Waterstof Essentieel element voor de energietransitie en een duurzame energievoorziening Marcel Weeda en Jörg Gigler 3 e workshop H 2 -platform Utrecht, 5 december 2017
Doel van de Routekaart Waterstof Het doel van de routekaart is drieledig: Het schetsen van de potentie van waterstof in de duurzame energievoorziening in 2050 Het in kaart brengen van de diverse acties en actoren die in Nederland (en mogelijk ook in onze buurlanden) rond waterstof spelen Het benoemen van stappen en acties die kansrijk zijn om de potentie van waterstof te verzilveren, en welke rol daarbij van de Rijksoverheid (in het bijzonder EZ) en andere partijen wordt verwacht. 2
Enkele grote uitdagingen voor de energietransitie en duurzame energievoorziening Inpassing en maximale benutting van zon- en windpotentieel: inzet van zon- en windenergie als elektriciteit kent uitdagingen en beperkingen. Hoe deze bronnen maximaal te benutten? Duurzame brandstoffen: ontwikkelen van klimaatneutrale alternatieven voor blijvend grote behoefte aan brandstoffen. Duurzame chemische producten en materialen (incl. staal): ontwikkelen van alternatieven o.b.v. hernieuwbare energiebronnen en klimaatneutrale uitgangsmaterialen Decarbonisation scenarios current trend scenarios Aandeel elektriciteit in current trend en decarbonisation scenario s (Energy roadmap 2050, EU, 2012) 3
Toepassingen, rollen en dimensies van waterstof Gebruik van waterstof als medium voor opslag/inpassing van elektrische energie van zon-pv en windparken om periodes te kunnen overbruggen met laag aanbod van zon- en windenergie Decarboniseren/verduurzamen huidige industriële waterstof Gebruik van waterstof als energiedrager: Transportbrandstof voor brandstofcel-elektrische voertuigen Koolstofloos alternatief aardgas (Hoge/lage temp. warmte) Nieuwe toepassingen, en processen gebaseerd op waterstof: Combinatie van klimaatneutrale koolstofbronnen met waterstof tot duurzame chemische producten en (kunststof) materialen Combinatie van klimaatneutrale koolstofbronnen met waterstof tot duurzame vloeibare brandstoffen (bv. voor de luchtvaart) Waterstof voor low-carbon productie van ijzer en staal 4
Robuust element voor duurzame energievoorziening met gunstige (energie)transitie-aspecten Mogelijkheid voor benutting wind en zon als klimaat-neutrale brandstof, met levering van diverse type flexibiliteit Breed inzetbaar: ketels, gasturbines, en brandstofcellen; goede aansluiting bij huidige aardgastoepassingen: snelle omschakeling mogelijk Opslag en (pijpleiding)transport: technisch relatief eenvoudig, tegen beperkte kosten, en in grote hoeveelheden; opschaling snel mogelijk door bruikbaarheid groot deel huidige aardgassysteem Geleidelijke, maar snelle transitie vanuit fossiel mogelijk: start en opschaling kan vanuit aardgas en aardgas/ccs naast duurzaam, met toename duurzaam naarmate kosten dalen Modulair schaalbaar: nationaal centraal en decentraal, maar ook internationaal (import zon en wind in de vorm van waterstof ) 5
Waterstofproductie (1/2) Fossiel (grijs) Reforming van aardgas (SMR, ATR, POX) 90 g CO 2 /MJ Vergassing van steenkool (niet in EU) 235 g CO 2 /MJ Elektrolyse met grid mix elektriciteit > 180 g CO 2 /kwh 1 Schoon Fossiel ( low-carbon of blauw) 2 Reforming van aardgas met CCS: waterstof 36,4 g CO 2 /MJ 3 Vergassing van steenkool met CCS: waterstof 36,4 g CO 2 /MJ Elektrolyse met grid mix elektriciteit 180g CO 2 /kwh 1 https://www.cbs.nl/nl-nl/achtergrond/2017/06/rendementen-en-co2-emissie-elektriciteitsproductie-2015 ; emissiefactor gemiddelde kwh NL-elektriciteit was 530 g CO 2 /kwh 2 Deze vorm wordt ook wel aangeduid met de term klimaatneutraal, maar dat is vanwege de fossiele koolstofinhoud feitelijk niet juist, tenzij 100% afvang en opslag van CO 2 wordt gerealiseerd 3 Op basis van CertifHy definitie green en low-carbon waterstof 6
