Wat is groene waterstof en waarom hebben we het nodig?

De tijd is rijp om het potentieel van waterstof te benutten om een ​​sleutelrol te spelen bij het aanpakken van kritieke energie-uitdagingen. De recente successen van hernieuwbare energietechnologieën en elektrische voertuigen hebben aangetoond dat beleids- en technologische innovatie de kracht hebben om wereldwijde schone energie-industrieën op te bouwen.

Waterstof komt naar voren als een van de belangrijkste opties voor het opslaan van energie uit hernieuwbare energiebronnen met op waterstof gebaseerde brandstoffen die mogelijk energie uit hernieuwbare energiebronnen over lange afstanden transporteren - van regio's met overvloedige energiebronnen naar energie-hongerige gebieden duizenden kilometers verderop.

Groene waterstof kwam naar voren in een aantal toezeggingen voor emissiereductie op de VN-klimaatconferentie, COP26, als een middel om de zware industrie, langeafstandsvracht, scheepvaart en luchtvaart koolstofarm te maken. Overheden en industrie hebben waterstof erkend als een belangrijke pijler van een netto nul-economie.

The Green Hydrogen Catapult, een initiatief van de Verenigde Naties om de kosten van groene waterstof te verlagen, heeft aangekondigd dat het zijn doel voor groene elektrolysers bijna verdubbelt van 25 gigawatt vorig jaar tot 45 gigawatt in 2027. De Europese Commissie heeft een reeks wetgevende voorstellen om de gasmarkt in de EU koolstofarm te maken door de opname van hernieuwbare en koolstofarme gassen, waaronder waterstof, te vergemakkelijken en om de energiezekerheid voor alle burgers in Europa te waarborgen. De Verenigde Arabische Emiraten verhogen ook de ambitie, met de nieuwe waterstofstrategie van het land die erop gericht is om tegen 2030 een vierde van de wereldwijde koolstofarme waterstofmarkt in handen te hebben en Japan heeft onlangs aangekondigd dat het $ 3,4 miljard zal investeren uit zijn groene innovatiefonds om onderzoek en ontwikkeling te versnellen en bevordering van het gebruik van waterstof in de komende 10 jaar.

U kunt de termen 'grijs', 'blauw' en 'groen' tegenkomen bij het beschrijven van waterstoftechnologieën. Het komt allemaal neer op de manier waarop het wordt geproduceerd. Waterstof stoot alleen water uit wanneer het wordt verbrand, maar het maken ervan kan koolstofintensief zijn. Afhankelijk van de productiemethode kan waterstof grijs, blauw of groen zijn – en soms zelfs roze, geel of turkoois. Groene waterstof is echter het enige type dat klimaatneutraal wordt geproduceerd, waardoor het van cruciaal belang is om in 2050 het nulpunt te bereiken.

We vroegen Dr. Emanuele Taibi, hoofd van de Power Sector Transformation Strategies, International Renewable Energy Agency (IRENA) om uit te leggen wat groene waterstof is en hoe het de weg kan effenen naar netto nulemissie. Hij is momenteel verbonden aan het IRENA Innovation and Technology Centre in Bonn, Duitsland, waar hij verantwoordelijk is voor het assisteren van lidstaten bij het bedenken van strategieën voor de transformatie van de energiesector, en momenteel het werk beheert over de flexibiliteit van het elektriciteitssysteem, waterstof en opslag als sleutel aanjagers van de energietransitie. Dr. Taibi is ook medecurator van het Strategic Intelligence-platform van het World Economic Forum, waar zijn team de transformatiekaart op waterstof ontwikkelde.

Groene waterstoftechnologieën

Wat motiveerde u om uw expertise in energietechnologieën te ontwikkelen en hoe draagt ​​uw werk bij IRENA daaraan bij?

Het was tijdens mijn masterscriptie. Ik liep stage bij het Italiaanse Nationale Agentschap voor Energie en Milieu (ENEA), waar ik leerde over duurzame ontwikkeling en energie, en het verband tussen beide. Ik schreef er mijn scriptie in management engineering over en besloot dat dit het gebied was waarop ik mijn werkzame leven wilde richten. Snel vooruit bijna 20 jaar ervaring in energie en internationale samenwerking, een doctoraat in energietechnologie en tijd doorgebracht in de particuliere sector, onderzoek en intergouvernementele agentschappen, ik leid momenteel het transformatieteam van de energiesector bij IRENA sinds 2017.

