Door Maarten Legius

Is de productie van groene waterstof economisch haalbaar? Dat onderzocht Enpuls, onderdeel van de Enexis Groep, in samenwerking met TNO en DNV GL. Doel van Enpuls is inzicht te krijgen in de businessmodellen voor groene waterstofproductie en de rol te bepalen van de regionale netbeheerder. Naar eigen zeggen is het onderzoek één van de meest uitgebreide studies naar de economische haalbaarheid van zogeheten elektrolyse in Nederland. De resultaten zijn eind november 2018 gepubliceerd in het rapport “Onderzoek opwek Groene Waterstof”.

Belasting van energienetten opvangen

Enpuls constateert dat er door de energietransitie meer elektriciteit wordt gebruikt en opgewekt. “Dit betekent een zwaardere belasting van de bestaande elektriciteitsnetten, wat kan leiden tot overbelasting. Door dikkere kabels in de grond te leggen – netverzwaring – kan dit probleem ondervangen worden. Echter, dit is zeer kostbaar en kost vaak veel tijd,” aldus Enpuls. Daarom heeft de organisatie onderzoek laten uitvoeren om inzicht te krijgen in mogelijke businessmodellen waarin waterstofproductie uit elektrolyse rendabel zou kunnen zijn en tevens een bijdrage kan leveren aan het voorkomen van “onnodige maatschappelijke investeringen in dikkere elektriciteitskabels”.

Onderzoek beschreven in drie rapporten

Het rapport bestaat uit drie delen. Het zogeheten Rapport 1 beschrijft de diverse productietechnologieën voor groene waterstof. Rapport 2 beschrijft de marktpotentie van waterstof in de energietransitie en werkt vier praktijkvoorbeelden uit: de toepassing van PV-panelen door een groep agrarische bedrijven, de exploitatie van een grootschalig zonnepark, de ontwikkeling van een energiehub op een bedrijventerrein en de industriële toepassing van waterstof in de industrie.

De business case

Rapport 3 geeft inzicht in de business modellen voor de vier praktijkvoorbeelden en de bijbehorende business cases. Uit de analyse blijkt dat de inzet van elektrolyse voor verantwoord netbeheer op dit moment alleen in uitzonderlijke situaties haalbaar is. Hierbij spelen zaken als de aanwezigheid van een lokale afzetmarkt en de bereidheid van afnemers voor groene waterstof te betalen een belangrijke rol. Ook de ontwikkeling van de elektriciteitsprijs is een belangrijke factor.

Kostenindicatie productie groene waterstof

Tot slot hebben de onderzoekers de resultaten nog eens samengevat in een Powerpoint-presentatie. Wij beperken ons hieronder tot Rapport 1, dat de verschillende productietechnieken voor groene waterstof behandelt en tot een uitgebreide kostenindicatie komt.

Drie productiemethoden voor groene waterstof

In het eerste deel van het rapport komen de verschillende productiemethoden voor groen waterstof uitgebreid aan bod. Na overleg met opdrachtgever Enpuls bekeken TNO en DNV GL de volgende drie productiemethoden waarmee groene waterstof kan worden gemaakt:

Biomassavergassing;
Elektrolyse;
Stoom-methaan-reforming (SMR).

Vergassing van biomassa

Vergassing van biomassa zorgt voor een gasmengsel van koolwaterstoffen, waterstof, koolmonoxide, koolstofdioxide en waterdamp. Dit brandbare mengsel wordt ook wel synthesegas of afgekort syngas genoemd. Vanwege de onvolwassenheid van de technologie voor biomassavergassing is het te moeilijk gebleken om een kosteninschatting te maken. De verwachting is echter dat de markt innovaties zal inzetten om de vergassing van biomassa efficiënter te maken en kapitaal- en installatiekosten te verlagen. Verder constateren de onderzoekers dat er vraagtekens bestaan over voldoende beschikbaarheid van biomassa. En als je dan over biomassa beschikt, zijn er dan niet betere toepassingen dan de productie van waterstof, bijvoorbeeld daar waar behoefte is aan koolstof? Denk aan chemische producten en materialen en brandstoffen voor schepen en vliegtuigen.

