Waterstof, heilige graal van de energietransitie?

‘Waterstof’ is de verkorte term die we gemeenzaam gebruiken voor waterstofgas, of nog diwaterstof of moleculaire waterstof (H2 ). Bij verbranding – en waterstof is uiterst brandbaar – kan het uitstootvrije energie produceren. Geen wonder dus dat het potentieel van waterstof als energiebron wordt meegenomen in scenario’s voor een duurzame, koolstofvrije energietransitie. Maar het gebruik van waterstof in dat kader is niet zonder uitdagingen. Dat weet expert Pieter Vingerhoets van onderzoeksgroep VITO-EnergyVille als geen ander.

Specifiek aan waterstof is dat het in de meeste gevallen eerst gemaakt moet worden. Dat kan op twee manieren: door watermoleculen (H2O) via elektrolyse te splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2), of door aardgas (CH4) met behulp van stoom (H2O) te splitsen in waterstof (H2) en kooldioxide (CO2). In het eerste geval kunnen we de verkregen waterstof ‘groen’ noemen als de stroom die voor de elektrolyse gebruikt is, uit duurzame bronnen komt. In het tweede geval komt er CO2-uitstoot bij te pas en spreken we van ‘grijze waterstof’. Kunnen de koolstofemissies van grijze waterstof worden afgevangen en opgeslagen, dan heb je ‘blauwe waterstof’. Vandaag wordt waterstof hoofdzakelijk – en in grote hoeveelheden – gebruikt in de industrie.

Zo is waterstof nodig voor de productie van ammoniak, dat op zijn beurt wordt gebruikt in kunstmest. Raffinaderijen gebruiken waterstof om ruwe olieproducten te ontzwavelen. En bij de productie van chloor komt waterstof vrij dat dan via een leidingennetwerk geleverd wordt aan andere industriële clusters. Maar wat is nu de plaats van waterstof in het klimaatvraagstuk?

‘Die vraag krijg ik heel vaak,’ zegt Pieter Vingerhoets. ‘Voor het antwoord moet je de vraag om te beginnen herformuleren en breder stellen. Hoe moeten we de overgang maken naar een koolstofvrije maatschappij in 2050, en hoe kunnen we dat bovendien op de meest kostenefficiënte manier doen? Dat is de kwestie die mij en mijn collega’s bezighoudt. Om te beginnen is de schaal van de uitdaging enorm. We onderschatten ook de mate waarin we vandaag nog afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen.

De energiebehoeften van de industrie zijn groot – denk aan staal, chemie, cementproductie –, daarbij komen die van het vracht- en personentransport, die voor de verwarming van gebouwen enzovoort. Tel daarbij de niet-energetische emissies van de runderteelt en het mestbeheer in de landbouw en je komt aan een totaal van ruim 110 megaton koolstofuitstoot per jaar in België. Dat is dus wat we zouden moeten reduceren, terwijl we aan de totale energievraag blijven voldoen, én op een economisch verantwoorde manier. Om een concreet voorbeeld met waterstof te geven: als ArcelorMittal zijn hele staalproductie zou doen draaien op groene waterstof – die via elektrolyse wordt verkregen –, dan heeft het bedrijf het equivalent van drie à vier kerncentrales nodig die volcontinu stroom leveren, om aan zijn energievraag te voldoen.’

Hoe zal onze totale energievraag eruitzien in 2050?
‘De verwachting is dat we tot een derde minder energie nodig zullen hebben voor dezelfde geleverde services, maar daarbij zal de vraag naar elektriciteit wel dubbel tot driedubbel zo hoog worden. Ik heb het dan enkel over België en reken de intercontinentale luchtvaart niet mee. Om tot dat punt te geraken hebben we verschillende scenario’s uitgetekend die vooral focussen op de optimalisering van de techno-economische kosten van de transitie. Voor alle duidelijkheid: die scenario’s tonen wat er idealiter moet gebeuren om kostenefficiënt te blijven, en dat is níet wat er vandaag aan het gebeuren is. Het centrale scenario koppelt het potentieel van hernieuwbare energie aan de mogelijkheden van koolstofafvang en -opslag (CCS – carbon capture and storage, red.). Een tweede scenario richt zich nog meer op elektrificatie via windenergie en laat ook de mogelijkheid van kerncentrales open; en een derde scenario gaat uit van heel goedkope import van waterstof.’