Mijn werk bij IRENA is om, met mijn team en in nauwe samenwerking met collega's van het agentschap en externe partners zoals het World Economic Forum, bij te dragen aan het ondersteunen van onze 166 lidstaten in de energietransitie, met een focus op hernieuwbare elektriciteitsvoorziening en de bijbehorende gebruiken om de energiesector koolstofarm te maken door middel van groene elektronen en groene moleculen zoals waterstof en zijn derivaten.

Wat is groene waterstof? Wat is het verschil met traditionele emissie-intensieve 'grijze' waterstof en blauwe waterstof?

Waterstof is het eenvoudigste en kleinste element in het periodiek systeem. Het maakt niet uit hoe het wordt geproduceerd, het eindigt met hetzelfde koolstofvrije molecuul. De routes om het te produceren zijn echter zeer divers, net als de uitstoot van broeikasgassen zoals koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4).

Groene waterstof wordt gedefinieerd als waterstof die wordt geproduceerd door water te splitsen in waterstof en zuurstof met behulp van hernieuwbare elektriciteit. Dit is een heel ander pad in vergelijking met zowel grijs als blauw.

Grijze waterstof wordt traditioneel geproduceerd uit methaan (CH4), dat met stoom wordt gesplitst in CO2 – de belangrijkste boosdoener voor klimaatverandering – en H2, waterstof. Grijze waterstof wordt in toenemende mate ook uit steenkool geproduceerd, met een aanzienlijk hogere CO2-uitstoot per geproduceerde eenheid waterstof, zoveel dat in plaats van grijze vaak bruine of zwarte waterstof wordt genoemd. Het wordt tegenwoordig op industriële schaal geproduceerd, met bijbehorende emissies die vergelijkbaar zijn met de gecombineerde emissies van het VK en Indonesië. Het heeft geen energietransitiewaarde, integendeel.

Blauwe waterstof volgt hetzelfde proces als grijze, met de extra technologieën die nodig zijn om de CO2 die vrijkomt bij het splitsen van waterstof uit methaan (of uit steenkool) af te vangen en voor lange termijn op te slaan. Het is niet één kleur, maar een heel brede gradatie, want niet 100 procent van de geproduceerde CO2 kan worden afgevangen en niet alle manieren om het op te slaan zijn op de lange termijn even effectief. Het belangrijkste punt is dat het afvangen van een groot deel van de CO2, de klimaatimpact van waterstofproductie aanzienlijk kan worden verminderd.

Er zijn technologieën (dwz pyrolyse van methaan) die een belofte inhouden voor hoge afvangpercentages (90-95 procent) en effectieve langdurige opslag van de CO2 in vaste vorm, mogelijk zo veel beter dan blauw dat ze hun eigen kleur verdienen in de " waterstof taxonomie regenboog", turquoise waterstof. Methaanpyrolyse bevindt zich echter nog in de pilotfase, terwijl groene waterstof snel wordt opgeschaald op basis van twee sleuteltechnologieën: hernieuwbare energie (met name van zon-PV en wind, maar niet alleen) en elektrolyse.

In tegenstelling tot hernieuwbare energie, die tegenwoordig in de meeste landen en regio's de goedkoopste bron van elektriciteit is, moet elektrolyse voor de productie van groene waterstof aanzienlijk worden opgeschaald en de kosten ervan de komende tien jaar minstens drie keer zo laag worden. In tegenstelling tot CCS en methaanpyrolyse is elektrolyse tegenwoordig echter in de handel verkrijgbaar en kan worden verkregen bijmeerdere internationale leveranciers op dit moment.

Groene waterstof energieoplossingen

Wat zijn de verdiensten van energietransitieoplossingen naar een 'groene' waterstofeconomie? Hoe kunnen we de transitie maken naar een groene waterstofeconomie van waar we nu staan ​​met grijze waterstof?

Groene waterstof is een belangrijk onderdeel van de energietransitie. Het is niet de volgende onmiddellijke stap, aangezien we eerst de inzet van hernieuwbare elektriciteit verder moeten versnellen om bestaande energiesystemen koolstofarm te maken, de elektrificatie van de energiesector te versnellen om goedkope hernieuwbare elektriciteit te benutten, voordat we uiteindelijk sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, koolstofarm maken – zoals zware industrie, scheepvaart en luchtvaart – door groene waterstof.