Waterstofproductie (2/2) Hernieuwbaar (groen) Elektrolyse met elektriciteit van hernieuwbare bronnen Reforming van biogas en groen gas Vergassing van duurzame biomassa Superkritische vergassing van biomassareststromen Foto-elektrochemische cel (fotogeneratie zonnecel) - Geleidelijke, maar snelle transitie vanuit fossiel mogelijk: start en opschaling kan vanuit aardgas en aardgas/ccs naast duurzaam, met toename duurzaam naarmate kosten dalen - NB. Waterstof van (water)elektrolyse met grid-mix elektriciteit is nog CO 2 intensief vanwege de hoge CO 2 -emissiefactor van NL elektriciteit en het nog beperkte aandeel duurzame elektriciteit. 7
Ordegrootte schatting mogelijke waterstofvraag NL; technisch theoretisch potentieel Wind op Zee of Aardgas/CCS nodig voor potentiële waterstofvraag: Functionaliteit Waterstofvraag Wind op Zee Aardgas/CCS Elektrolyse Reforming PJ/j Mton/j TWh/j GW PJ/j Mton CO 2 /j Hoge temperatuur warmte: - Non-energetisch gebruik 50 0,4 21 4,8 67 3,8 - Proceswarmte - Duurzame chemie - Duurzame brandstoffen - Staalproductie 100 480 700 20 0,8 4,0 5,8 0,2 42 202 295 8 9,6 46,1 67,3 1,9 133 640 933 27 7,5 46,2 52,8 1,5 Mobiliteit en Transport 125 1,0 53 12,0 167 9,4 Kracht en Licht 115 1,0 48 11,1 153 8,7 Lage temperatuur warmte 100 0,8 42 9,6 133 7,5 1690 14,1 711 161 2253 128 Schatting voor Nederlands potentieel van de bronnen : Wind op Zee: 40-80 GW Biomassa: 250-700 PJ/j CCS: 10-50 Mton/j 8 Analyse ECN o.b.v. NEV2016 en aanvullende statistieken
Indicatieve kosten waterstofproductie met elektrolyse CAPEX 1220 /kw (nu 850-1500 /kw) Verbruik: 52 kwh/kg (nu 52-63 kwh/kg) E-prijs: 70 /MWh CAPEX 460 /kw Verbruik: 47 kwh/kg E-prijs: 45 /MWh Geen installatiefactor Levensduur 20 jaar Geen stack vervanging Afschrijving 10 jaar WACC: 8% O&M: 2%/j (van CAPEX) 9
Vergelijking indicatieve kosten waterstofproductie voor SMR en elektrolyse ɳ PEM = 61% (LHV); 55 kwh e /kg H 2 ɳ PEM = 67% (LHV); 52 kwh e /kg H 2 ɳ PEM = 71% (LHV); 47 kwh e /kg H 2 ɳ SMR = 70% (LHV) ɳ SMR = 75% (LHV) ɳ SMR = 80% (LHV) Bandbreedte CCS kosten bij aardgas 6 /GJ en transport en opslag 10 /ton Elektrolyse: FCH JU MAIP 2014-2020 & FCH JU, Development of water electrolysis in the European Union, 2014 Reforming: IEA-GHG, Techno-Economic Evaluation of SMR Based Standalone (Merchant) Hydrogen Plant with CCS, 2017 10
Toegestane waterstofkosten PEM-elektrolyse gelet op energiekosten in de referentiesituatie 1. Vervanging aardgas door H 2 : A. In niet-ets toepassingen B. In ETS toepassingen 2. Vervanging huidige fossiele waterstof voor industriële toepassingen A. Bulk toepassing B. Kleinschalige toepassingen bij on-site productie of aanvoer H 2 per pijpleiding 3. Vervanging benzine en diesel voor hybride auto: A. Aanvoer H 2 per truck B. Aanvoer H 2 per pijpleiding of on-site productie Aannames: Aardgasprijs: 7,3-9,5 /GJ ; CO 2 -prijs: 76-17 /ton H 2 -transport per truck: 1,5-2,5 /km; FCEV is 1,5x efficiënter dan hybride 11
Elektrolyse in systeemperspectief: CO 2 -emissiefactor waterstof van elektrolyse vergeleken met SMR CO 2 -emissiefactor waterstof van elektrolyse voorlopig relatief hoog in vergelijking met SMR-waterstof a.g.v. emissiefactor elektriciteit (integrale methode) 12
Elektrolyse in systeemperspectief: welk aanbod voor invulling extra elektriciteitsvraag voor waterstof?? Waterstof door elektrolyse genereert extra elektriciteitsvraag bovenop bestaande elektriciteitsvraag; investeren in extra hernieuwbaar vermogen nodig om extra fossiel te voorkomen. 13