Hoe we het best tot koolstofneutraliteit komen, hangt af van de sector waarvoor we de energiebehoefte onder de loep nemen. Welke rol kan waterstof in de verschillende gevallen spelen?
‘Juist. En voor de sector van het residentiële en commerciële vastgoed, voor alle gebouwen en bebouwde omgevingen dus, geef ik meteen al mee dat waterstof een no go is. Je verwarmt geen gebouwen met waterstof, punt. Waarom? Om de eenvoudige reden dat het onbetaalbaar is. Waterstofgas is zo waardevol dat het doodzonde zou zijn om het gewoon zoals aardgas in een gasketel te verbranden. Een warmtepomp rechtstreeks voeden met elektriciteit is viermaal efficiënter dan verwarmen via de verbranding van waterstof, dat je zelf eerst moet produceren met elektriciteit. Dat overleeft geen enkele kosten-batenanalyse. Zoveel mogelijk warmtepompen, dat is duidelijk de richting die we uit moeten voor de verwarming van gebouwen. In stads- of gemeentekernen waar de bebouwing en dus ook de warmtevraag voldoende dicht is, kunnen ook warmtenetten zin hebben. Een warmtenet heeft het voordeel dat je lokaal elektriciteit kunt opwekken en gebruik kunt maken van de restwarmte van industrie, waterzuiveringsstations en dergelijke meer.

Een warmtenet aanleggen kan interessant zijn in de buurt van industriële grootverbruikers van energie. De warmte-inspiratiekaarten die we samen met VITO en de VVSG uitwerkten, leveren wat dat betreft nuttige informatie. Er is nog veel werk, het gaat om complexe projecten en het hele lokale niveau is daarbij belangrijk. Gemeenten ondersteunen bij het aflijnen van lokale randvoorwaarden: is er plaats in de grond, kan de aanleg van een warmtenet gecombineerd worden met openbare infrastructuurwerken om de kosten te beperken, kan een sociale woonwijk aansluiten op het warmtenet?’

Over naar transport. Kan waterstof daar helpen de uitstoot naar nul te brengen?
‘Bij transport is de stelregel: met elektriciteit waar het kan, met waterstof enkel als het nodig is. Voor het wegtransport geldt volledige elektrificatie als meest kostenefficiënte oplossing. Dat is overigens een van de zaken waarmee we vandaag echt op schema liggen, doordat bedrijfswagens zo snel elektrisch worden. Ook voor bussen en licht vrachtvervoer is elektriciteit al rendabel. Voor zware vrachten en lange afstanden zijn we er nog niet, maar dat is een kwestie van tijd, de technologie komt eraan. In elk geval zal hernieuwbare elektriciteit die je rechtstreeks gebruikt om mee te rijden, altijd efficiënter blijven dan elektriciteit produceren om er waterstof mee te maken, en vervolgens die waterstof in de wagen omzetten in elektriciteit om te rijden. Ik voeg er nog aan toe dat een elektromotor driemaal efficiënter is dan een fossielebrandstofmotor.’

