Waterstof als nieuwe vorm van duurzame energie
De energietransitie van fossiele naar duurzame energie is ingezet en daarbij worden allerlei middelen ingezet. Van het gebruik van wind- en zonne-energie is iedereen wel op de hoogte, maar het inzetten van waterstof is minder bekend bij het grote publiek. In Groningen is begonnen aan een grootschalig experiment.
Waterstof gaat vermoedelijk een grote rol spelen in onze toekomstige energievoorziening. Het kan worden gebruikt als energiebron voor industrie, vervoer en huishoudens, maar ook als energiedrager en buffer tussen de onvoorspelbare beschikbaarheid van groene elektriciteit enerzijds en de stabiele afname van die elektriciteit anderzijds. De omzetting van duurzame elektriciteit naar waterstof en vice versa is namelijk een schoon en CO2-neutraal proces. Hierover vertellen we graag meer, want bij het Groningse plaatsje Zuidwending vindt een interessant waterstofproject plaats.
Waterstofgas (of kortweg waterstof) is een kleurloos, reukloos en niet-giftig gas. Het komt niet voor in de vrije natuur, maar moet worden aangemaakt, bijvoorbeeld uit aardgas of door middel van elektrolyse. Er zijn verschillende redenen waarom waterstof tegenwoordig zo in de belangstelling staat. Ten eerste omdat het supersimpel te maken is uit water (H2O). Elk watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen (H=Hydrogen) en één zuurstofatoom (O=Oxygen).
Als je stroom door water geleidt (elektrolyse), splitsen de watermoleculen zich en ontstaat er waterstofgas bij de ene pool en zuurstofgas bij de andere pool. De gassen zijn dus makkelijk te maken én op te vangen. Ook met hoge temperaturen kun je water (stoom) splitsen in de twee gassen; dit heet thermolyse. Van aardgas kun je eveneens waterstof maken, maar dat is alleen duurzaam als je de CO2 die als restproduct vrijkomt afvangt en opslaat.
Water als grondstof voor brandstof
De tweede reden voor de interesse in waterstof is dat het in combinatie met zuurstof uitstekend brandt, met water als enige afvalproduct. Zo kun je uit water dus heel eenvoudig letterlijk brandstof maken. Je kunt waterstof ook via een zogenaamde brandstofcel omzetten naar elektriciteit. Het produceren van waterstofgas kost dus wel energie, maar die kan uit duurzame bronnen worden gehaald. Zo kun je tot een duurzame en schone brandstof uit een duurzame bron komen.
Een derde reden voor de focus op waterstof is dat het een geschikte energiedrager is. In plaats van de energie direct te gebruiken, kun je die op verschillende manieren opslaan en vervoeren om op andere plekken en tijdstippen te gebruiken.
Ten slotte is waterstof een grondstof voor allerlei industriële processen, en als die duurzaam kan worden geproduceerd, is dat mooi meegenomen. Waterstof kan aan de andere kant ook een bijproduct zijn van industriële processen. Vaak wordt het gewoon geloosd in de atmosfeer omdat het niet kostenefficiënt kan worden vervoerd. Als het kan worden opgevangen en wel worden gebruikt, heeft dat natuurlijk de voorkeur.
Een van de problemen van waterstof is het brand- en explosiegevaar
-
Tot zover klinkt het allemaal erg aantrekkelijk, maar het is helaas niet alles goud dat er blinkt. Een van de problemen van waterstof als centrale speler in de energievoorziening (een situatie die de waterstofeconomie wordt genoemd) is het brand- en explosiegevaar. Even zoeken op YouTube naar ‘hindenburg’ en het is meteen duidelijk hoe heftig waterstof verbrandt.
Een ander probleem is dat de energiedichtheid van waterstofgas onder atmosferische druk erg laag is. Je hebt erg veel ruimte nodig om waterstofgas onder natuurlijke omstandigheden op te slaan. Dat is onpraktisch voor de opslag en het vervoer. Er moet dus nog iets mee gebeuren om waterstof geschikt te maken voor praktische, dagelijkse toepassingen.
Veilig en efficiënt
Om het volume te verkleinen, kan het gas onder druk worden gecomprimeerd. Een alternatief is om waterstof extreem af te koelen, waardoor het een vloeistof wordt. Zo kan het alsnog worden vervoerd via buizen of weg- en treintransport. Er wordt bovendien geëxperimenteerd met tussentijdse ‘opslag’ in metaalhydriden.
Een techniek die momenteel volop in de belangstelling staat, is de omzetting naar mierenzuur, ofwel methaanzuur (CH2O2). Als je CO2 (uit de atmosfeer) met behulp van elektriciteit laat reageren met waterstof, krijg je mierenzuur. Methaanzuur is een niet-ontvlambare vloeistof en hoewel het erg corrosief is, is het heel bruikbaar om veilig te transporteren en te gebruiken.
Onlangs schreven we al over een project van de TU Eindhoven om elektrische bussen op waterstof te laten rijden via een tank met mierenzuur. Met behulp van een katalysator van ijzer kan het mierenzuur weer worden omgezet in waterstofgas, dat naar een brandstofcel wordt gevoerd. Het enige restproduct is het eerder opgevangen CO2. Met waterstof en CO2 kun je ook methaan (CH4) maken, een brandbaar gas dat bijvoorbeeld aan het aardgasnet kan worden toegevoegd.
