Waterstof - Uitdagingen


Het inzetten van waterstof betekent veelal een grote omslag: waterstofauto’s, bijvoorbeeld, vereisen een infrastructuur om te kunnen tanken. De waterstof wordt idealiter groen geproduceerd en dit legt ook druk op de elektriciteitsinfrastructuur: waar komt de groene stroom voor al die waterstof vandaan? Al met al betekent dit dat waterstoftoepassingen aanzienlijke uitdagingen kennen. Hieronder worden enkele van die uitdagingen geschetst.

Productie van groene waterstof


Om waterstof groen te produceren is er duurzame energie nodig. Deze duurzame energie is echter nog maar beperkt aanwezig in Nederland en momenteel is slechts 1% van alle waterstof groen geproduceerd. Als we waterstof dus op grote schaal willen toepassen met als doel CO$_2$-reductie, zal er eerst op grote schaal groene elektriciteit geproduceerd moeten worden. Dit brengt echter ook uitdagingen met zich mee. Kan ons elektriciteitsnet het bijvoorbeeld wel aan wanneer we veel duurzame elektriciteit gaan opwekken?

Daarnaast is Nederland dichtbevolkt en is ruimte schaars: hernieuwbare energieprojecten staan nu al vaak ter discussie vanwege zicht/ruimtegebruik. Om waterstof groen te produceren is dus voor hernieuwbare stroom voldoende ruimte nodig is. De ruimte waarop windturbines en zonneparken gebouwd kunnen worden heeft vaak al een ander bestemmingsplan of er is een gebrek aan maatschappelijk draagvlak waardoor het grootschalig aanleggen van hernieuwbare energie soms een uitdaging is.

Kosten


Momenteel zijn de kosten voor waterstofproductie nog relatief hoog waardoor het op veel gebieden nog geen aantrekkelijk alternatief is. Tegelijkertijd is meer nodig dan de productie van waterstof zelf en dat bemoeilijkt de financiële kant van waterstoftoepassingen. De verwachting is echter dat wanneer waterstof op grote schaal toegepast gaat worden, de prijs sterk zal dalen. Om die prijsdaling te bereiken zal het nodig zijn te investeren in de diverse toepassingen.

Wanneer er naar de kosten van waterstof wordt gekeken, moet er een onderscheid worden gemaakt tussen de kosten voor grijze waterstof en de kosten voor groene waterstof. Grijze waterstof die wordt gemaakt met aardgas kost anno 2021 tussen de €1.50,- en €2,-w per kilogram (dit betreft alleen productiekosten, dus belastingen komen hier nog bij). Groene waterstof is duurder, momenteel nog ca. €6,-w per kg. De verwachting is dat dit bedrag in de komende jaren zal zakken naar ongeveer €3,-w per kilogram. Hiermee is groene waterstof dus een stuk duurder dan grijze waterstof. Ter vergelijking: de prijs van aardgas is (excl. belasting of CO$_2$-heffing) minder dan €1,- per kilogram.

Daarnaast is het ook nog mogelijk om de CO$_2$ die wordt uitgestoten bij de productie van grijze waterstof op te slaan (en dus blauwe waterstof te produceren). De kosten hiervan bedragen ongeveer €0,50,- per kilogram waterstof (Op weg met waterstof 2021w). Blauwe waterstof vereist dus een extra stap t.o.v. grijze waterstof en zal dus altijd duurder zijn, of vereisen dan voor CO$_2$ emissies een flinke prijs moeten worden betaald.

Al met al zijn de prijzen van waterstof op het moment dus nog een stuk hoger dan de prijzen van bijvoorbeeld aardgas. Wanneer puur en alleen naar kosten wordt gekeken is waterstof op het moment dus nog niet bepaald een aantrekkelijke optie, wat een uitdaging vormt wanneer we waterstof op grotere schaal willen gaan toepassen. Tegelijkertijd is er natuurlijk veel meer dan kosten alleen dat een rol speelt en moet de discussie niet alleen gaan over de productiekosten van waterstof.


