Waterstof

Trends rondom de grondstoffen (feedstock)

De energie-efficiency en de CO₂-uitstoot van waterstofproductie hangen sterk af van de gehanteerde productiemethode en de distributiewijze. Twee hoofdroutes om waterstof te produceren zijn: via ‘steam reforming’ (SMR) van (fossiele) methaan of door elektrolyse van water (met behulp van elektriciteit). Afhankelijk van de gebruikte grondstof en de technologie wordt de waterstof aangeduid met een kleur:

• Bij de productie van grijze waterstof wordt gebruik gemaakt van fossiele brandstoffen;
• Blauwe waterstof wordt vervaardigd met dezelfde productiemethode als grijze waterstof, maar de uitgestoten CO₂ wordt afgevangen en opgeslagen (carbon capture & storage, CCS);
• Groene waterstof wordt vervaardigd door elektrolyse op basis van groene stroom (elektrolyse) of via vergassing van biomassa (SMR).

Naast de productieroute is ook de distributieroute van belang voor de energie-efficiency en de CO₂-uitstoot. Over het algemeen onderscheidt men drie distributieroutes:

• Levering middels tube trailers (tankwagens waarin waterstof gecomprimeerd is tot circa 200 bar);
• Transport via pijpleiding;
• Transport van elektriciteit ten behoeve van elektrolyse op de locatie waar de waterstof wordt gebruikt.

Onderstaande tabel geeft een overzicht van de energie-efficiency en de CO₂-uitstoot van enkele relevante waterstofproductie- en distributiemethoden. De energie-efficiency wordt uitgedrukt in de hoeveelheid energie (in MJ) die nodig is om een energie-eenheid waterstof (in MJ_H2) te produceren en te transporteren. De CO₂-uitstoot wordt uitgedrukt in de hoeveelheid CO₂ (in grammen, well-to-tank) die vrijkomt voor eenzelfde hoeveelheid waterstof (in MJ_H2).

Uit de tabel blijkt dat de productie van groene waterstof tot minder CO₂-emissie leidt dan blauwe of grijze waterstof. In het geval van grijze en blauwe waterstof geldt dat elektrolyse (ELE) tot meer CO₂-emissies leidt dan steam-reforming (SMR). Route SMR2 (grijs) waarbij waterstof via tube trailers (tankwagens) wordt vervoerd, is momenteel de meest gebruikte distributiemethode. Volgens het H₂-platform zal dit naar verwachting de komende jaren nog zo blijven. Vanwege de lage CO₂-uitstoot en hoge energie-efficiency is route ELE4 gewenst.

• SMR1 (grijs) - de waterstof wordt opgewekt middels een gecentraliseerde reformer, waterstof transport via pijpleiding en compressie bij het verkooppunt;
• SMR2 (grijs) - de waterstof wordt opgewekt middels een gecentraliseerde reformer, levering van de waterstof middels tube trailers (tankwagens waarin waterstof gecomprimeerd is tot circa 50 bar) en compressie bij het verkooppunt;
• SMR3 (blauw) - vergelijkbaar met SMR 1, maar met carbon capture and storage (CCS);
• SMR4 (groen) - vergelijkbaar met SMR 1, maar door gebruik van biomassa (biogas);
• ELE1 (grijs) - de waterstof wordt opgewekt middels gecentraliseerde elektrolyse, waterstof transport via pijpleiding en compressie bij het verkooppunt;
• ELE2 (grijs) - de waterstof wordt opgewekt middels lokale elektrolyse (grijze stroom), waterstof transport via pijpleiding en compressie bij het verkooppunt;
• ELE3 (blauw) - de waterstof wordt opgewekt middels lokale elektrolyse, waterstof transport via pijpleiding en compressie bij het verkooppunt;
• ELE4 (groen) - de waterstof wordt opgewekt middels gecentraliseerde elektrolyse, waterstof transport via pijpleiding en compressie bij het verkooppunt.

Een verdere toelichting op de hierboven genoemde routes is terug te vinden in de Bijlage Waterstofproductie- en distributieroutes.

In de contouren van een Routekaart Waterstof [TKI NieuwGas, 2018] wordt een transitiepad geschetst voor de overgang van grijze waterstof (SMR2) naar groene waterstof (ELE4). Behalve het feit dat de productie van waterstof nog een ontwikkeling zal doormaken, zal waterstof naar verwachting ook in verschillende marktsegmenten en vervoersmodaliteiten een zogenaamde ingroeiperiode kennen. Ook in de industrie en ander markten voor waterstof zal er een opschaling plaatsvinden. Deze transitie vindt de komende 30 jaar plaats, zoals is weergegeven in onderstaande figuur.

