Internationale klimaatafspraken vergen een snelle transitie naar een klimaatneutraal energiesysteem. Recente analyses laten zien dat daarin een belangrijke rol is weggelegd voor waterstof. Het ontwikkelen van een nieuwe energieketen brengt echter grote investeringen en risico's met zich mee. In een studie van CE Delft voor Gasunie en Nuon staan kosten en belemmeringen voor de ontwikkeling van drie typen waterstofketens
centraal: blauwe waterstof (uit aardgas met CCS), groene Nederlandse waterstof (uit windenergie) en groene import waterstof (uit zon). In eerste aanleg liggen er vooral kansen voor de blauwe waterstof, met name in de industrie en elektriciteitsvoorziening. Rond 2030 doet zich een omslagpunt voor waar ook de hernieuwbare vormen van waterstof concurrerend worden, met steeds bredere maatschappelijke toepassingen.
Tekst Frans Rooijers, CE Delft
Kosten en
baten van
waterstof
Internationale klimaatafspraken vergen een snelle transitie naar een
klimaatneutraal energiesysteem. Recente analyses laten zien dat daarin
een belangrijke rol is weggelegd voor waterstof. Het ontwikkelen van een
nieuwe energieketen brengt echter grote investeringen en risico's met zich
mee. In een studie van CE Delft voor Gasunie en Nuon staan kosten en
belemmeringen voor de ontwikkeling van drie typen waterstofketens
centraal: blauwe waterstof (uit aardgas met CCS), groene Nederlandse
waterstof (uit windenergie) en groene import waterstof (uit zon). In eerste
aanleg liggen er vooral kansen voor de blauwe waterstof, met name in de
industrie en elektriciteitsvoorziening. Rond 2030 doet zich een omslag-
punt voor waar ook de hernieuwbare vormen van waterstof concurrerend
w o
rden, met steeds bredere maatschappelijke toepassingen.
nr 3 september 2018 Energie + 13
3-EnergiePlus_waterstof.indd 13 17-09-18 11:46
section
D
e klimaatafspraken in het akkoord van
Parijs vereisen forse en snelle emissie-
reducties van broeikasgassen. Het
huidige kabinet zet in op een emissiereductie
van 49% in 2030 ten opzichte van 1990.
Bovendien richt het kabinet zich op verdere
aanscherping van de Europese emissiereduc-
tie tot 55% voor 2030, als tussendoel in een
streven naar een reductie van 80 tot 95% in
2050. Deze cijfers laten zien hoe groot de uit-
dagingen zijn die voor ons liggen. Naast forse
emissiereducties moet ook de productie van
hernieuwbare energie met een groot aandeel
zon en wind, sterk worden opgevoerd.
Waterstof
De inpassing van zon en wind kan deels wor-
den bereikt door elektrifi catie van producten
en processen, maar daarbij groeit de noodzaak
van opslag en transport van elektriciteit om
vraag en aanbod beter op elkaar af te stem-
men. Waterstof is een bruikbare energiedrager
die zich goed laat opslaan en transporteren, en
die bovendien ook in andere toepassingen kan
worden ingezet zonder emissies van CO
2 of
andere schadelijke gassen. Mede gedreven
door de recente kostendalingen van windener-
gie op zee groeit dan ook de belangstelling
voor de productie en het gebruik van waterstof
uit hernieuwbare elektriciteit. Er zijn echter
alternatieve routes voor waterstofproductie
denkbaar. Voor 2030 heef t CE Delf t in opdracht
van Nuon en Gasunie de haalbaarheid in kaart
gebracht van drie kansrijke ketenconcepten:
? 'blauwe' waterstof uit Noors aardgas, waar- bij vrijkomend CO
2 wordt opgeslagen (CSS);
? 'groene' waterstof uit windenergie van tur- bines op de Noordzee;
? 'groene import' van zonnebrandstof, uit zonne-energie rond de Middellandse Zee.
We bekijken achtereenvolgens het marktpo-
tentieel, de ketenkosten, de belangrijkste
belemmeringen, zodat tot slot het perspectief
op een snelle ketenontwikkeling kan worden
geschetst.