Figuur 1. Indicatie kosten voor de productie van waterstof, en elektriciteit die daarmee kan worden vervaardigd. Bron: Op weg met waterstof 2021w

Het correct aanduiden van de juiste kosten en de juiste conversie naar energie-eenheden is voor de gegeven cijfers lastig en dit is en blijft moeilijk in de vergelijking van getallen.
• Gaat het alleen om productiekosten? Of wordt ook belasting, transportkosten, en evt. subsidies meegenomen?
• Is het de prijs die een grote partij zou betalen, of voor een kleinverbruiker/huishouden?
• Hoe wordt naar een energie-eenheid omgerekend? Theoretisch/met de vebrandingswaarde van waterstof? Of met de verwachte conversie-efficiency met behulp van bijvoorbeeld brandstofcellen? Maar welke technologie/toepassing wordt dan als uitgangspunt genomen?

De berekening zoals die in figuur 1 is gedaan, gaat als volgt:
• Voor elke waterstofkleur en kostenaanname is met behulp van de onderwarmte (de onderste verbrandingswaarde) van waterstof gerekend en dus wordt de condensatiewarmte niet meegerekend. Dat betekent dat in een situatie waar water als vloeistof het systeem kan verlaten, de kosten lager zijn. Als voorbeeld, de kosten voor grijze waterstof: de lage schatting is 1,50 euro per kg. Met de onderwarmte (zie kentallen-overzicht) van 121 MJ/kg geeft dit 1,50 euro/kg / 121 MJ/kg * 3,6 MJ/kWh = 0,045 euro/kWh zoals in de rechterkolom staat vermeld. Check zelf de eenheden in deze berekening! Uitgaan van de bovenwaarde van 144,8 MJ/kg geeft een aanzienlijk lagere prijs, namelijk 0,037 euro/kWh.
• De berekening voor aardgas is soortgelijk al wordt aardgas, in tegenstelling tot waterstof, verkocht in eenheden van m$^3$. Daarom wordt de verbrandingswaarde van 31,65 MJ/m3 gebruikt, en dat geeft 0,1 euro/m3$^$ / 31,65 MJ/m$^3$ / 3,6 kWh/MJ = 0,011 euro/kWh.
• Elektriciteit is al in kWh, dus dat vereist geen omrekening.

Noot: figuur 1 bevat een slordige typefout in de eenheid m$^3$.

De verwachtingen van hoe de kosten zich de komende decennia gaan ontwikkelen lopen sterk uiteen, zo heeft PBL geïnventariseerd. Het overzicht van de verwachtingen in de literatuur voor 2030 en 2050 staat in figuur 2. PBL beschrijft heel duidelijk in hun rapport waarom deze kosten zo uiteen kunnen lopen.
• Allereerst gaat het om de kosten voor het investeren in de benodigde productiecapaciteit, de kosten voor financiering, de bezettingsgraad van de installaties (als de bezetting hoger is, daalt de prijs per geproduceerde eenheid).
• De aannames omtrent kosten voor stroom, gas/kolen, CO$_2$-heffingen en de kosten voor CO$_2$ opslag.


Figuur 2. Kostenprognose voor de productie van waterstof in 2030 en 2050. Bron: Hoogervorst 2020w

Wordt bijvoorbeeld een overschot aan stroom gebruikt (die dus zeer goedkoop/gratis beschikbaar is) voor groene waterstofproductie? Dat maakt de productie van groene waterstof natuurlijk veel aantrekkelijker. Tegelijkertijd zou dat de bezettingsgraad moeten beïnvloeden (want 'gratis stroom' is niet altijd beschikbaar).

Ook lopen de aannames over gasprijzen sterk uiteen tussen de studies die de basis vormen van dit overzicht. Daardoor lijkt blauwe waterstof soms goedkoper dan grijze waterstof. Maar dat is in principe niet het geval, want voor blauwe waterstof zal altijd een extra stap nodig zijn om CO$_2$ op te slaan.