‘Let wel, voor de scheepvaart en luchtvaart ligt het anders. Daar zullen we echt moleculen nodig hebben. Maar waterstof is dan niet de enige of de beste mogelijkheid. Terloops gezegd, de zeppelin was de eerste vorm van waterstoftransport, en waterstof dient al als brandstof voor ruimteraketten. Voor de luchtvaart zou om meerdere redenen – waaronder densiteit en transportgemak – een brandstof als synthetische kerosine economisch de betere oplossing kunnen zijn. Die kunnen we met behulp van chemische processen maken uit een combinatie van waterstof en CO2 die afgevangen is uit de lucht, of CO2 van bio-oorsprong. Diezelfde CO2 is met waterstof te combineren tot methanol als mogelijke brandstof in de scheepvaart. Nog een kandidaat daar is ammoniak, verkregen door waterstof te binden met stikstof uit de lucht. Wat het zal worden voor de lucht- en scheepvaart, staat nog niet vast. De proefprojecten lopen volop.’

Op het vlak van energie-intensieve industrie – zie onder meer staal, chemie en petrochemie, kunstmestproductie – maakt België deel uit van de Europese hot spot. Hoe moet de uitstootreductie in de industrie verlopen?
‘Ook de industrie zal veel meer elektrisch gaan doen. Het gebruik van waterstof zal zich vooral situeren in processen waar je niet enkel energie uit de verbranding van waterstof nodig hebt, maar ook de waterstof zelf als grondstof. Een mogelijk voorbeeld is metaalrecyclage. Een must voor de industrie is daarnaast CSS of koolstofafvang en -opslag. Dat zal massaal moeten gebeuren, ook op langere termijn. De industrie investeert daar overigens zelf al in.’

Bij dat alles moet ook de sector van de elektriciteitsproductie zelf kunnen volgen.
‘Ja, en welk scenario je ook volgt voor het hele energiesysteem, de belangrijkste conclusie van de hele denkoefening is altijd dezelfde: hoe meer infrastructuur voor hernieuwbare energie we kunnen bijbouwen in de komende vijf jaar, hoe goedkoper de rekening in het algemeen wordt. Hoe vroeger dat in grote hoeveelheden gebeurt, hoe gunstiger het effect op de productiekosten van elektriciteit, en daarmee ook op de energierekening van de gezinnen en op de competitiviteit van onze industrie. Zo snel mogelijk vooruit met hernieuwbare energie, dat is de boodschap voor beleidsmakers!’

‘Nu neemt de nucleaire stroomproductie af door de geplande sluitingen van kerncentrales, maar in ons ene elektrificatiescenario zie je vanaf 2040 weer kerncentrales opduiken. Ik spreek me niet uit pro of contra, en die discussie is ook ingewikkelder dan ze op het eerste gezicht lijkt, maar ook kerncentrales kunnen een kostenefficiënte bijdrage leveren aan het energiesysteem. Voor de energiebevoorrading in periodes met weinig zon of wind heb je meerdere opties. Batterijopslag kan tekorten van een of twee dagen opvangen, en studies tonen dat mits er goede interconnecties tussen landen bestaan – zonne-energie uit Spanje combineren met windenergie uit de Noordzee, bijvoorbeeld –, je de beschikbaarheid van hernieuwbare energie toch algauw voor tachtig procent kunt verzekeren in luwe periodes. En als er voor de overige tien tot twintig procent geen kerncentrale voorhanden is?

Dan komt waterstof weer in beeld, om elektriciteit te genereren. De efficiëntie van dat proces is abominabel, maar het is een aanvaardbare oplossing als je het maar een paar weken per jaar nodig hebt in je energiesysteem. Ook ammoniak, methanol, biobrandstoffen of synthetisch aardgas zijn in dat geval alternatieven, al was het maar omdat ze gemakkelijk op te slaan zijn.’