Marktpotentieel
Met een jaarlijkse productie en afzet van 0,8
miljoen ton waterstof heef t Nederland al een
aanzienlijke waterstofmarkt, maar het nog
niet aangeboorde marktpotentieel is vele
malen groter. Het aanboren van dat potentieel
is af hankelijk van het tempo waarin die markt
kan worden ontwikkeld en bedrijven kunnen
omschakelen naar het gebruik van blauwe,
groene of geïmporteerde waterstof. Zo lijkt voor 2030 vooral inzet in de industrie
(feedstock en HT (=hoge temperatuur)-pro-
ceswarmte) en elektriciteitsproductie kans-
rijk, omdat de vereiste aanpassingen in trans-
portsysteem en de procestechnologie relatief
beperkt zijn. Een beperkt potentieel in ver-
keer kan mogelijk ook worden ontsloten,
maar toepassing in de warmtevoorziening van
de gebouwde omgeving (LT-warmte) staat
nog in de kinderschoenen. Op basis van de
huidige inzichten lijkt verdere uitbreiding van
de markt voor waterstof met 0,6 miljoen ton
waterstof (72 PJ/jaar) per jaar tegen 2030
goed haalbaar. Bij inzet van klimaatneutrale
waterstof kan dan een CO
2-emissie-reductie
van 5 Mton/jaar gerealiseerd worden. Recen-
telijk is de rapportage 'Contouren van een
routekaart waterstof ' opgesteld. Hierin wordt
een inschatting voor de toekomstige vraag
naar waterstof gepresenteerd voor 2050 (TKI
nieuw gas, 2018). In de studie wordt een
inschatting gemaakt van technisch goed
inpasbare toepassing van waterstof in de ver-
schillende segmenten van het Nederlandse
energiesysteem en het potentieel gebaseerd
op een inschatting van de toekomstige ener-
gievraag. Omdat voor de inschatting geen
rekening wordt gehouden met beschikbaar-
heid en uitgegaan wordt van toekomstige
energievraag als potentiële vraag naar water-
stof, valt de inschatting in deze rapportage
veruit het hoogste uit van de besproken stu-
dies. Deze analyse komt tot een landelijk
potentieel van 14,1 Mton waterstof.
Ook CE Delf t hanteert een verdere onder ver-
deling naar toepassing, met ongeveer 30% in feedstock en 6 à 7% in elk van de segmenten
mobiliteit, LT-warmte, HT-warmte en elektrici-
teitsproductie. De resterende 41% van het
landelijke potentieel betref t toepassing voor
transportbrandstoffen voor scheep- en lucht-
vaart, wat in de overige studies niet is opge-
nomen. Evenals in geval van de landelijke
inschatting, liggen inschattingen voor ver-
schillende segmenten in deze studie in bijna
alle gevallen substantieel hoger dan in de
andere studies.
Uitzondering hierop zijn toepassing in LT-
warmte en mobiliteit. In het eerste geval
wordt in het hoge waterstofscenario in de stu-
die van CE Delf t een hoger toepassingsvo-
lume berekend, met name vanwege een
lagere inschatting van de besparingen in 2050
in dit segment. Ook speelt mee dat CE Delf t
gas niet persé uit de gebouwde omgeving wil
verdringen als er geen goedkopere alternatie-
ven zijn. Voor woningen in niet-stedelijke
gebieden waar geen warmtenet rendabel is te
exploiteren kan ver warmen met waterstof-
gas, al dan niet in combinatie met een elektri-
sche warmtepomp voor het voor- en nasei-
zoen zorgen voor een aantrekkelijke
verwarmingsoptie, ook omdat het elektrici-
teitsnet niet verzwaard hoef t te worden en
geen gebruik hoef t te worden gemaakt van
dure elektriciteit op momenten dat het in de
winter niet waait.
In het geval van mobiliteit liggen de PBL
inschattingen hoger. In dit geval gaat de TKI-
rapportage uit van het huidige dieselverbruik,
gecorrigeerd voor de ver wachting dat het
energieverbruik van (toekomstige) brandstof-
Figuur 1. Overzicht van potentieel voor toepassing van blauwe of groene waterstof in Nederland.
14 Energie + nr 3 september 2018
3-EnergiePlus_waterstof.indd 14 17-09-18 11:46
cel-elektrische voertuigen op waterstof 50%
lager lig t dan het gemiddelde van de huidige
dieselvoertuigenpotentieel. In de PBL-studie
wordt ver wezen naar waterstof toepassing in
het vrachtverkeer, maar verdere informatie
over ontwikkeling van het vracht verkeer en
veronderstelde brandstofefficiëntie ont-
breekt.
