Dit is een longread over waterstofenergieopslag. We bespreken in dit artikel onder meer wat waterstofenergieopslag is. Waterstof kan worden gegenereerd wanneer het aanbod duurzame energie groter is dan de vraag, en worden gebruikt wanneer de vraag groter is dan het aanbod. We bespreken hoe dit produceren van waterstofenergie in zijn werk gaat en hoe we het vervolgens op kunnen slaan. Aanvullend hebben we aandacht voor de toepassingen. Want wat kun je vervolgens dan eigenlijk met die opgeslagen waterstofenergie? We lichten specifiek het energienet en de transportsector uit. Ten slotte kijken we nog kort naar de toekomst. De technologie om waterstof te produceren werkt namelijk al! Ons inziens kan waterstof(energieopslag) een cruciale rol spelen in de energietransitie.
Er worden gelukkig steeds meer hernieuwbare energiebronnen ingezet. Het toegenomen aandeel van deze hernieuwbare bronnen binnen energiesystemen zorgt echter wel voor een grotere variabiliteit van het aanbod en onderbrekingen; ook wel de intermitterende werking genoemd. Energie uit deze hernieuwbare bronnen is namelijk niet continu beschikbaar. Via kolen gestookte elektriciteit kan zowel overdag als ’s nachts geleverd worden, maar veel hernieuwbare bronnen zijn alleen beschikbaar als de omstandigheden dit toelaten, met andere woorden: als de wind waait of de zon schijnt.
Pieken in de productie van duurzame energie leveren problemen op voor de werking en stabiliteit van het elektriciteitsnet. Wetenschappers zoeken zodoende naar manieren om deze natuurlijke fluctuaties op te vangen. Om volledig hernieuwbare energie te gebruiken, heb je ofwel een bron van hernieuwbare energie nodig die consistent genereert (zoals biomassa) of een slimme opslagoplossing.
Opslag van energie kan een effectieve oplossing bieden voor het opvangen van de variabele output van hernieuwbare energiebronnen. Door energie op te slaan, kunnen we de elektriciteitsvoorziening stabiliseren, het evenwicht tussen vraag en aanbod handhaven en een ononderbroken energietoevoer garanderen. Als zodanig is opslag zo’n beetje de heilige graal van hernieuwbare energie; wanneer overtollige elektriciteit die in de zomer wordt opgewekt, kan worden opgeslagen voor gebruik in de winter, kunnen veel van de problemen met hernieuwbare energie worden opgelost! De verdere groei van hernieuwbare energie is dus verbonden aan opties voor energieopslag. Hiermee wordt namelijk de basis gelegd voor een toekomst waarin hernieuwbare energie echt kan concurreren met fossiele brandstoffen.
Er is aandacht voor een aantal energiebeheer- en opslagsystemen, maar slechts een paar bieden een complete oplossing waarmee wind- en zonne-energie naadloos in het net kan worden ingevoerd. Voor kleinschalige opslag kan batterijtechnologie voldoende zijn. Deze technologie is momenteel echter niet haalbaar voor opslag op grote schaal…
Een van de oplossingen waar naar gekeken wordt, is waterstofenergieopslag. Deze manier is veilig en stabiel, ook op de lange termijn. Waterstof kan worden gegenereerd wanneer het aanbod duurzame energie groter is dan de vraag, en worden gebruikt wanneer de vraag groter is dan het aanbod. Door overtollige duurzame energie om te zetten naar waterstof, creëert men een constante toevoer, een energiebuffer en een netstabilisator. De geproduceerde waterstof kan in periodes van schaarste namelijk weer worden omgezet naar elektriciteit! Deze elektriciteit kan vervolgens worden gebruikt in allerlei sectoren.
Tekst gaat verder onder de afbeelding.