In hoeverre zijn onze 2030-doelstellingen voor de energietransitie realistisch? Wat zijn de belangrijkste hinderpalen?
‘Onze studie is een optimalisatie, gemodelleerd op onderliggende technische kosten. Er spelen daarbij maar ook daarnaast heel veel factoren mee. Hoe dan ook liggen we momenteel niet op koers om die doelstellingen te halen. Zo lijkt de massale installatie van warmtepompen voor residentiële verwarming een no-brainer, alleen zijn door de regelgeving in België warmtepompen vandaag niet rendabel, omdat de kosten van gas kunstmatig laag worden gehouden ten opzichte van die van elektriciteit. Terwijl elektriciteit in normale omstandigheden zo’n tweeënhalf keer duurder is dan gas, is ze in ons land viermaal duurder, omdat allerlei zaken zoals groenestroomcertificaten en openbare dienstverplichtingen via heffingen worden verrekend in de elektriciteitsfactuur en niet via de gasfactuur. Dat maakt het voor renoveerders die hun financieel plan opmaken, veel moeilijker om de gasketel links te laten liggen.’

‘De realisatie van windenergieprojecten hier, maar ook elders in Europa wordt vaak geplaagd door vertragingen in het verkrijgen van vergunningen, maar ook door agressieve concurrentie vanwege de VS, die aan bouwers van offshore-windparken veel gunstiger voorwaarden biedt. Bovendien heb je voor windturbines zeldzame aardmaterialen nodig. Fundamenteler is echter dat er voor de netinfrastructuur die nodig is om de energie uit alle geplande windparken te vervoeren en te verdelen, nog te weinig projecten op tafel liggen, laat staan dat ze al zijn uitgevoerd. De ambities voor investeringen in windenergie op de Noordzee zijn enorm, maar het grote plan – inclusief zaken als verbindingen tussen de omliggende landen en onderlinge afspraken over marktmechanismen – is er nog niet. En zelfs dan is de grootste uitdaging niet de zee zelf maar de wijze waarop we de energie die daar wordt opgewekt, naar het binnenland krijgen. Herinner je je het Ventilusproject? Zo hebben we er nog meerdere nodig. Gemeenten spelen een belangrijke rol in die infrastructuurprojecten. Meer zelfs, als ik één taak zou moeten kiezen voor de lokale besturen, de belangrijkste manier waarop ze kunnen bijdragen aan de energietransitie in de komende jaren, dan is dat met stip het faciliteren van netinfrastructuur.’

We begonnen met een vraag over waterstof en kwamen terecht in het grotere plaatje. Welke voorlopige conclusies kunnen we trekken voor beide?
‘Waterstof is al meermaals vergeleken met een Zwitsers zakmes, het werd gepropageerd als een oplossing voor alles: je kunt het verbranden, je kunt ermee rijden, er de industrie mee bevoorraden. Maar, om in dezelfde analogie te blijven, voor elke klus die je in huis te doen hebt, is er afzonderlijk meestal een beter gereedschap beschikbaar dan je Zwitserse zakmes. Zo is het ook voor waterstof. Spits toe op het gebruik van waterstof in sectoren waar het zin heeft, zoals de industrie. Om het transport en de import van de zeer moeilijk te comprimeren waterstof rendabel te houden is het beter te kiezen voor derivaten zoals ammoniak of methanol. Ammoniak kun je rechtstreeks als ammoniak gebruiken in de industrie. De ammoniak weer omzetten naar waterstof is een energie-intensief proces waarbij je 30 procent van de waterstof verliest, en zal niet economisch interessant zijn.’

‘Blauwe waterstof, waarbij je waterstof produceert met gas en de emissies daarvan afvangt en opslaat, zou op korte termijn kostenefficiënt kunnen worden. Betaalbare groene waterstof produceren lukt vóór 2030 niet, simpelweg omdat de hernieuwbare, uitstootvrije energie die we daarvoor nodig hebben te schaars is. De hoofdconclusie? Het belangrijkste is dat eerst de elektriciteit verduurzaamt en dan pas de waterstof. De grootste reducties van koolstofuitstoot realiseren we met duurzame elektrificatie, daarna pas op andere manieren. De regelgeving moet voor die elektrificatie de juiste stimulansen geven. Dat gebeurt vandaag in België nog niet.’ —