Het is belangrijk op te merken dat we tegenwoordig een aanzienlijke hoeveelheid grijze waterstof produceren, met een hoge CO2-uitstoot (en methaan): prioriteit zou zijn om de bestaande vraag naar waterstof koolstofarm te maken, bijvoorbeeld door ammoniak uit aardgas te vervangen door groene ammoniak.

Recente studies hebben geleid tot een debat over het concept van blauwe waterstof als transitiebrandstof tot groene waterstof kostenconcurrerend wordt. Hoe zou groene waterstof kostenconcurrerend worden ten opzichte van blauwe waterstof? Wat voor soort strategische investeringen moeten er plaatsvinden in het technologieontwikkelingsproces?

De eerste stap is om een ​​signaal te geven aan blauwe waterstof om grijs te vervangen, want zonder een prijs voor de uitstoot van CO2 is er geen businesscase voor bedrijven om te investeren in een complex en kostbaar CO2-afvangsysteem (CCS) en geologische opslag van CO2. Als het raamwerk eenmaal zodanig is dat koolstofarme waterstof (blauw, groen, turkoois) kan concurreren met grijze waterstof, dan wordt de vraag: moeten we investeren in CCS als het risico bestaat dat we gestrande activa hebben, en hoe snel zal groen goedkoper worden dan blauw.

Het antwoord verschilt natuurlijk per regio. In een netto nul-wereld, een doelstelling waar steeds meer landen zich aan verbinden, zou de resterende uitstoot van blauwe waterstof gecompenseerd moeten worden met negatieve uitstoot. Dit zal kosten met zich meebrengen. Tegelijkertijd zijn de gasprijzen de laatste tijd zeer volatiel geweest, waardoor de prijs van blauwe waterstof sterk gecorreleerd is met de gasprijs, en niet alleen is blootgesteld aan onzekerheid over de CO2-prijs, maar ook aan de volatiliteit van de aardgasprijs.

Voor groene waterstof kunnen we echter getuige zijn van een verhaal dat vergelijkbaar is met dat van zon-PV. Het is kapitaalintensief, daarom moeten we zowel de investeringskosten als de investeringskosten verlagen door de productie van hernieuwbare technologieën en elektrolysers op te schalen, terwijl we een afname met een laag risico creëren om de kapitaalkosten voor investeringen in groene waterstof te verlagen. Dit zal leiden tot stabiele, dalende kosten van groene waterstof, in tegenstelling tot vluchtige en mogelijk stijgende kosten van blauwe waterstof.

Technologieën voor hernieuwbare energie hebben vandaag al een niveau van volwassenheid bereikt dat een competitieve opwekking van hernieuwbare elektriciteit over de hele wereld mogelijk maakt, een voorwaarde voor een competitieve productie van groene waterstof. Elektrolysers worden echter nog steeds op zeer kleine schaal ingezet en hebben in de komende drie decennia een opschaling van drie ordes van grootte nodig om hun kosten te verdrievoudigen.

Vandaag ligt de pijplijn voor groene waterstofprojecten op schema voor een halvering van de elektrolyserkosten vóór 2030. Dit, gecombineerd met grote projecten op de plek waar de beste hernieuwbare bronnen zijn, kan leiden tot concurrerende groene waterstof die in de komende {{1 }} jaar. Dit laat niet veel tijd over voor blauwe waterstof – nu nog in de pilotfase – om op te schalen van pilot naar commerciële schaal, complexe projecten (bijvoorbeeld de langdurige geologische CO2-opslag) op commerciële schaal en concurrerende kosten in te zetten en de investeringen in de volgende 10-15 jaar.

Verschillende regeringen hebben nu waterstofbrandstoftechnologieën opgenomen in hun nationale strategieën. Wat zou uw advies zijn aan beleidsmakers en besluitvormers die de voor- en nadelen van groene waterstof evalueren, gezien de toenemende vraag om over te stappen naar het koolstofarm maken van de economie en het mogelijk maken van technologieën met hogere koolstofafvangpercentages?

