, vooral als ook de binnenvaart overgaat op waterstof.

Balanceren

Volgens Bollwerk en De Groot kunnen de electrolyzers voor de industrie en ook voor Nederland veel meer betekenen dan alleen mooie installaties voor de productie van groene waterstof. “Bij windparken heb je te maken met een sterk wisselend aanbod van elektriciteit, terwijl de vraag naar elektriciteit veel minder fluctueert. Met electrolyzers kan je de stroomvoorziening prima balanceren door ze aan te zetten bij een groot aanbod van goedkope stroom en uit te zetten bij een gering aanbod van duurzame stroom. Wil je het volle profijt hebben van een electrolyzer, dan moet je hem als bedrijf op een flexibele manier kunnen inzetten”, legt De Groot uit.
Een andere mogelijkheid is waterstoffabrieken bijvoorbeeld neer te zetten op plaatsen waar de elektriciteit van windparken aan land komt. Die kunnen de elektriciteit dan ter plekke omzetten in waterstof, dat Gasunie via het gasnet verder het land in transporteert. Dat bespaart de aanleg van nieuwe hoogspanningsleidingen. Geen overbodige luxe, want de uitrol van groene elektriciteit en de elektrificatie van de industrie vergen sowieso een flinke verzwaring van het stroomnet. Ook bieden lokale waterstoffabrieken de mogelijkheid om een buffervoorraad aan windenergie op te slaan in de vorm van waterstof. Gasunie en Tennet kijken daar samen naar.

Gunstige positie

Bij de flexibele inzet van electrolyzers doemen meteen nieuwe obstakels op, want aan- en uitzetten kan de levensduur bekorten. De materialen en componenten moeten dus aan nog hogere eisen voldoen. Ook schiet de waterstofprijs omhoog. Een rekenvoorbeeld van TNO laat zien dat een electrolyzer bij continu bedrijf waterstof kan produceren voor vier euro per kilogram. De kapitaalkosten voortvloeiende uit de aanschafkosten maken daar een kwart van uit. Als de electrolyzer echter driekwart van de tijd stilstaat, kost de waterstof ineens zeven euro per kilogram en nemen de kapitaalkosten daarvan bijna zestig procent voor hun rekening.
De Groot: “Vandaar het belang om goedkopere en efficiëntere componenten te ontwikkelen. Als dat lukt, dan levert dat nieuwe hoogwaardige producten op voor de export, van componenten tot wellicht complete elektrolyzers. We kunnen hierbij profiteren van de gunstige positie van Nederland met windparken op de Noordzee, een grote procesindustrie in de Rijnmond en een groot achterland.”
“Vergroenen betekent dat de industrie moet investeren. Des te meer reden om met z’n allen toe te werken naar een technologie met een goede businesscase. Als de kosten van hernieuwbare energie en ook die van electrolyzers een stuk lager zijn, dan komt die businesscase rond. De kunst is om daar met minimale investeringen naar toe te werken en dat kan in een gezamenlijk traject”, aldus Bollwerk.

Met electrolyzers kan je de stroom­voorziening prima balanceren

Arend de Groot

De Nederlandse industrie stootte in 1990 nog zeventig miljoen ton CO2-equivalenten uit. In 2016 was dit afgenomen tot ruim 55 miljoen ton CO2. Uitgaande van oorspronkelijk beleid zal dit afnemen tot vijftig miljoen ton in 2030. Vanwege het Klimaatverdrag van Parijs zal de industrie de CO2-uitstoot in de komende jaren met een kleine vijftien miljoen ton extra moeten verminderen om in 2030 op de helft van de emissie van 1990 uit te komen, oftewel op 35 miljoen ton CO2.
Om de jaarlijkse CO2-uitstoot tot 2030 met in totaal twintig miljoen ton te verminderen bestaan verschillende opties. De combinatie van elektrificatie en groene waterstof zal daar naar schatting vier miljoen ton aan bijdragen en de afvang en opslag van CO2 zeven miljoen ton. Met groene waterstof moet de industrie nog een hele leercurve doorlopen. Om de doelstelling van 2030 te halen zal ze daarom eerst van grijze waterstof op blauwe moeten overstappen door bij de productie van waterstof uit aardgas de vrijkomende CO2 af te vangen en op te slaan. Ook op de lange termijn zal het ondanks de vergroening van de productie waarschijnlijk noodzakelijk zijn CO2 op te slaan om de temperatuurstijging van de atmosfeer op aarde tot 1,5 à twee graden Celsius te beperken. Ook negatieve CO2-emissie kan daarbij helpen: het opslaan van CO2 afkomstig van de verwerking van biomassa. Dat kan weer een opstapje zijn naar CCU (Carbon Capture and Utilisation/red): de opgevangen CO2 opnieuw in de productieketen brengen als grondstof voor bijvoorbeeld kunststoffen.

Illustration of making of green hydrogen