CO 2-emissie
Het idee bestaat dat groene waterstof geheel
CO
2-vrij is. Helaas is dat voorlopig niet zo
omdat niet alleen elektriciteit uit zonne- of
winderenergie zal worden gebruikt. CE Delf t
heef t onder andere LCA's gemaakt van
diverse waterstofroutes en kwam tot de con -
clusie dat blauwe waterstof qua CO
2-eq-emis -
sie zeker niet slecht scoort en dat ten onrechte
h e
t idee bestaat dat groene waterstof uit
elektrolyse CO
2-vrij is. In de figuur is de CO 2-
eq-emissie van waterstof uit elektriciteit in
Nederland 35, respectievelijk 15 kg CO
2 per kg
H2 voor de inzichtelijkheid afgekapt op 5.
Achterliggende gedachte hierbij is dat een
elektrolyser niet alleen elektriciteit van wind -
energie zal gebruiken om voldoende draaiu -
ren te maken en dus elektriciteit van het
g e
hele park gebruikt. In 2030 is gerekend met
een parkgemiddelde van 290 gram CO
2 per
kWh. Als gegarandeerd kan worden dat alleen
elektriciteit van windenergie wordt gebruikt,
neemt de bedrijfstijd af en dus de kosten toe,
maar dan kan wel tot een lagere emissie wor -
den gekomen. In deze analyse is de methode
v a
n de LCA gebruikt zodat de CO
2-emissie van
de gehele keten in kaart is gebracht.
Kostenontwikkeling
Op dit moment heef t de blauwe route veruit
de laagste integrale ketenkosten. Naar ver -
wachting zal de prijs van aardgas in de
k om
ende decennia echter stijgen (WLO-sce -
nario's) en daarmee stijgen de integrale
k e
tenkosten van blauwe waterstof mee. Het
omgekeerde is het geval bij de routes van
groen gas en geïmporteerde zonnebrandstof.
Deze brandstof fen gaan nu nog gebukt onder
hoge kapitaalskosten, maar die zullen
gestaag dalen en zo komen deze hernieuw -
bare routes rond 2030 in dezelfde kosten -
range (2 á 3 euro per kg) als blauwe waterstof.
Belemmeringen
Tegenover dit gunstige kostenvooruitzicht
moeten we echter ook rekening houden met
technische, economische en maatschappe -lijke factoren die de ketenontwikkeling van
w
a
terstof kunnen hinderen:
?
Up
stream (winning, transport en produc -
tie); CO
2-opslag (of fshore CSS) kan bij de
blauwe route op maatschappelijke weer -
stand stuiten. Bij de groene en import route
z i
jn kostenbarrières hier de belangrijkste
belemmeringen.
?
Mi
dstream (opslag en transport); Een trans -
portlijn voor de import van waterstof uit het
M i
ddellandse Zeegebied brengt signifi -
cante investeringen en risico's met zich
m e
e, inclusief eventuele omzettingen naar
en van ammoniak.
? Downstream (distributie en toepassing);
O nderin de energieketen is het potentieel in
de industrie (feedstock, proceswarmte) en
elektriciteitsproductie nog relatief eenvou -
dig te ontsluiten, maar in andere sectoren
z i
jn downstream nog forse technische en
infrastructurele hindernissen te overwinnen.
Voor de blauwe route liggen er met name bar -
rières in het upstream - en het downstream -
segment. In het upstreamsegment kan de
b l
auwe route vooral belemmerd worden door
gebrek aan draag vlak, wat vraag t om maat -
schappelijke dialoog en ontwikkeling van een
a f
wegingskader. In het downstreamsegment
zullen de benodigde aanpassingen in infra -
structuur voor distributie en toepassing van
w a
terstof in de verschillende eindverbruikers -
markten vragen om verdere technische ont -
wikkeling, investeringen en inpassing.
I n h
et geval van de groene route liggen er
vooral belemmeringen in het upstreamseg -ment en downstreamsegment. Er zijn nu nog
h
o
ge kostenbarrières voor deze keten In elek -
triciteitsproductie (hoge kapitaalslasten),
el e
ktrolyse (hoge kapitaalslasten en klein -
schalige modules van 10 tot 20 MW). Richting
2 0
30 zullen deze upstream kostenbarrières
naar ver wachting echter sterk afnemen. In het
downstreamsegment spelen dezelfde belem -
meringen als in het geval van de blauwe route.
T o
t slot zullen voor de zonnebrandstofroute
vergelijkbare belemmeringen optreden als
voor de groene route, maar zullen ook de trans -
portlijnen voor import moeten worden opge -
zet. Daarmee liggen hier dus nog aanvullende
b el
emmeringen in het midstreamsegment.
