Kennisbank › Groene waterstof & e-fuels
Groene waterstof en e-fuels: hoe zon en wind worden omgezet in brandstof
Stel je een batterij voor die je niet oplaadt met een stekker, maar door er water doorheen te sturen met stroom uit een windmolen. Aan de ene kant komt zuurstof vrij, aan de andere kant houd je een gas over dat je kunt opslaan, vervoeren en later weer verbranden of gebruiken in een brandstofcel: waterstof. Als de stroom die dit proces aandrijft afkomstig is van zon, wind of waterkracht, noemen we het resultaat groene waterstof. Het is in feite een manier om elektriciteit "in te blikken" als gas, zodat je energie kunt bewaren en verplaatsen naar plekken waar een stopcontact niet volstaat, zoals een vrachtschip of een hoogoven.
E-fuels (ook wel synthetische brandstoffen of power-to-X-brandstoffen genoemd) gaan een stap verder. Daarbij wordt groene waterstof gecombineerd met koolstofdioxide (CO2), bijvoorbeeld uit de lucht gefilterd, tot een vloeibare brandstof die lijkt op diesel, kerosine of benzine. Het is te vergelijken met het namaken van aardolie, maar dan met CO2 en water als grondstof in plaats van fossiele resten uit de ondergrond. Het voordeel: bestaande motoren, tanks en pompstations kunnen deze brandstof vaak zonder grote aanpassingen gebruiken, terwijl de CO2 die vrijkomt bij verbranding ongeveer gelijk is aan de CO2 die eerder is ingevangen om de brandstof te maken.
Wat is het precies?
De basis van groene waterstof is elektrolyse: het splitsen van watermoleculen (H2O) in waterstof (H2) en zuurstof (O2) met behulp van elektrische stroom. Dit gebeurt in een apparaat dat een elektrolyser heet. Er bestaan meerdere types. Alkalische elektrolyse is de oudste en goedkoopste techniek, gebaseerd op een vloeibare, basische elektrolyt. PEM-elektrolyse (proton exchange membrane, ofwel een membraan dat waterstofdeeltjes doorlaat) is compacter en reageert sneller op wisselende stroomtoevoer, wat handig is bij variabele zonne- en windenergie, maar gebruikt kostbare metalen zoals platina en iridium. SOEC-elektrolyse (solid oxide electrolysis cell) werkt op hoge temperatuur en is potentieel het meest energiezuinig, maar staat technisch nog minder ver.
Waterstof is alleen "groen" als de gebruikte stroom uit hernieuwbare bronnen komt. Ter vergelijking: waterstof gemaakt uit aardgas zonder CO2-opvang heet grijze waterstof, met CO2-opvang blauwe waterstof. Deze kleurcodes zijn geen wetenschappelijke term maar een manier om snel te zien hoe schoon het productieproces is.
Voor e-fuels komt er nog een stap bij: de geproduceerde waterstof wordt samengevoegd met CO2 (afgevangen bij een fabriek, of rechtstreeks uit de lucht gehaald met zogeheten direct air capture) in een chemisch proces zoals Fischer-Tropsch-synthese. Dat is een decennia-oude techniek waarbij waterstof en koolstofmonoxide onder hoge druk en temperatuur worden omgezet in koolwaterstofketens, de bouwstenen van vloeibare brandstof. Zo ontstaan producten als e-methanol, e-kerosine of e-diesel.
Wat wil men ermee bereiken?
Elektrische auto's en warmtepompen kunnen een groot deel van onze energievraag rechtstreeks met groene stroom invullen. Maar sommige sectoren zijn lastig te elektrificeren: vliegtuigen hebben brandstof met een hoge energiedichtheid nodig, zeeschepen leggen weken achtereen grote afstanden af, en de staalindustrie heeft hoge temperaturen en een chemisch reductiemiddel nodig om ijzererts om te zetten in staal. Groene waterstof kan in die laatste sector de rol van steenkool overnemen, en e-fuels kunnen kerosine en scheepsdiesel vervangen zonder dat er een compleet nieuw wagenpark of nieuwe vliegtuigen nodig zijn.
Daarnaast fungeert waterstof als een vorm van energieopslag: op een zonnige, winderige dag is er soms meer groene stroom dan het net aankan, en die overschotten kunnen worden omgezet in waterstof voor gebruik op momenten dat er weinig wind of zon is. De Europese Unie heeft in haar REPowerEU-plan (2022) als doel gesteld om tegen 2030 10 miljoen ton groene waterstof binnen de EU te produceren en nog eens 10 miljoen ton te importeren, als onderdeel van de ambitie om onafhankelijker te worden van fossiele brandstoffen en de CO2-uitstoot van de industrie te verlagen.
Voorbeelden uit de praktijk
- NEOM Green Hydrogen Project (Saudi-Arabië): een samenwerking tussen het Saudische energiebedrijf ACWA Power, het Amerikaanse Air Products en de futuristische stadsontwikkeling NEOM, aangekondigd in 2020. Het project moet, gevoed door zon- en windenergie, groene waterstof produceren die wordt omgezet in ammoniak voor export, met eerste productie beoogd rond 2026-2027.