Elektrolyse

Bij elektrolyse wordt met behulp van elektrische energie water (H₂O) omgezet in waterstof (H₂) en zuurstof (O₂). Er zijn verschillende technische oplossingen om die elektrolyse te realiseren. In het rapport komen drie varianten aan bod:

Alkalyne Elektrolyse (AE): operationele temperatuur ligt tussen de 70 en 90 ºC, de uitlaatdruk is veelal atmosferisch. Hoewel de waterstofpuurheid iets lager ligt dan bij andere elektrolysers, zou de waterstof geschikt zijn voor de meeste toepassingen, waaronder brandstofcellen.
Proton Exchange Membrane (PEM): ook hier ligt de operationele temperatuur rond de 60 – 80 ºC, maar is de uitgangsdruk van het waterstof meestal 30 bar.
Solid Oxide Elektrolyse (SOE): de operationele temperatuur ligt erg hoog, tussen de 700 en 900 ºC. Voordeel van deze methode is dat er hoge rendementen kunnen worden bereikt. De geraadpleegde fabrikanten van elektrolysers (NEL, ITM, Hydrogenics, Siemens) geven echter aan dat hun aandacht momenteel niet bij deze technologie ligt en konden derhalve verder geen informatie verstrekken.

Efficiëntie van de omzetting

Waterstof als energiedrager wordt bij elektrolyse gemaakt uit elektrische energie. Dat gaat uiteraard gepaard met omzettingsverliezen. Het rendement is een verhouding tussen de hoeveelheid ingaande en de hoeveelheid uitgaande energie. Het rendement van een elektrolyser kan worden uitgedrukt als het rendement van een elektrolyser-cel of als die van het hele systeem. In de laatste zijn de verliezen van de randapparatuur nog meegenomen. De meeste fabrikanten geven het rendement van het hele systeem. Voor AE ligt het rendement rond de 80 procent. Voor PEM ligt dat momenteel rond de 73 procent.

Relatie tussen systeembelasting en rendement bij van zowel AE als PEM elektrolysers.

Kosten van de elektrolyser-systemen

Deze getallen gelden bij volledig belasting van het elektrolyser-systeem. Het rendement stijgt bij een lagere belasting. Er zijn dan minder zogeheten weerstandsverliezen. Op basis van de gegevens van de fabrikanten heeft DNV GL een model gemaakt om tot de volgende grafiek te komen voor wat betreft rendement en belasting. Voor PEM is dat gebeurd voor meer jaren.

Kosten per kW waterstofproductie

Alkaline (AE) wordt op dit moment door de onderzoekers gezien als de meest ontwikkelde en meest voordelige elektrolyse technologie. De technologie wordt op de markt aangeboden voor 1.400 euro per KW aan systeemkosten. Die kosten dalen vermoedelijk naar 1.100 euro per kW in de komende 10 jaar en 850 euro per kW in 2040). PEM heeft zich volgens de opstellers van het rapport in de laatste jaren gevestigd als veelbelovende technologie en wordt momenteel vooral ingezet voor lokale waterstofproductie. Capaciteiten variëren tussen enkele kW’s en 2 MW. Testen worden uitgevoerd met cellen van 3 en 5 MW. Net als bij AE kan met meer cellen schaalgrootte worden gecreëerd.

Stoom-methaan-reforming (SMR)

Waterstof kan tot slot ook op locatie uit kleinere stoom methaan reformer installaties worden geproduceerd. Als typische capaciteit wordt tot 150 Nm³ (normaal kubieke meter, red.) waterstof per uur genoemd. In een dergelijke installatie wordt aardgas ontzwaveld en na toevoeging van stoom aan de stoomreformer toegevoerd. Daar wordt koolmonoxide (CO) en waterstof (H₂) geproduceerd als syngas, dat nog wat nabehandelingen ondergaat. De typische efficiëntie van een dergelijke installatie is 72 procent. Het produceert waterstof met een zuiverheid van 99,5 – 99,999 procent. De waterstofdruk is 7 – 25 bar.

De kosten per waterstof productiemethode

Er zijn vele factoren die de uiteindelijke prijs van waterstof bepalen. Daaronder vallen onder meer de kosten voor de te gebruiken energiebron, zoals elektriciteit. Verder natuurlijk de investering in en operationele kosten van de technische installatie. Onderzoekers van DNV GL hebben de integrale productiekosten voor waterstofproductie in 2025 in een grafiek samengebracht voor de verschillende hierboven beschreven productiemethoden.

Ongeveer 2,50 euro per kg waterstof

Daarnaast is een nog veel uitgebreider overzicht gerealiseerd van de kosten van de productie van waterstof, maar dan tevens voorzien van onder meer informatie over de puurheid van de waterstof, investeringskosten, reactiesnelheid en karakteristieke systeemgrootte. Zuiver gekeken naar het kostenaspect komen AE (large) en PEM (met name op middellange termijn) eruit als meest kostenefficiënte methoden voor de productie van groene waterstof. Binnen enkele jaren zou men met PEM ongeveer een prijs kunnen bereiken van € 2,50 per kg waterstof.