De eerste fase omvat de omzetting van elektriciteit naar waterstof. Elektriciteit, opgewekt via hernieuwbare bronnen zoals wind en zon, kan door middel van elektrolyse worden omgezet in waterstof. Elektrolyse is een chemisch proces waarbij een elektrische stroom door een stof wordt gevoerd om de moleculen te splijten. In dit geval wordt elektrolyse uitgevoerd op water – dat is samengesteld uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom – om een bruikbare brandstof te creëren. Elektrolyse is in dit geval dus het proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te scheiden in de componenten waterstof en zuurstof.
De belangrijkste componenten van een waterstofsysteem voor energieopslag zijn een elektrolyse-inrichting, waterstofopslag en een brandstofcel. De elektrolyser gebruikt elektriciteit om water in waterstof en zuurstof te splitsen. De efficiëntie (de hoeveelheid energie die een opslagsysteem kan leveren ten opzichte van de hoeveelheid energie die is ingebracht) blijft op dit moment nog hangen op zo’n 60 procent. Er wordt echter druk gezocht naar manieren om de efficiëntie te vergroten, zoals elektrolysers op hoge temperatuur met rendementen tot 90 procent.
De tweede fase bestaat uit het opslaan van de waterstof totdat we deze nodig hebben. De waterstof fungeert als opslagmedium voor energie. Hiermee kunnen we duurzame energie effectief opslaan totdat een brandstofcel of een motor het weer omzet in elektriciteit. Waterstof kan ook worden gerecombineerd met opgevangen CO2 om een synthetisch aardgas te produceren. Dit gas kan vervolgens worden gebruikt in energiecentrales of transporttoepassingen. De waterstof kan dus – wanneer dat nodig is – aardgascentrales of brandstofcellen voeden om elektriciteit te maken. Ook industriële installaties zoals olieraffinaderijen kunnen waterstof gebruiken voor chemische processen.
Met een brandstofcel wordt, net als een batterij, direct elektriciteit gemaakt uit twee stoffen. De brandstofcel combineert de opgeslagen waterstof met zuurstof om elektrische energie op te wekken, met water als bijproduct. De elektriciteit kan worden gebruikt voor de voeding van een elektrisch apparaat, een elektromotor (in een voertuig) of van het elektriciteitsnet. Brandstofcellen kunnen diverse draagbare toepassingen van stroom voorzien, zoals mobiele telefoons, sensoren en verlichting.
Van binnen ziet een brandstofcel er eenvoudig uit. De anode is de kant waar het waterstofgas wordt aangesloten. Via kanaaltjes kan het gas over het hele oppervlak van de plaat stromen. De waterstofmoleculen splitsen zich in protonen (positief geladen waterstofkernen) en elektronen. De kathode is de kant waar de zuurstof wordt aangesloten. Ook hier zijn kanaaltjes om het gas egaal te verdelen. Zuurstof reageert hier met de protonen en elektronen die bij de anode vandaan komen. Zo ontstaat water. Het membraan heeft de bijzondere eigenschap dat het alleen de protonen doorlaat en niet de elektronen. De elektronen worden omgeleid door een stroomdraad buiten de cel en dat zorgt voor de elektrische stroom.
Kleine hoeveelheden waterstofgas (tot enkele MWh) kunnen worden opgeslagen in drukvaten of vloeibaar gemaakt worden. Een oplossing om grotere hoeveelheden op te slaan, wordt gezocht in het samenpersen of binden van waterstof. Zeer grote hoeveelheden waterstof kunnen worden opgeslagen in ondergrondse zoutcavernes. Bij grootschalig gebruik van zonne-energie om waterstof te maken, zal deze vorm van energieopslag waarschijnlijk nodig zijn, ter overbrugging van de winter.
Waterstofgas kan echter ook gebruikt worden door voertuigen, die waterstofgas (of vloeibaar watergas) meenemen in tanks. Het restproduct – water – kan middels een “uitlaat” aan de achterkant van het voertuig worden afgevoerd, of eventueel worden bewaard voor hergebruik (bijvoorbeeld voor de ruitenwissers).