We hebben groene waterstof nodig om netto nulemissie te bereiken, met name voor industrie, scheepvaart en luchtvaart. Wat we echter het meest dringend nodig hebben, is:

1) energie-efficiëntie;

2) elektrificatie;

3) versnelde groei van duurzame energieopwekking.

Als dit eenmaal is bereikt, blijven we met ca. 40 procent van de vraag moet koolstofvrij worden gemaakt, en dit is waar we groene waterstof, moderne bio-energie en direct gebruik van hernieuwbare energiebronnen nodig hebben. Zodra we hernieuwbare energie verder opschalen om elektriciteit koolstofarmer te maken, zullen we in staat zijn om de capaciteit van hernieuwbare energie verder uit te breiden om concurrerende groene waterstof te produceren en moeilijk te verminderen sectoren koolstofarm te maken tegen minimale extra kosten.

Waar zie je energietechnologieën met betrekking tot waterstof evolueren in 2030? Kunnen we anticiperen op waterstof aangedreven bedrijfsvoertuigen?

We zien de mogelijkheid voor een snelle opname van groene waterstof in het komende decennium waar de vraag naar waterstof al bestaat: het koolstofvrij maken van ammoniak, ijzer en andere bestaande grondstoffen. Veel industriële processen die waterstof gebruiken, kunnen grijs vervangen door groen of blauw, op voorwaarde dat CO2 adequaat wordt geprijsd of dat andere mechanismen worden ingevoerd om die sectoren koolstofarm te maken.

Voor scheepvaart en luchtvaart is de situatie iets anders. Drop-in brandstoffen, gebaseerd op groene waterstof maar in wezen identiek aan vliegtuigbrandstof en methanol geproduceerd uit olie, kunnen worden gebruikt in bestaande vliegtuigen en schepen, met minimale tot geen aanpassingen. Die brandstoffen bevatten echter wel CO2, dat ergens moet worden opgevangen en aan de waterstof moet worden toegevoegd, om bij de verbranding weer vrij te komen: dit vermindert maar lost het probleem van de CO2-uitstoot niet op. Synthetische brandstoffen kunnen vóór 2030 worden ingezet, als de juiste prikkels aanwezig zijn om de extra kosten van verminderde (niet geëlimineerde) emissies te rechtvaardigen.

De komende jaren kunnen schepen overstappen op groene ammoniak, een brandstof geproduceerd uit groene waterstof en stikstof uit de lucht, die geen CO2 bevat, maar er zullen investeringen nodig zijn om motoren en tanks te vervangen en groene ammoniak is momenteel veel duurder dan brandstof.

Vliegtuigen op waterstof (of ammoniak) zijn verder weg, en dit zullen in wezen nieuwe vliegtuigen zijn die moeten worden ontworpen, gebouwd en verkocht aan luchtvaartmaatschappijen ter vervanging van bestaande vliegtuigen die op vliegtuigbrandstof rijden – duidelijk niet haalbaar tegen 2030: in die zin is groene jet brandstof – geproduceerd met een combinatie van groene waterstof en duurzame bio-energie – is een oplossing die op korte termijn kan worden ingezet.

Samenvattend zijn de belangrijkste acties om de decarbonisatie tussen nu en 2030 te versnellen 1) energie-efficiëntie 2) elektrificatie met hernieuwbare energiebronnen 3) snelle versnelling van de opwekking van hernieuwbare energie (waardoor de toch al lage kosten van hernieuwbare elektriciteit nog verder zullen dalen) 4) opschaling van duurzame , moderne bio-energie, onder meer nodig om groene brandstoffen te produceren die CO nodig hebben2 5) decarbonisatie van grijze waterstof met groene waterstof, wat schaalvergroting zou brengen en de kosten van elektrolyse zou verlagen, groene waterstof concurrerend zou maken en klaar voor een verdere opschalen in de jaren 2030, in de richting van de doelstelling om in 2050 netto nul-emissies te bereiken.

Het World Economic Forum steunt sinds 2017 de agenda voor schone waterstof en heeft onder meer geholpen bij de oprichting van de Hydrogen Council, de oprichting van een waterstofinnovatie-uitdaging in samenwerking met Mission Innovation en de oprichting, samen met de Energy Transitions Commission, van het Mission Possible-platform om moeilijk te verminderen sectoren tegen 2050 om te zetten naar een netto nul-emissie. Lees hier meer over het Accelerating Clean Hydrogen Initiative.