Indicatieve vergelijking FCEV op waterstof uit aardgas-smr met conventionele brandstoffen WTW FCEV-uitstoot ca. 20% lager dan hybride (segment D/E, K) Brandstof Eenheid Emissiefactor kg CO 2 /eenheid Verbruik eenheid/100km Indicatie uitstoot g CO 2 /km Waterstof (SMR) kg 9,0 1,0 90 Benzine liter 2,3 5,0 114 Diesel liter 2,7 4,0 107 Specifiek Hyundai ix35: 1,2 kg H 2 /100 km (praktijk) tegen 6,4 en 5,2 l/100 km (test) voor benzine en diesel (1,6 GDi en 1,7 CRDi) Vergelijk waterstof met conventionele brandstoffen: Waterstof + toekomstgericht; elektrische aandrijving + geen lokale emissies (NO x, SO 2, PM,...) + met H 2 van aardgas al reductie CO 2 nog duurder (maar betaalbaar op termijn) Benzine/diesel/CNG/ (koolwaterstoffen) status qua; lock-in verbrandingsmotor blijvend lokale emissies + betaalbaar (maar kosten nemen toe) 14
Contouren van een aanpak
Overwegingen voor een aanpak (1) Waterstof is heel robuust in een duurzame / klimaatneutrale energie- en grondstoffenvoorziening en helpt om de 2050-doelen te halen Waterstof past goed in de structuur van onze energie- en grondstoffenvoorziening (offshore wind, chemie, infrastructuur etc.) Waterstof lijkt (dus) een no-regret optie: door nu te beginnen doet NL mee in de voorhoede, bouwt ervaring en expertise op en wordt duurzaam/klimaatneutraal Veel opties voor productie van waterstof (grijs, blauw, groen) mogelijk: uiteindelijk (2050) moet waterstof groen zijn maar er liggen nu al mogelijkheden om waterstof klimaatneutraal te maken Duurzame en/of klimaatneutrale waterstof is nu nog duur vanwege technologie (elektrolyse, CCS) en kostprijs van elektriciteit visie en plan nodig Er zijn echter nog veel onzekerheden en dat brengt risico s met zich mee. Om die te mitigeren is regie op nationaal en afstemming op internationaal niveau nodig (afstemming, van elkaar leren, samen innoveren, investeringskracht genereren, inkoop organiseren etc.) 16
Overwegingen voor een aanpak (2) Veel toepassingen mogelijk: hier speelt afweging van schaalvergroting (technologie) versus kansen in deelmarkten Grote hoeveelheid toepassingen vergt maatwerk Innovatie is noodzakelijk: verbeteren, verbreden, verdiepen (veel te halen) Nieuwe samenwerkingsconstructies nodig vanwege systeemrol die waterstof kan innemen; dit vergt samenwerking tussen sectoren Er zijn al veel initiatieven en er staan regio s op die ambities hebben: hoe kun je dat goed faciliteren en tegelijkertijd sturen op de juiste dingen doen die in de visie passen? 17
Aanpak: overzicht van te adresseren thema s Voor de introductie en ontwikkeling van waterstof is een planmatige, gecoördineerde aanpak gewenst: Transitieprogramma Waterstof Thema s die daarin geadresseerd kunnen worden: 1. Integrale Visieen planvorming voor waterstof (komende 15 jr, doorkijk 2050) 2. In praktijk brengen van waterstof (komende 3-5 jr, daarna doorpakken) 3. Onderzoek, ontwikkeling & demonstratie van waterstof (komende 10 jr) 4. Governance en facilitering van waterstof (komende 5 jr,) 18
Transitieprogramma Waterstof (1) 1. Integrale planvorming voor een grootschalige positie van waterstof Thema s: Waterstof en offshore wind (of breder - Noordzee): inpassing/timing, flexibiliteit, opslag, gebruik infrastructuur, synergie met andere ontwikkelingen Waterstof en industrie: omschakeling fossiele naar circulaire koolstof, rol biobased, betekenis voor chemie, synthetische brandstoffen, behoefte / hoeveelheden, air capture CO2 Waterstof en CCS: noodzaak, infrastructuur, mogelijkheden/timing, aansluiting bij industrie, internationale dimensie (Magnum/Statoil/GU, Berenschot/TNO/HBR) Groeimodel voor gemeenten en regio s en strategie voor implementatie Infrastructuur: ontwikkeling, gebruiksmogelijkheden, planning, kosten, timing Integratie van deze (en andere) thema s, waarbij integraal naar oplossingsrichtingen wordt gekeken (systeemperspectief) en synergiemogelijkheden worden geschetst 19