Hier zal vooral de extra investering die
gemoeid is met de ontwikkeling van een trans -
portlijn voor import relatief zwaar wegen.
V an
uit investeringsperspectief voor ketenont -
wikkeling is het integrale ketenperspectief
v a
n belang, omdat de drie routes sterk ver -
schillen in de mate van samenhang tussen de
ve r
schillende ketenelementen. In dit licht kan
gesteld worden dat financieringsbehoef te en
investeringsrisico's over de keten als geheel
relatief beperkt zijn voor de blauwe route, ter -
wijl die volgens de huidige inzichten voor de
g r
oene route vooralsnog significant hoger lig -
gen tot 2030. Dat geldt in nog sterkere mate
v o
or import van zonnebrandstof, vanwege de
noodzakelijke ontwikkeling van transportlij -
nen. Voordeel van de groene route is boven -
dien dat deze modulair kan worden ontwik -
keld (met modulaire ontwikkeling van
c a
paciteit in upstream). In geval van zonne -
brandstof is dat vanuit de huidige situatie
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
SMR NL2015 SMR NL
2030 SMR N ATR NL
2015ATR NL
2030 ATR N EL. NL
2015EL. NL
2030 EL. N
2015EL. N
2 030
GHG emission [kg CO
2 eq/kg H2]
CO 2eq-emissie van blauwe en groene waterstof
Elektriciteit
Water
Aardgas
Procesemissies
Figuur 2. CO2-eq-emissie van blauwe en groene waterstof. (NL = Nederland, N = Noorwegen, SMR = steam methane
reforming, ATR = autothermal reforming)
nr 3 september 2018 Energie + 15
3-EnergiePlus_waterstof.indd 15 17-09-18 11:46
minder voorstelbaar; de keten zal in zijn
geheel moeten worden opgezet, met vol-
doende schaalgrootte, om de operationele
(keten)risico's beheersbaar te houden.
De blauwe route kan op relatief korte termijn
tegen relatief bescheiden investeringen en
investeringsrisico's worden ontwikkeld. Zo kan
bovendien een snelle start gemaakt worden
met de benodigde ontwikkeling van het down-
streamsegment waar de nodige belemmerin-
gen zullen moeten worden weggenomen. Zo
kan op termijn, richting 2030, ook de vraag-
zijde van de markt worden ontwikkeld. Dat
draag t bij aan de haalbaarheid van de groene
route, die vanaf 2030 tegen relatief beperkte
kosten kan worden ontwikkeld. De risico's voor
de ontwikkeling van de groene keten worden
signifi cant lager als er al goede kansen liggen
in de afzet van waterstof. Nadien mag ver wacht
worden dat ook voor de importroute van zon-
nebrandstoffen de belangrijkste synergievoor-
delen liggen in de ontwikkeling van infrastruc-
tuur en afzetmarkt in Nederland. De investeringskosten van deze route, die een
integrale ketenontwikkeling vereist, zullen dan
wellicht gerechtvaardigd kunnen worden door
de zekerheden in afzet in combinatie met de
relatief lage marginale kosten van productie.
Ontwikkeling van deze keten lijkt daarom pas
op langere termijn richting 2040 realistisch.
Voor alle drie de waterstofroutes liggen er
met name technische en economische belem-
meringen in het downstreamsegment; de ont-
wikkeling van afzetmarkt met bijbehorende
infrastructuur voor distributie en toepassing
van waterstof vragen om verdere technische
ontwikkeling en investeringen bij de eindge-
bruiker. De groene route en de importroute
kennen verder vooral kostenbarrières in het
upstreamsegment, maar die zullen naar ver-
wachting sterk afnemen richting 2030 en
daarna. Tot slot lig t er nog een belangrijke
kostenbarrière in midstream voor de import-
route, vanwege de noodzaak van gelijktijdige
grootschalige investeringen voor ontwikke-
ling van de transportlijn voor import. De structuur van deze belemmeringen biedt
perspectief op synergievoordelen in de gelei-
delijke ontwikkeling van een markt voor kli-
maatneutrale waterstof. Nu al liggen er goede
kansen voor ontwikkeling van de blauwe water-
stof keten. Tijdige ontwikkeling van het down-
stream segment in deze keten kan de toekom-
stige kansen voor de groene waterstof keten
aanzienlijk verbeteren en versnellen. Uit-
gaande van de huidige verwachtingen zullen
tegen 2030 de kosten voor de groene keten vol-
doende zijn gedaald, zodat snelle ontwikkeling
nadien haalbaar wordt. Op de langere termijn,
als de waterstofi nfrastructuur en afzetmarkt in
Nederland tot vollere wasdom is gekomen, wor-
den zo ook de investeringsrisico's die gemoeid
zijn met de grootschalige, gelijktijdige, inte-
grale ketenontwikkeling voor de importroute
beperkt. Zo kan de vereiste investering voor
levering van buitenlandse zonnebrandstoffen
haalbaar worden, en toegang bieden tot her-
nieuwbare waterstof met naar ver wachting sig-
nifi cant lagere productiekosten.