Veiligheid


Waterstof is geurloos, kleurloos en smaakloos waardoor het voor mensen lastig is om op te merken. Het is echter niet giftig en vormt dus geen gevaar bij inademing. De voornaamste veiligheidsrisico’s van waterstof hebben betrekking op de lage ontstekingsenergie en het feit dat er vaak met een hoge druk wordt gewerkt. Waterstof is daarnaast ook explosief wanneer het zich in een gesloten ruimte bevindt in aanwezigheid van zuurstof en een ontstekingsbron.

Dat waterstof vluchtig is, is bevorderlijk voor de veiligheid van de stof. Doordat waterstof 14 maal lichter is dan lucht, stijgt het met een snelheid van 20 m/sw. Hierdoor kan het bij calamiteiten snel afgelaten worden en blijft de waterstof niet hangen waardoor calamiteiten snel kunnen worden opgelost.

Een voorbeeld van een gebeurtenis waarbij de veiligheid van waterstof een rol speelde is bij de kernramp van Fukushima. Hier ontleedde koelwater zich door zeer hoge temperaturen in waterstofgas, waarbij vervolgens ontploffingen ontstonden en er radioactief materiaal vrijkwam in de atmosfeer, het grondwater en in het zeewater.

Gelijk speelveld


Een vierde uitdaging die wordt ondervonden bij het uitvoeren van waterstofprojecten is een ongelijk speelveld. Veel waterstofinitiatieven lopen tegen grenzen aan doordat er wordt geëist dat de waterstof die wordt gebruikt groen is. Dit is vaak echter nog niet haalbaar omdat het percentage duurzame energie in Nederland nog laag is. Bestaande technologieën, zoals de elektrische auto, kennen vaak niet de eis dat de gebruikte elektriciteit groen moet zijn. Door deze strenge eisen is het lastig om een waterstofinitiatief van de grond te krijgen en wordt vaak toch nog de voorkeur gegeven aan bestaande, ‘oudere’ technologieën. Dit vormt een uitdaging bij de toepassing en ontwikkeling van waterstof technieken.

Wet- en regelgeving, voorschriften


Een laatste uitdaging die momenteel wordt ondervonden is het gebrek aan wet- en regelgeving en voorschriften met betrekking tot waterstof. Doordat waterstof nog een redelijk actueel onderwerp is in de energietransitie is het niet tot nauwelijks opgenomen in de huidige wet- en regelgeving, zoals in de Gaswetw. Dit heeft als gevolg dat er problemen ontstaan wanneer men waterstof in de maatschappij wil toepassen. Het aanvragen van een vergunning voor een waterstoftankstation duurt bijvoorbeeld zo’n 3 – 5 jaar. Daarnaast levert het gebrek aan wet- en regelgeving praktische problemen op. Zo zijn er voor de brandweer nog geen voorschriften over waterstof waardoor zij niet weten hoe zij moeten handelen bij incidenten omtrent de veiligheid van waterstof. Doordat er nog maar weinig regels en voorschriften zijn rondom waterstof lopen veel waterstofprojecten hierop stuk óf lopen deze veel vertraging op.

Opschaling infrastructuur


Het op grote schaal toepassen van waterstof betekent dat waterstofinfrastructuur zal moeten worden opgeschaald. De huidige gasleidingen zullen moeten worden omgezet naar gasleidingen die geschikt zijn voor het transporteren van waterstof. Daarnaast zijn in het Klimaatakkoordw uit 2019 ook doelstellingen opgenomen voor waterstoftankstations. Eén van die doelen is dat er in 2025 in totaal 50 waterstoftankstations in Nederland zijn. Er is dus maar relatief kort de tijd is om een groot aantal waterstoftankstations te bouwen. Dat is tekenend: het tempo waarin waterstof in Nederland moet worden opgeschaald, zowel op het gebied van (groene) productie, de transportcapaciteit (inclusief gebruik van bestaande gasleidingen), alswel de toepassingen is een enorme uitdaging.

Bronnen

Hoogervorst 2020w, Waterstof voor de gebouwde omgeving; Operationalisering in de startanalyse 2020, PBL, PBL-publicatienummer: 4250. Laatst geraadpleegd 13/12/2021
Op weg met waterstof 2021w, Kostenaspecten van waterstof, laatst geraadpleegd 10/12/2021

Laatste wijziging: 12-01-2024
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.