Omdat waterstof zo stabiel is, kun je er langer energie in opslaan dan in welk ander medium dan ook. Batterijen zijn immers vaak na een paar weken al leeggelopen. Daarnaast zijn batterijen niet geschikt om de veranderlijke cycli te leveren die we van fossiele brandstoffen gewend zijn. Waterstof kan echter voor onbepaalde tijd in tanks worden bewaard. Dat zou het bijvoorbeeld mogelijk maken om in de zomer verzamelde elektriciteit van zonnepanelen in de winter te gebruiken. Een ander voordeel van opslag van waterstofenergie is dat het schaalbaar is. Een waterstofelektrolyse-inrichting van 2 MW heeft de grootte van een zeecontainer en kan eenvoudig worden geïnstalleerd naast een veld met windturbines of een verdeelstation.
Waterstofgas heeft de grootste energie-inhoud van alle brandstof, waardoor het een zeer goed medium is voor het vasthouden en distribueren van energie. Met het vermogen om 120 MJ / kg vast te houden, is er slechts een relatief kleine hoeveelheid waterstof nodig om aanzienlijke hoeveelheden energie op te slaan. De interesse in waterstofenergieopslag neemt toe als gevolg van deze veel hogere opslagcapaciteit in vergelijking met batterijen (op kleine schaal) of gepompte waterkracht (grote schaal). Daarbij vereist een pompopslag ook nog een specifieke geografische locatie, aangezien het water naar een reservoir op een heuveltop gepompt moet worden, waar het kan worden afgedamd totdat de netbeheerders klaar zijn om het door de turbines te laten stromen. In het energiesysteem van de toekomst is het echter ook belangrijk energie te produceren waar dat het goedkoopst kan. We kunnen transport immers ook regelen met een met waterstof geproduceerd synthetisch aardgas.
Waterstof wordt al bijna een halve eeuw veilig geproduceerd en gebruikt. Zoals bij elke brandstof zijn veilige verwerkingspraktijken vereist, maar waterstof is niet-toxisch en vormt geen bedreiging voor de gezondheid van mens of milieu als het vrijkomt. Bij de verbranding van waterstofgas ontstaat uitsluitend waterdamp. Er komen dus geen vervuilende stoffen als CO2, stikstof en fijnstof vrij. Dat geldt ook voor de productie, mits daarbij natuurlijk hernieuwbare energie gebruikt wordt. Waterstof heeft als volgend voordeel dat het quasi-onuitputtelijk is. Er kan (met behulp van energie) altijd nieuwe waterstof gemaakt worden uit water. De voorraad fossiele brandstoffen raakt daarentegen langzamerhand uitgeput en de verbranding van biobrandstoffen levert evenzogoed schadelijke stoffen op. Biobrandstoffen zijn slechts klimaatneutraal wanneer een evenzo grote hoeveelheid kooldioxide door nieuwe aanplant wordt opgenomen.
Tekst gaat verder onder de afbeelding.
Waterstof kan worden gebruikt op allerlei gebieden in het energiesysteem: voor verwarming, als brandstof voor auto’s en om het elektriciteitsnet te balanceren. Het gaat dus om de productie van elektriciteit, warmte en water voor industriële, residentiële en commerciële toepassingen, en vervoer. In al deze toepassingen kan waterstof als opslagmedium de inzet van hernieuwbare energiebronnen aanzienlijk vergroten en bijdragen tot het behalen van onze milieudoelstellingen EU.
Overkoepelend gezien kan waterstof op de volgende drie manieren worden geconsumeerd:
Hieronder gaan we dieper in op een twee specifieke toepassingen.