Figuur 2: Mogelijke transitie van waterstofproductie en mogelijke ingroei van waterstof als energiedrager in diverse modaliteiten [TKI NieuwGas, 2018]

De achterliggende gedachte voor een transitie via blauwe waterstof (op basis van aardgasreforming) heeft onder andere te maken met het feit dat bestaande technologie gebruikt kan (blijven) worden, dat op korte termijn een flinke CO₂-reductie bereikt kan worden, en dat de elektrolyse route voor waterstofproductie veel elektriciteit kost en voorlopig nog relatief duur is.

Technologische ontwikkelingen rondom de productie- en distributie van waterstof

De technologische ontwikkelingen rondom de productie en distributie van waterstof richten zich op de volgende vlakken:

• Bevoorrading via pijpleiding of lokale productie om de hoeveelheid voertuigbewegingen voor bevoorrading van tankstations in de hand te houden;
• Waterstof als bouwsteen voor synthetische brandstoffen.

Bevoorrading via pijpleiding en lokale productie van waterstof

Volgens het H₂-platform zullen de meeste waterstoftankstations de komende jaren worden bevoorraad met behulp van tube trailers (tankwagens). Door de lage energiedichtheid van waterstof, kunnen deze tube trailers maar een beperkte hoeveelheid waterstof vervoeren. Daarom zijn voor de bevoorrading van de waterstofstations middels ‘tube trailers’ tot ongeveer 2,3 leveringen per dag per waterstof-vulpunt nodig. Voor een tankstation met drie waterstof-vulpunten zou dit zeven leveringen per dag betekenen. In totaal zou daardoor de hoeveelheid vrachtwagenkilometers in Nederland met 0,5% toenemen [TNO, 2019]. Of dit leidt tot onaanvaardbare veiligheidsrisico’s dient nader te worden geanalyseerd.

Het aantal bevoorradingen per ‘tube trailer’ kan worden beperkt door het realiseren van lokale productie van (groene) waterstof of bevoorrading middels pijpleidingen. Lokale productie van waterstof zou betekenen dat er alleen elektriciteit naar de tankstations wordt geleid en dat deze ter plekke wordt gebruikt om waterstof met behulp van een elektrolyser te produceren. De kosten van dergelijke elektrolysers zijn nog relatief hoog. Waterstoftansport via pijpleidingen gebeurt momenteel al vanuit Rotterdam naar België voor industriële toepassingen. Het waterstofstation bij Rhoon is aangesloten op deze (private) pijpleiding. In de toekomst zouden tankstations mogelijk kunnen worden aangesloten op een eventueel te realiseren waterstoftransportnetwerk ofwel ‘waterstofbackbone’ [Waterstof Coalitie, 2018].

Waterstof als bouwsteen voor synthetische brandstoffen (e-fuels)

Waterstof kan ook gebruikt worden als bouwsteen voor zogenaamde “e-fuels”. Met behulp van een chemisch proces (synthese) kunnen verschillende vloeibare en gasvormige e-fuels worden geproduceerd uit waterstof en CO₂. Voorbeelden van dergelijk e-fuels zijn e-LNG, e-methanol, e-diesel en e-kerosine.

Figuur 3: Productieproces van synthetische brandstoffen [TNO, 2019]

Een voordeel van dergelijke brandstoffen ten opzichte van andere hernieuwbare energiedragers zoals waterstof en elektriciteit is de hogere energiedichtheid. Dit is vooral van belang bij vervoersmodaliteiten die grote afstanden moeten afleggen zonder dat ze tussendoor kunnen tanken, zoals zeescheepvaart en luchtvaart. Technisch kunnen e-fuels ook voor andere modaliteiten ingezet worden. Het is echter de vraag in welke mate deze e-fuels gebruikt zullen worden in het wegverkeer. Belangrijk op te merken is dat de ketenefficiëntie van e-fuels erg laag is.

Dit heeft onder andere te maken met:

• Hoge productiekosten vanwege:
  • Grote hoeveelheid benodigde duurzame elektriciteit;
  • Benodigde productiefaciliteiten;
  • Benodigde ruimte voor elektriciteitsopwekking en brandstofproductie;
  • Beschikbaarheid van CO₂;

• De luchtverontreinigende emissies die vrijkomen bij de verbranding van e-fuels zijn vergelijkbaar met de emissies van de fossiele equivalenten.