Waterstofsamenleving - groene energie

Waterstof maakt Europa groen

Als we van de fossiele brandstoffen af willen, is duurzame energie van zon en wind niet genoeg. Daarom heeft de EU een plan: waterstof moet de laatste witte plekken op de kaart invullen en het Europa van 2050 helemaal groen maken.

Als we van de fossiele brandstoffen af willen, is duurzame energie van zon en wind niet genoeg. Daarom heeft de EU een plan: waterstof moet de laatste witte plekken op de kaart invullen en het Europa van 2050 helemaal groen maken.

Shutterstock & Lotte Fredslund

Het dorp Cappelle-la-Grande in Noord-Frankrijk ziet er heel gewoon uit. Maar het bijzondere is dat leidingen onder de straten niet alleen aardgas vervoeren, maar ook waterstof, gemaakt met energie van windmolens en zonnecellen.

Net als het aardgas wordt het gestookt in de lokale energiecentrale, die stroom en warm water levert aan de circa 8000 inwoners.

Door een deel van het aardgas door groene waterstof te vervangen, valt 7 procent van de CO2-uitstoot van het dorp weg. Dat lijkt niet veel, maar het is een stap naar de totale afschaffing van steenkool, olie en aardgas.

De overstap op waterstof wordt de grootste energierevolutie sinds de industrialisatie.

Het Franse dorp laat dus zien wat groene waterstof de komende decennia voor onze energievoorziening kan betekenen en hoe we het doel van de EU kunnen bereiken: een volledig groen Europa in 2050.

De overstap op waterstof wordt de grootste revolutie in onze energievoorziening sinds steenkool de industrialisatie op gang bracht.

Opslag van zonne- en windenergie

Waterstof is het simpelste en meest voorkomende element in het heelal, dus we kunnen er ongelimiteerd gebruik van maken.

Waterstof wordt toegepast in allerlei chemische verbindingen, zoals water, en zuivere waterstof kunnen we makkelijk isoleren van de zuurstof in watermoleculen. Dit proces, elektrolyse geheten, houdt gewoon in dat er via twee elektroden stroom door water loopt.

Die stroom splitst de watermoleculen in waterstof en zuurstof, die in gasvorm elk bij een elektrode worden opgevangen. Zo kunnen we de elektriciteit die we uit windturbines en zonnecellen halen opslaan tot we die nodig hebben. En dat is van groot belang als we willen overstappen op duurzame energie.

Waterstofsamenleving elektrolyse

De kern van de waterstofsamenleving is elektrolyse, waarbij elektriciteit uit duurzame energiebronnen water (H2O) splijt, met als resultaat zuurstof (O2) en waterstof (H2).

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Zonne- en windenergie is helaas instabiel. Als de zon schijnt en de wind waait, hebben we er genoeg van, terwijl er op bewolkte en windstille dagen te weinig van is.

Als we de stroom opslaan in de vorm van waterstof, kunnen we de elektriciteitsvoorziening stabiel maken zonder die aan te hoeven vullen met energie uit fossiele brandstoffen.

Maar zelfs als we alle auto’s, huizen, winkels, kantoren en bedrijven zo van groene stroom voorzien, nemen we maar 80 procent van de huidige CO2-uitstoot weg.

Zware industrie als cement-, staal- en glasfabrieken hebben hitte nodig die elektriciteit niet kan leveren. Maar we kunnen wel groene waterstof verstoken in gasturbines.

Verder is de productie van kunststoffen, meststoffen en veel chemicaliën nog afhankelijk van olieproducten en aardgas. Ook hier zou de productie van waterstof via de nieuwe elektrolysemethoden kunnen helpen, en tevens groene brandstof voor vliegtuigen leveren.

Elektrolyse geeft ons zuivere waterstof en groene producten

Elektriciteit van zon en wind kan water splitsen in zuurstof en waterstof. Als CO2 in het water gepompt wordt, creëert elektrolyse klimaatneutrale brandstoffen. En door toevoeging van stikstof ontstaat groene mest.

Waterstofsamenleving waterstof energieopslag
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Zonne- en windenergie omgezet in waterstof

In grote elektrolyse-installaties wordt stroom uit duurzame bronnen als zon en wind gebruikt om watermoleculen te splitsen in zuurstof (O2) en waterstof (H2). De waterstof wordt een energieopslag waaruit we kunnen putten wanneer de bronnen te weinig leveren.

Waterstofsamenleving broeikasgas groene brandstof
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Broeikasgas wordt groene brandstof

CO2 uit elektriciteitscentrales of uit de atmosfeer kan een groene hulpbron worden. De elektrolyse-installatie splitst water en CO2 in atomen, waarna koolstof en waterstof in ketens samengaan tot bijvoorbeeld benzine of kerosine (C10H22).