Waterstof wordt gebruikt om overtollige elektriciteit op te slaan, zowel voor het elektriciteitsnet of voor een individuele huishouden. Een korte reminder over dit proces: je laat overtollige elektriciteit in een elektrolyser lopen, produceert waterstof, en slaat het op in een brandstofcel, die terug kunt voeren in het elektriciteitsnet. Bijkomend voordeel is dat brandstofcellen ook ingezet kunnen worden op locaties die geen toegang tot het elektriciteitsnet hebben. Bijvoorbeeld doordat er een storing is, of omdat de toepassing zich op een moeilijke bereikbare plek bevindt waar geen elektriciteitsnet aanwezig is. Nadat storm Sandy het Caraïbisch gebied lam legde, leverden brandstofcellen bijvoorbeeld noodstroomvoorziening aan telecommunicatietorens. De omzetting van hernieuwbare energie in waterstof maakt het ook mogelijk om energie te vervoeren; waar energie wordt opgewekt, is niet per se waar het nodig is. Er zijn talloze afgelegen gemeenschappen, die hun elektriciteit met dieselgeneratoren genereren. Waterstofsystemen zouden een goede optie zijn voor deze gemeenschappen. Brandstofcellen kunnen ook worden gebruikt om onderbrekingen in te vullen, zoals bij winkels. En omdat brandstofcellen netonafhankelijk kunnen zijn, zijn ze ook een aantrekkelijke optie voor datacenters, ziekenhuizen en militaire toepassingen, zoals drones.
Waterstof kan ook worden opgeslagen om gebruikt te worden in de transportsector. We spreken daarbij ook wel van brandstofcel-elektrische voertuigen (FCEV’s). Met vijf kilo opgeslagen waterstof kan er maximaal een afstand van 600 km afgelegd worden. Deze auto’s zijn vrij van uitlaatgassen en kunnen in een paar minuten worden bijgetankt. Brandstofcellen worden sinds een aantal jaar ook steeds meer ingezet bij (middel)zwaar transport. In 2016 reden er bijvoorbeeld al meer dan 20 brandstofcelbussen in Amerika rond, die tezamen meer dan 17 miljoen passagiers vervoerd hebben. Brandstofcelheftrucks worden ook op grote schaal geïmplementeerd; niet alleen vanwege de milieuvoordelen, maar ook omdat het tanken sneller gaat dan het opladen van een batterij. Er zijn mogelijkheden voor toepassing in alle vervoersopties: niet alleen wegtransport maar ook luchtvaart en zeevaart. Neem bijvoorbeeld het gebruik van brandstofcellen tijdens het taxiën. Alhoewel taxiën natuurlijk slechts een kleine hoeveelheid van het totale brandstofverbruik vertegenwoordigt, is de impact bij grootschalig gebruik natuurlijk enorm.
Omdat waterstof zo’n breed toepassingsgebied heeft, kan het economisch zinvol zijn om het opslaan van een teveel aan elektriciteit en het tanken van voertuigen te combineren. Wanneer een elektrolyseerinstallatie voldoende waterstof produceert voor energieopslag plus een overschot dat kan worden gebruikt als voertuigbrandstof, worden de totale kosten van het genereren van de energie natuurlijk flink teruggedrongen. Of denk eens aan een gecombineerd warmte- en elektriciteitssysteem, waarbij de bij de energieopslag vrijgekomen thermische energie wordt teruggewonnen en gebruikt voor het verwarmen van gebouwen.
De technologie om waterstof te produceren werkt reeds. De uitdaging is echter om de technologie op te schalen om aan de groeiende vraag te voldoen. De energiesector gaat met de energietransitie een cruciale nieuwe fase in, waarbij waterstof(energieopslag) een cruciale rol kan spelen. Deze vorm van energieopslag kan de manier waarop we energie gebruiken veranderen. Het elektriciteitsnet zal efficiënter, goedkoper en groener worden. Wij zien het wel gebeuren dat er in de komende jaren energieopslagsystemen in de buurt geïntroduceerd worden. Op de langere termijn kunnen miljoenen eindgebruikers wellicht zelf hun eigen energie opwekken middels brandstofcellen. Waterstofenergieopslag kan op een dag zelfs leiden tot een klimaatneutraal transportnetwerk!
Tekst gaat verder onder de afbeelding.
Meer lezen over duurzaamheid?
Misschien vind je deze artikelen ook interessant:
Wat is klimaatverandering: een introductie
Duurzaamheid door bedrijven bevorderen
Duurzaam leven en wonen
Voorbeelden van smart city-technologie – verkeer, milieu en meer