Transitieprogramma Waterstof (2) 2. In praktijk brengen van waterstof in verschillende toepassingen in de komende 3-5 jaar (2018-2023) Thema s: Mobiliteit (toepassing, deels productie) voorbeelden: Opzet basisnetwerk openbare waterstofvulpunten en auto s (gezamenlijke inkoop) Introductie bussen en bijbehorende infra, plan richting 2030 o.b.v. concessie- en vervangingsschema s Opzetten 3-5 stedelijke praktijkervaringsgebieden rond concessies bussen als basis voor nieuwe toepassingen zoals veegwagens/vuilniswagens en uitbouw Opzetten praktijkervaringslocatie voor vracht en logistiek (heftrucks, werktuigen, vrachtwagens, bestelwagens), mogelijk uitbreiding met binnenvaart Industrie (focus op productie) voorbeelden: Opschaling productie via waterelektrolyse in industriële omgeving met diverse technologieën (slipstreamtoepassing, vervanging, uitbreiding) Toepassing als grondstof, toepassing voor hogetemperatuurwarmte 20
Transitieprogramma Waterstof (3) 3. Onderzoek, ontwikkeling en demo op sleutelthema s om doorbraken te realiseren in de komende 10 jaar (richting 2030) Een lange termijn spoor, gericht op onderzoek en ontwikkeling van technologie voor waterstofproductie en gebruik van waterstof als energiedrager (TRL 2-5) vermindering van het gebruik van schaarse materialen verbetering van de betrouwbaarheid/robuustheid verhogen van de efficiency verlengen van de levensduur verlagen van de kosten verbeteren van de maakbaarheid/produceerbaarheid ontwikkeling van nieuwe technologie en processen Demonstratie van technologie en ontwikkeling van nieuwe en verbeterde producten, systemen en (productie)processen (TRL 6-8) Bijvoorbeeld brandstofcelsystemen en aandrijflijnen voor bussen, vrachtwagens, bestelauto s en vaartuigen. Voor productieprocessen is de productie van waterstof uit aardgas en/of uit biomassa in combinatie met CCUS interessant. Voor de gebouwde omgeving is de toepassing van waterstof op bijvoorbeeld wijkniveau een belangrijk demonstratie-onderwerp. 21
Transitieprogramma Waterstof (4) 4. Organisatie en facilitering van waterstof Onderwerpen: Regievoering via orgaan dat stuurt op strategie, priortering, focus, samenhang, beleid, monitoring, borgen van kennis en expertise Facilitering vanuit innovatiekennis Financiering (incl. subsidies) Beleid en regelgeving Facilitering van ontwikkelingen, projecten, programma s Veiligheidsprogramma, incl. standaarden en normen Maatschappelijke inbedding, incl. voorlichting, communicatie, praktijkprojecten Internationale activiteiten (afstemming, prioriteiten, samenwerking, funding) Human Capital Agenda (opleidingen, educatie, etc.) 22
Basisnetwerk openbare H 2 -vulpunten: strategische locaties, verbonden met buitenland 23
Schone H 2 -diensten rond de stad: OV-streekbus, taxi s, vuilnis-/veegwagens, rondvaartboten, 3-5 proeftuinen 24
Proeftuin Logistieke hub met H 2 -toepassingen : heftrucks, vrachtwagens, binnenvaartschepen 25
Power for Growth: vergroening ammoniak en producten die daar op volgen Ketenaanpak: meerkosten elektrolyse absorberen in de keten 26
Centrale H 2 -productie met CCS: decarbonisatie CH 4 met op-/ombouw infrastructuur en decentraal gebruik 27
Duurzame waterstof en klimaatneutrale koolstof voor duurzame chemische producten en materialen 28
Bedankt voor uw aandacht