- H2 Green Steel in Boden (Zweden): een fabriek die staal wil maken met waterstof in plaats van steenkool, waardoor de CO2-uitstoot van het staalproces sterk daalt. De bouw begon in 2022; net als bij veel grote waterstofprojecten zijn planningen in de praktijk meermaals naar achteren geschoven.
- Haru Oni van HIF Global (Chili): een pilotfabriek nabij Punta Arenas in Zuid-Chili die windenergie gebruikt om groene waterstof en vervolgens synthetische benzine te maken. Autofabrikant Porsche investeerde mee en ontving in 2022 de eerste vaten e-fuel, onder meer voor gebruik in de eigen Porsche Cup-raceklasse.
- Holland Hydrogen I van Shell (Rotterdam): een elektrolyser van 200 megawatt op de Maasvlakte, aangekondigd als een van de grootste van Europa, die stroom van een naburig windpark op zee moet omzetten in groene waterstof voor de Rotterdamse raffinaderij en industrie.
- Fortescue Future Industries (Australië): de tak van mijnbouwbedrijf Fortescue die wereldwijd tientallen groene-waterstofprojecten aankondigde. Illustratief voor de sector: eind 2023 en in 2024 schrapte het bedrijf een deel van die plannen vanwege tegenvallende kosten en onzekere afzetmarkten, wat laat zien hoe grillig de opschaling in de praktijk verloopt.
Hoe ver is de techniek?
De technologie zelf is niet nieuw: elektrolyse bestaat al meer dan een eeuw en werd al in de twintigste eeuw op industriële schaal toegepast. Wat nieuw is, is de ambitie om dit op enorme schaal te doen met wisselende, hernieuwbare stroom en tegen een kostprijs die kan concurreren met fossiele alternatieven.
Daar wringt de schoen. Groene waterstof kost, afhankelijk van de stroomprijs en locatie, doorgaans ergens tussen de 4 en 7 euro per kilo om te produceren, terwijl grijze waterstof uit aardgas (afhankelijk van de gasprijs) vaak tussen de 1,5 en 3 euro per kilo uitkomt. Dat prijsverschil, plus het feit dat elektrolyse en verdere omzetting naar e-fuels forse energieverliezen kennen (grofweg gaat bij elke omzettingsstap een deel van de energie verloren als warmte), maakt grootschalige toepassing vooralsnog duur.
Volgens brancheorganisaties en analisten van onder meer het Internationaal Energieagentschap (IEA) ligt de wereldwijd operationele elektrolysecapaciteit in 2024 nog maar op een klein deel van wat nodig is om de Europese 2030-doelen te halen; velen achten het RePowerEU-doel van 10 miljoen ton eigen productie inmiddels niet meer haalbaar binnen de gestelde termijn. Knelpunten zijn onder meer: te weinig beschikbare groene stroom tegen een lage prijs, trage vergunningsprocedures, gebrek aan transport- en opslaginfrastructuur (pijpleidingen, tankinstallaties), en de hoge investeringskosten van elektrolysers en CO2-afvanginstallaties. Tegelijk dalen de kosten van elektrolysers geleidelijk door schaalvergroting en technologische verbetering, en groeit het aantal aangekondigde projecten wereldwijd nog altijd, ook al worden concrete investeringsbeslissingen (final investment decisions) vaker uitgesteld dan analisten enkele jaren geleden verwachtten.
Wie werken eraan?
Op het gebied van elektrolysers zijn Europese en Amerikaanse spelers toonaangevend, zoals Thyssenkrupp Nucera en Siemens Energy (Duitsland), ITM Power (Verenigd Koninkrijk), Nel Hydrogen (Noorwegen), Sunfire (Duitsland, gespecialiseerd in SOEC-technologie) en Plug Power (Verenigde Staten). Industriegasbedrijven als Air Liquide (Frankrijk) en Linde (Duitsland/Verenigd Koninkrijk) spelen een grote rol in productie, opslag en transport van waterstof. Op het vlak van e-fuels is HIF Global (met wortels in Chili en banden met onder meer Porsche) een van de bekendere namen.
Onderzoeksinstituten zoals het Fraunhofer ISE (Duitsland), TNO (Nederland) en het Duitse ruimtevaart- en energieonderzoekscentrum DLR werken aan efficiëntere elektrolysetechniek en aan de opschaling van productieprocessen. Op landenniveau lopen Duitsland (met een nationale waterstofstrategie), Nederland (onder meer via de waterstofplannen rond de haven van Rotterdam), Australië en Chili (beide met veel ruimte en zon/wind voor grootschalige productie) voorop, terwijl de Europese Unie via het samenwerkingsverband Clean Hydrogen Partnership onderzoek en opschaling mede financiert.