Waterstofsamenleving stikstof groene kunstmest
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Stikstof uit de lucht wordt groene kunstmest

Groene waterstof uit de elektrolyse van water kan ook reageren met stikstof (N2) uit de lucht. Het resultaat is ammoniak (NH3), dat gebruikt wordt in mest en andere producten. Nu maken we ammoniak uit aardgas in een energieverslindend proces.

Met al deze maatregelen zullen we veel meer waterstof nodig hebben dan we kunnen produceren uit het stroomoverschot van zonnige en winderige dagen. Wil de waterstofsamenleving in 2050 een feit zijn, dan zal een vijfde van onze stroomproductie naar elektrolyse moeten gaan.

Waterstof voor het zware verkeer

Een paar jaar geleden leek het erop dat de waterstofsamenleving zou beginnen met waterstofauto’s, die meer bereik hebben dan elektrische auto’s en snel kunnen tanken. Nu zetten vooral Japan, Zuid-Korea en China in op waterstofauto’s, en samen verwachten deze landen in 2030 een paar miljoen personenauto’s op waterstof te hebben rijden.

Waterstofsamenleving blauwe Toyota

Waterstofauto’s hebben een veel groter bereik dan elektrische auto’s. De Toyota Mirai heeft het record. Hij reed 1360 kilometer op één tankbeurt, die maar vijf minuten duurde.

© Toyota

Ondanks de voordelen van waterstofauto’s lijken elektrische auto’s in Europa te winnen. Die gebruiken groene stroom efficiënter omdat de stroom niet hoeft te worden omgezet in waterstof en weer terug.

Bovendien hebben elektrische auto’s dankzij verbeterde accu’s nu een bereik van 300-550 kilometer, wat voor de meeste mensen voldoende is.

De EU beschouwt waterstof echter als de beste groene brandstof voor zwaar vervoer met grote vrachtwagens, die genoeg ruimte hebben voor waterstoftanks en de brandstofcellen die de energie van waterstof omzetten in vermogen voor de elektromotor.

Waterstof is ook geschikt voor stadsbussen en lokale treinen. Bovendien wil de rederij DFDS een veerboot op waterstof ontwikkelen die tussen Kopenhagen en Oslo kan worden ingezet.

Waterstofsamenleving DFDS waterstofveerboot

De rederij DFDS heeft plannen voor een waterstofveerboot die wordt aangedreven door brandstofcellen, die tot 23 megawatt kunnen leveren. Als het lukt, zal de veerboot een icoon van de waterstoftechnologie worden.

© DFDS/Shutterstock

Ook is waterstof geschikt voor graafmachines en hijskranen in de bouw en zware machines in landbouw en bosbouw. Die voertuigen gebruiken zo veel energie dat hun accu’s met elektriciteit te snel leeg zouden raken en het opladen te lang duurt.

Het verkeer en de bouw zijn dan ook belangrijke sectoren waarin waterstof de witte plekken in ons energienetwerk kan opvullen.

Bij de waterstofstrategie van de EU is het belangrijk om snel een markt op te zetten voor groene waterstof, zodat de ontwikkeling een vlucht kan nemen.

Daarom onderzoeken Frankrijk, Duitsland, Groot-Brittannië, Italië, Nederland en Denemarken nu de mogelijkheid om waterstof bij te mengen in aardgasnetten, zoals in het Franse dorp Cappelle-la-Grande.

Met simpele netwerkaanpassingen kan 20 procent waterstof worden gemengd met het aardgas. Doordat waterstof een lagere verbrandingswaarde heeft dan aardgas, kan 20 procent groene waterstof de CO2-uitstoot van gasgestookte elektriciteitscentrales 15 procent verminderen.

Op termijn is het doel veel ambitieuzer. Vanaf 2030 moeten alle nieuwe gasturbines van elektriciteitscentrales in de EU op zuivere waterstof werken.

Blauwe waterstof is de start

Wanneer de productie van groene waterstof in Europa geleidelijk toeneemt, kan zogeheten blauwe waterstof uit Noorwegen een grote rol spelen bij de transformatie van gasnetten, elektriciteitscentrales en zware industrie.

Blauwe waterstof wordt op de gebruikelijke manier uit aardgas gemaakt, maar met een cruciaal verschil. CO2 uit het proces wordt in de zeebodem opgeslagen, zodat het niet vervliegt en het klimaat vervuilt.

Het Noorse staatsenergiebedrijf Equinor heeft plannen voor een pijpleiding van een waterstoffabriek naar een ondergrondse opslagplaats bij het gasveld Troll, waar CO2 uit de waterstofproductie vanaf 2024 zal worden opgeslagen.

Volgens Equinor kan 95 procent van deze CO2-uitstoot 2600 meter diep in de zeebodem worden bewaard.

