De rol van groene waterstof in de wereldwijde energietransformatie

Voorstanders zien voor groene waterstof een grote rol weggelegd in het toekomstige energielandschap, met een aandeel van bijna 20% van de totale energie die tegen 2050 geleverd wordt (al zou ‘getransporteerd’ een beter woord zijn).

Andere analisten zien een veel bescheidener rol, waarschijnlijk beperkt door gebruik van de huidige grijze waterstof als grondstof voor de industrie en het gebruik in andere sectoren die moeilijk te decarboniseren zijn. Bijvoorbeeld de staalindustrie, waar waterstof kan worden gebruikt voor directe ijzerertsreductie, nodig bij het produceren van een goede kwaliteit staal.

De technologie om groene waterstof te produceren is al twee eeuwen beschikbaar; in het laboratorium, als proefprojecten of toepassing op kleine schaal. Slechts één grootschalige fabriek in Noorwegen past deze technologie al meer dan 60 jaar toe.

Het succes van groene waterstof zal afhangen van 7 punten:

1. Of het een aanvulling op batterijen kan zijn - Waterstof en batterijen zijn beide manieren om duurzame elektriciteit op te slaan maar hebben elk hun eigen specifieke kenmerken. Batterijen kunnen korte tijd gebruikt worden - een uur tot 12 uur. Batterijen hebben ook andere gebruiksmogelijkheden dan waterstof, zoals volt-var-management, fotovoltaïsche smoothing, load smoothing, een naadloze overgang naar een island mode, etc. Waterstof kan baseload-generatie ondersteunen en langdurige energieopslag, met een opslagcapaciteit van dagen of zelfs maanden. Warmteopslag in industriële toepassingen kan een alternatief of aanvulling zijn.

2. Het creëren van de juiste vraag- en toeleveringsketens - Er is een behoefte om de inkoop van goedkope duurzame energiebronnen te identificeren en veilig te stellen, maar die mogelijk alleen beschikbaar zijn op willekeurige tijden (en dus niet 24/7). Er is ook behoefte aan het veiligstellen van de vraag, die vandaag de dag vrijwel niet bestaat of al gedekt wordt door grijze waterstof (die veel goedkoper is). Sommige groepen promoten het opzetten van regionale waterstofclusters die hernieuwbare energieboerderijen, waterstofproductie en enkele betrokken industriële klanten combineren.

3. Het beheersen van de uitstoot van stikstofoxiden (NOx) in de verschillende waterstofverbrandingsprocessen (gasturbines, verbrandingsmotoren, boilers, etc.) - De hogere vlamsnelheid van waterstofverbranding verhoogt plaatselijk de vlamtemperatuur, waardoor hoge NOx-niveaus kunnen ontstaan. NOx-uitstoot veroorzaakt zure regen, ontbossing en longziekten. We moeten oppassen dat we zo niet weer een stap achteruit zetten, wat geldt voor alle 'kleuren' waterstof, of deze nu groen, blauw of grijs is.

4. De prijsdaling van hernieuwbare elektriciteit - Zelfs met goedkope duurzame energiebronnen en zeer efficiënte waterstofproductie zullen de kosten van groene waterstof waarschijnlijk voor de ene helft van de wereld een goede prijs zijn, maar voor de andere helft zijn de kosten te hoog. De relevantie van groene waterstof kan afhangen van lokale regelgeving zoals CO2-belastingen. Ook  moet er  rekening gehouden worden met het feit dat hernieuwbare elektriciteit mogelijk niet permanent massaal beschikbaar is. Een groene waterstofproductie-installatie draait misschien niet 24/7/365, wat de gemiddelde productiekosten verhoogt door de langzamere afschrijving van investeringen, vooral omdat onderbroken bedrijfsactiviteiten kunnen leiden tot het kiezen van PEM-elektrolysers die hogere investeringen vereisen.

5. De beschikbaarheid en het voortbestaan van overheidssubsidies - Verschillende regeringen hebben zich voorgenomen groene waterstofprojecten te financieren, maar de kans bestaat dat overheidsfinanciering vooral naar kortetermijnsubsidies en -financiering voor het beperken van de Covid-impact gaat. Potentiële exploitanten van groene waterstofprojecten zullen zich misschien moeten wenden tot publiek-private partnerschappen tussen overheidsinstanties en privékapitaal.