Waterstofgas kan ook onder de grond worden opgeslagen in ondergrondse grotten, oude mijnen, holtes in zoutkoepels (cavernes) of uitgeputte olie-en gasvelden. Dat wordt ook al tientallen jaren zonder problemen gedaan door verschillende organisaties over de hele wereld. Niet per se in het kader van energievoorziening, maar gewoon omdat het een goede methode is voor de opslag van grote hoeveelheden waterstof, ongeacht de toepassing. Het is dus een bekende en veilige methode.
©PXimport
Aardgasbuffer Zuidwending
En zo komen we bij het project HyStock bij Zuidwending, een plaatsje nabij Veendam in Groningen. In Zuidwending bevindt zich een ondergrondse aardgasopslag. EnergyStock, een dochterfirma van Gasunie, exploiteert hier vijf grote ondergrondse holtes, zogenoemde cavernes, die zich op zo’n 1500 meter diepte bevinden in zoutkoepels (uitstulpingen van op 2 tot 3 km diepte liggende zoutlagen). Het aardgas dat in de cavernes is gepompt, wordt gebruikt als voorraadbuffer om het verschil in vraag en aanbod van aardgas in Nederland op te vangen.
De cavernes zijn elk 500.000 tot 1.000.000 m3 groot, hebben een doorsnede van 50 tot 80 meter en zijn 300 tot 400 meter hoog. Ze zijn gemaakt door een jarenlang zorgvuldig aangestuurd proces van uitspoeling met water. De pekel die dat heeft opgeleverd is gebruikt voor industriële toepassingen en wegenzout. Meer informatie vind je hier.
Omdat de komende decennia de transitie naar duurzame energievormen zal gaan plaatsvinden, worden als eerste de kolencentrales gesloten. Dat zijn namelijk de meest vervuilende centrales. Om de verminderde kolenstook op te kunnen vangen, zal in eerste instantie meer gas worden gestookt. Om die (tussentijdse) groei op te kunnen vangen, wordt er in Zuidwending de komende jaren een zesde caverne aangemaakt en in gebruik genomen. De capaciteit van de aardgasbuffer wordt dus groter gemaakt. Deze nieuwe caverne wordt ook direct geschikt gemaakt voor de opslag van waterstof.
Het waterstofproject HyStock
Het streven is echter om op langere termijn juist steeds minder gas te gaan gebruiken en zo veel mogelijk over te stappen op duurzame vormen van energie. Naar verwachting zal de behoefte aan aardgasopslag vanaf 2035 afnemen. Vooral wind- en zonne-energie zijn niet stabiel wat betreft beschikbaarheid en moet de opgewekte energie op een of andere wijze kunnen worden opgeslagen – op zijn minst tijdelijk in buffervorm. Waterstof is een prima kandidaat en zoutcavernes zijn ideale opslagruimtes. En aangezien er op termijn minder aardgas zal worden gebruikt, kunnen de lege cavernes te zijner tijd geschikt worden gemaakt voor waterstofopslag. Het ligt echter meer voor de hand dat een van de vier nog te bouwen cavernes direct geschikt wordt gemaakt voor waterstofopslag.
In Zuidwending is een proefproject gestart waarbij voor het eerst in Nederland een installatie wordt opgezet waar op een schaal van 1 megawatt (MW) ervaring kan worden opgedaan met de omzetting van duurzaam opgewekte elektriciteit in waterstof. De voorbereidingen zijn in de zomer van 2017 begonnen en het waterstofproject moet in de tweede helft van dit jaar klaar zijn voor gebruik.
©PXimport
Rondom de installatie zullen ongeveer 12.000 zonnepanelen worden geïnstalleerd met een gezamenlijk vermogen van 2,4 MW (2,4 miljoen watt). Hiervan is 1,4 MW bestemd voor de eigen energievoorziening van de installatie. De resterende 1 MW zal worden gebruikt om groene stroom via elektrolyse om te zetten in waterstof, waardoor ongeveer 17 kg waterstof per uur kan worden gefabriceerd. Na compressie van de waterstof kan het worden vervoerd naar afnemers in bijvoorbeeld de industrie en transport.
Waterstofgas kan ook beperkt worden gemengd met aardgas. De opslag in cavernes is nu nog niet aan de orde, het gaat puur om het ervaring opdoen met op grotere schaal omzetten van groene stroom naar waterstof. Als de proef succesvol verloopt, kan de installatie in combinatie met de opslag in cavernes functioneren als grote waterstof-hub.
De locatie in Groningen is ideaal qua ligging en infrastructuur. Vlakbij ligt een verdeelstation van TenneT, een belangrijk knooppunt in de elektriciteitsvoorziening. Op termijn kan via dit knooppunt duurzame elektriciteit worden aangevoerd, bijvoorbeeld afkomstig van windparken boven de Waddeneilanden. Maar er liggen ook al verbindingen met Denemarken en Duitsland, waardoor tijdelijke overschotten aan wind- en zonne-energie uit die landen in de Nederlandse waterstof-hub verwerkt kunnen worden tot waterstof, om vervolgens tijdelijk in de buffer te worden opgeslagen voor latere omzetting in elektriciteit, of om in waterstofvorm te worden geleverd aan afnemers.
De locatie in Zuidwending is ook ideaal omdat er al een uitgebreide gasinfrastructuur ligt waarlangs waterstof – of een mengsel van waterstof en aardgas – kan worden vervoerd.
Tot slot heeft EnergyStock al de vergunningen voor gasopslag in de cavernes in de zoutberg die onder Zuidwending ligt. Het ligt in de lijn der verwachting dat de cavernes net zo geschikt zijn voor waterstofopslag als voor aardgasopslag, maar dit aspect is ook onderdeel van het proefproject.
Tekst: Jurgen Nijhuis