In eerste instantie zal de blauwe waterstof per tanker naar elektriciteitscentrales en staalfabrieken in Groot-Brittannië, Duitsland, België en Nederland gaan, maar Equinor onderzoekt nu al de mogelijkheid om daar een onderzeese pijpleiding voor aan te leggen.

80 procent van de energie in groene stroom kan al in waterstof worden omgezet.

Terwijl blauwe waterstof zich verspreidt, ontwikkelen onderzoekers nieuwe installaties om groene waterstof efficiënter en goedkoper te produceren.

Tegelijk moeten de waterstoffabrieken veel groter worden, zodat ze niet maar een paar megawatt stroom kunnen omzetten in waterstof, maar vele gigawatts van de zeewindmolenparken en zonne-energiecentrales van Europa kunnen verwerken.

Fabrieken maken waterstof goedkoper

PEM-elektrolysecellen zijn momenteel het meest efficiënt: ze zetten 80 procent van de energie van stroom om in waterstof, en in 2030 zal dat waarschijnlijk 86 procent zijn.

In Groot-Brittannië bouwt het consortium Gigastack nu ’s werelds grootste elektrolyse-installatie, die 100 megawatt stroom van windmolens op zee kan omzetten in groene waterstof – ofwel het stroomverbruik van 100.000 huishoudens.

De centrale krijgt 20 modules die elk 5 megawatt aankunnen. Door de modulaire opzet wordt het makkelijker om elektrolyse-installaties van verschillende grootte te bouwen, waardoor er volgens Gigastack op termijn 40 procent van de prijs af kan.

Waterstofsamenleving elektrolyse-installatie Groot-Brittannië

In Groot-Brittannië zal Gigastack in 2025 een modulaire elektrolysefabriek openen voor de productie van groene waterstof. De centrale zal 100 megawatt stroom verwerken die geleverd wordt door zeewindmolens.

© Gigastack

Nu kost groene waterstof nog twee tot vier keer zo veel als zwarte waterstof uit aardgas, maar de EU verwacht dat de groene variant al in 2030 kan concurreren in regio’s met toegang tot goedkope stroom.

Als de waterstofproductie toeneemt, moeten we plekken vinden om het op te slaan. En de bodem komt ons te hulp. Waterstof kan als gas worden opgeslagen in holtes in zogeheten zoutcavernes, een kilometer onder de grond.

Zoutcavernes zijn ballonvormige formaties die door de lage dichtheid van het zout naar boven komen. De methode wordt sinds de jaren 1970 in de VS en Groot-Brittannië gebruikt om zwarte waterstof op te slaan voor gebruik in raffinaderijen.

Geologische studies tonen aan dat de Europese bodem genoeg opslagcapaciteit heeft om een toereikend energiesysteem tot stand te brengen als de hele elektriciteitsproductie in 2050 op groene energiebronnen gebaseerd is.

Over 30 jaar zullen ook de witte plekken in ons energieverbruik zijn ingevuld die niet door groene elektriciteit gedekt kunnen worden. Dit geldt vooral voor vloeibare brandstoffen voor vliegtuigen en grote schepen, waarvoor batterijen niet toereikend zijn.

CO2 wordt nieuwe bron

Daar komt een nieuw type elektrolysecel in beeld. De kunst is om van het broeikasgas CO2 een hulpbron te maken.

Als we CO2 samen met water door de elektrolysecellen pompen, zal de stroom alle moleculen in atomen splitsen. Zuurstof uit de reactie wordt uit de cel gegooid, terwijl de koolstof en waterstof samen koolwaterstoffen vormen, zoals kerosine of methanol.

De komende decennia kunnen we het broeikasgas uit de schoorstenen van elektriciteitscentrales – meestal maakt CO2 15 procent daarvan uit – zuiveren.

Later, als elektriciteitscentrales geen CO2 meer uitstoten, zit er nog maar 0,04 procent in de lucht en kunnen we dat afvangen.

De methode heeft het voordeel dat we de CO2-slurpers overal kunnen bouwen, ook aan de kusten waar elektriciteitskabels veel stroom uit offshore windmolenparken aan wal brengen.

Tankers krijgen groene methanol

Of we nu CO2 uit elektriciteitscentrales of uit de atmosfeer gebruiken, de geproduceerde brandstoffen worden klimaatneutraal omdat ze alleen koolstof bevatten die al in de atmosfeer zat, of anders in de lucht zou worden uitgestoten.

Tot nu toe werden deze groene CO2-brandstoffen alleen in kleine proefinstallaties geproduceerd, maar het Deense energiebedrijf Ørsted wil daar verandering in brengen. In 2027 zal CO2 uit een elektriciteitscentrale bij Kopenhagen worden omgezet in kerosine voor vliegtuigen en methanol voor de scheepvaart.