6. De kostenverlaging van elektrolysers - De kosten van elektrolysers liggen vandaag de dag rond de $850/kW, maar de leveranciers zijn op weg naar schaalvoordeel en de voordelen van de inmiddels opgedane leercurve. In China zijn al elektrolysers van $300/kW beschikbaar en inschattingen zijn dat elektrolysers in 2030 op grote schaal beschikbaar kunnen zijn voor $200/kW en in 2030 voor $100/kW.

7. De kostenverlaging van groene waterstof Balance of Plant, het veiligstellen van opbrengst en uptime, de aansluiting met elektriciteitsnetten en de financiering van de levering van hernieuwbare elektriciteit. Deze onderwerpen worden vaak genegeerd, omdat de focus vooral op de elektrolyser zelf ligt.

• Maar eerst moet de keuze voor bepaalde elektrolysertechnologie gestuurd worden door het regelmatige of onderbroken karakter van de elektriciteitsvoorziening (een alkaline elektrolyser heeft een zeer lange opstarttijd, PEM-elektrolysers kunnen sneller opstarten, maar zijn duurder).

• Vervolgens kunnen de kosten voor de Balance of Plant, civiele werken, het elektriciteitssysteem, besturingssystemen en ontzilting van zeewater hoger zijn dan die van elektrolysers (vooral met alkalinetechnologie). Al deze kosten moeten worden geoptimaliseerd, terwijl er tot nu toe weinig benchmarks zijn.

• Tot slot is er weinig te vergelijken wat betreft de werking van dergelijke installaties. Wat voor besturingssystemen zijn het meest relevant? Hoeveel operators zijn er nodig? Hoe organiseer je dat je apparatuur blijft presteren en onderhouden wordt? Hoe verzeker je jezelf van een geoptimaliseerde uptime en productieratio?

Bij de keuze van bijvoorbeeld een auto komt veel meer kijken dan alleen het type en de prestaties van de motor. Ten eerste, wil je een auto kopen, leasen of wil je gebruikmaken van een deelauto? Vervolgens kun je de keuze maken voor een merk, bijvoorbeeld op basis van het beschikbare dealer- en reparatienetwerk, op basis van een aantrekkelijke financieringsregeling, op basis van de reputatie van het merk op het gebied van betrouwbaarheid of op basis van grootte, comfort of verschillende gadgets.

Op dezelfde manier moet een groene waterstofinstallatieproject beginnen met bepalen waar de hernieuwbare elektriciteit vandaan komt en waar de geproduceerde waterstof naartoe gaat. Onregelmatigheden in de levering van beschikbare stroom of in afname zijn een cruciale factor bij de keuze voor waterstofelektrolysetechnologie, maar ook bij het ontwerp van de Balance of Plant. Zal de installatie de duurzame energie via de markt aankopen? Wat voor soort aankoopovereenkomst kan worden afgesloten met de lokale nutsbedrijven? Of zal de installatie een eigen wind- of zonnepark hebben? En hoe wordt dat gefinancierd?

Het complete ecosysteem en de industriële cluster moeten worden georganiseerd, met ondersteuning van de juiste private en publieke financiering.

Vervolgens moet het ontwerp van de complete fabriek worden geoptimaliseerd. Een digital twin - voor simulatie - ingezet in een vroeg stadium, zal verbeteringen in ontwerp, inbedrijfstelling, bedrijfsvoering en onderhoud ondersteunen.

Een modulaire aanpak en implementatie kan interessant zijn, maar ook hier geldt dat het geoptimaliseerd moet worden, met name wat betreft de aanloopperiode van de elektrische en besturingsinfrastructuur.

Het elektrische ontwerp voor zo'n groot systeem kan vaak met 20% worden verbeterd ten opzichte van een 'first shot'-ontwerp, wanneer je de juiste expertise en hulpmiddelen toepast.

De besturing van zo'n installatie moet compleet genoeg zijn, met de juiste mogelijkheden voor bediening op afstand (en cybersecurity) als je wilt voorkomen dat er tientallen operators 24/7 aan het werk zijn... wat een risico is bij eerste installaties die geen benchmark hebben.

Het beheer over de prestaties van apparaten en middelen van de fabriek moet ook worden geoptimaliseerd om downtime tot een minimum te beperken.

Kortom: je kunt je auto kiezen puur op basis van de prestaties van de motor, maar waarschijnlijk wil je het juiste advies krijgen en de juiste ondersteuning kunnen selecteren - van financiering tot geoptimaliseerde prestaties in het algemeen en uptime.

Schneider Electric en partners AlphaStruxure en AVEVA ondersteunen je op je reis naar het produceren en toepassen van groene waterstof. Neem contact met ons op voor meer informatie.