Figuur 3a. Verwachting ontwikkeling integrale ketenkosten van de drie routes.
Figuur 3b. Integrale ketenkosten van blauwe en groene waterstof.
16 Energie + nr 3 september 2018
3-EnergiePlus_waterstof.indd 16 17-09-18 11:46
Voor de blauwe route lig t er een uitdaging in
draag vlakontwikkeling, vanwege beperkt
draag vlak voor CCS-toepassingen en de vrees
voor een lock-in van conventionele brandstof-
fen. Het eerste vraagstuk vereist ontwikkeling
v a
n een gedragen af wegingskader in een
maatschappelijke dialoog en een proces dat
in gang lijkt te zijn gezet met het lopende initi -
atief voor de CCS-routekaart. De vrees voor
l o
ck-in van conventionele brandstoffen in de
blauwe route vraag t om inzet van extra prijs -
prikkels op uiteindelijke transformatie naar
h er
nieuwbare waterstofketens.
Blauwe route als wegbereider
Uit de analyse van belemmeringen volg t dat
groene waterstof nog op alle niveaus in de
energieketen tegen uitdagingen aanloopt, ter -
wijl de blauwe waterstofroute al bijna vrij baan
h e
ef t en alleen downstream om relatief een -
voudige aanpassingen vraag t. De blauwe
r o
ute maakt dus nu al een snelle start van
waterstof toepassingen mogelijk, nagenoeg klimaatneutraal, en in grote volumes. Dit kan
op zijn beurt de verdere ontwikkeling van
ketensegmenten (vooral downstream) uitlok
-
ken, waardoor op termijn de benodigde vraag
n a
ar waterstof wordt opgevoerd. In de luwte
daar van kan de productie van groene water -
stof (Nederlands en import) zich intussen ver -
der ontwikkelen, omdat bij investeerders het
ve r
trouwen groeit in een groeiende markt voor
klimaatneutraale en duurzame waterstof.
Tegen 2030 zou groene waterstof (op basis
van Nederlandse wind of geïmporteerde zon -
nebrandstof ) dan marktrijp moeten kunnen
z i
jn voor verdere uitbouw van de waterstof ke -
ten en uiteindelijke verdringing van de blauwe
w a
terstof. Gegeven de onzekerheden in bij -
voorbeeld de gasprijsontwikkeling zal daarbij
w e
l borging van een dergelijke route naar een
hernieuwbare waterstofketen vereist worden,
bijvoorbeeld in de vorm van ondersteuning en
regulerende maatregelen ter stimulering van
groene waterstofproductie.
Het geschetste perspectief suggereert dat er
kansen liggen voor ketenontwikkeling door een
gefaseerde aanpak van ontwikkeling van de
blauwe route op korte termijn (tot 2030), ontwik -
keling van de groene route op middellange ter -
mijn (2030-2035) en de zonnebrandstof route
n a
dien. Zo kan met relatief beperkt investerings -
risico ingezet worden op ontwikkeling van ver -
schillende ketensegmenten voor de blauwe
r o
ute, die ook in de groene route van nut zullen
zijn. Zo zal beschikbaarheid van ATR-productie -
capaciteit naast de groene keten bij kunnen dra -
gen aan leveringszekerheid en stuurbaarheid,
z o
dat er meer tijd zal zijn voor tijdige ontwikke -
ling van grootschaligere opslagcapaciteit. Ook
k u
nnen de eerste downstreamsegmenten op
korte termijn worden ontsloten met ontwikkeling
van de blauwe route. Zo kan er varing worden
opgedaan met toepassing van blauwe waterstof
in transport en distributie naar energiesysteem -
segmenten waar waterstof al op relatief korte ter -
mijn kan worden toegepast, bijv. als feedstock in
d e i
ndustrie en als klimaatneutrale stuurbare
elektriciteitsproductie.
nr 3 september 2018 Energie + 17
3-EnergiePlus_waterstof.indd 17 17-09-18 11:46
Reacties