Waterstofsamenleving Avedørecentrale

Vanaf 2027 wordt CO2 uit de rook van de Avedørecentrale in Kopenhagen gefilterd. Via elektrolyse zal het gas worden omgezet in groene vliegtuigbrandstof en in methanol, dat dieselolie voor schepen kan vervangen.

© Thomas Vilhelm/Ritzau Scanpix

De grootste containerrederij ter wereld, Maersk, zal 500.000 ton groene scheepsbrandstof per jaar afnemen.

Energie-eilanden leveren totaalpakket

Fossiele brandstoffen nemen nu 72 procent van het totale energieverbruik in Europa voor hun rekening, dus als we ze volledig willen bannen uit elektriciteitscentrales, vervoer en industrie, dan moeten we veel meer groene elektriciteit gaan produceren.

De klimaatneutrale stroom zal komen van zon, wind, waterkracht, biomassa en kernenergie. De hoofdleveranciers worden grote zonne-energieinstallaties in Zuid-Europa en offshore windmolenparken in de Noordzee.

Rond 2050 zal zeewind goed zijn voor een kwart van de groene stroom in Europa, of 450 gigawatt, ruim een verdubbeling ten opzichte van de huidige zeewindproductie. We kunnen dit bereiken door energie-eilanden te bouwen, waarmee offshore windmolenparken ver uit de kust gebouwd en onderhouden kunnen worden, waar de windomstandigheden optimaal zijn.

In Denemarken is in 2033 het eerste energie-eiland op aarde klaar. Het komt 80 kilometer uit de westkust van Jutland te liggen en zal via onderzeese kabels groene stroom leveren aan Denemarken, Noorwegen, Duitsland en Nederland.

Waterstofsamenleving Noordzee kunstmatig energie-eiland

In 2033 zal een kunstmatig energie-eiland in de Noordzee 3 miljoen huishoudens voorzien van windenergie. Met overtollige stroom wordt onder meer ammoniak gemaakt, dat naar het vasteland wordt verscheept.

© Energistyrelsen

Het eiland zal rusten op betonnen caissons vol zand en 120.000 m2 groot zijn. De zeeturbines kunnen 3 gigawatt opwekken – genoeg om 3,3 miljoen huishoudens van stroom te voorzien.

Later breidt het eiland uit tot 425.000 m2, zeg 64 voetbalvelden, en stijgt de elektriciteitsproductie tot 10 gigawatt.

Het energie-eiland krijgt zijn eigen elektrolyse-installatie, die het periodieke stroomoverschot zal omzetten in groene waterstof en producten op waterstofbasis. Groene ammoniak voor kunstmest bijvoorbeeld, die elektrolyse-installaties kunnen maken met stikstof uit de lucht.

Waterstofnetwerk verbindt Europa

De volgende decennia krijgt de Noordzee meer energie-eilanden die Europa van stroom en waterstof voorzien. Tegen die tijd zal het haalbaar zijn om onderzeese pijpleidingen aan te leggen om de waterstof aan land te brengen, waar het in een nieuw waterstofnetwerk over het continent wordt vervoerd.

In de jaren 2040 kan Europa een waterstofnet hebben met leidingen die lopen van Noorwegen in het noorden via Denemarken en Duitsland naar Italië en Spanje in het zuiden. Een tak zal overdwars lopen van Frankrijk in het westen via Nederland, België en Duitsland naar Polen in het oosten.

Het netwerk wordt een energiesnelweg, die waterstof levert aan nationale netten en ontvangt uit heel Europa en andere werelddelen.

Hele wereld draait op waterstof

Wereldwijd zullen tankers vloeibare waterstof vervoeren van gebieden met een hoge productie van groene stroom naar landen die niet in hun energiebehoeften kunnen voorzien – net zoals olietankers nu ook de oceanen oversteken.

Zo zullen schepen groene waterstof van enorme zonnecentrales in Australië naar het energieverslindende Japan vervoeren.

Waterstofsamenleving tanker met vloeibare waterstof

De huidige olietankers zullen de komende decennia vervangen worden door tankers vol vloeibare waterstof. De scheepsmotoren zullen ook aangedreven worden met groene brandstoffen uit elektrolyse.

© Shutterstock

Alle technologieën om een klimaatneutrale wereld op basis van zon, wind, stroom en waterstof te creëren bestaan al, maar het zal een enorme klus zijn om fossiele brandstoffen in slechts drie decennia uit te faseren en een catastrofale opwarming van de aarde te voorkomen.

Als het lukt, kunnen de inwoners van Cappelle-la-Grande proosten met Franse rode wijn en op het dorpsplein een gedenkplaat oprichten met de tekst: ‘De waterstofsamenleving begon onder de straten van ons dorp.’