In de discussie over de toekomstige rol van groen waterstof verschijnen regelmatig berichten dat het onverstandig is om groene waterstof in te zetten voor het verwarmen van woningen, zoals onlangs dit artikel in Trouw: ‘CV-ketel op waterstof is voor het klimaat een heel slecht idee‘. Huizen zouden beter verwarmd kunnen worden met elektrische warmtepompen die draaien op groene stroom, zodat schaarse groene waterstof beschikbaar blijft voor toepassingen die dat echt nodig hebben. Om een aantal redenen is dat een misvatting.
- Winter en zomer
Een groot probleem is dat er in de vier maanden van het jaar dat de verwarming draait volstrekt onvoldoende groene stroom beschikbaar is om alle bestaande woningen via elektrische warmtepompen te verwarmen. Dit is een probleem dat in de toekomst niet zomaar kan worden opgelost. Oorzaak is de fundamentele onbalans tussen vraag en aanbod: zon-aanbod is in de wintermaanden een factor 10 lager dan in de zomer waardoor groene stroom in de winter altijd schaars zal blijven, terwijl de energievraag voor warmte in de winter juist factoren hoger is. Daarom is seizoensopslag van energie nodig. Seizoensopslag van groene stroom is in Nederland niet mogelijk. Seizoensopslag kan bijvoorbeeld wel met warmte of groene waterstof.
Figuur 1. In de wintermaanden is gemiddeld zo’n 4 PJ per dag aan energie nodig voor verwarming van de gebouwde omgeving (het verschil tussen gemiddeld gasverbruik in de winter en in de zomer), wat in koude periodes kan verdubbelen tot zo’n 8 PJ. Om deze warmte geheel met elektrische warmtepompen te leveren (COP = 3) zou de hele keten van elektriciteitsopwekking moeten verdubbelen tot verdriedubbelen. Die keten zou in de winter dan ook nog groen moeten zijn. Zonder groene waterstof kan dit in NL alleen met windenergie, wat dan tot zware overcapaciteit in de zomer zou leiden, dit terwijl elektriciteit uit wind nu nog minder dan 10% bijdraagt. Dit zou de stroom onbetaalbaar maken (en héél veel ruimte kosten).
Het is daarom ook niet de bedoeling om schaarse groene stroom in de winter eerst in groene waterstof om te zetten, om deze waterstof dan op hetzelfde moment via het gasnet in waterstofketels te verbranden. Dat is een onzinnige route. De schaarse groene stroom die in de winter wordt opgewekt kun je inderdaad efficiënter via elektrische warmtepompen in warmte omzetten, bijvoorbeeld in nieuwbouw situaties waar elektrische warmtepompen efficiënt werken. Door deze schaarste zal groene stroom in de winter in Nederland bovendien duur zijn, waardoor (grootschalige) groene waterstof productie in de winter ook economisch niet logisch is.
Door de explosieve groei van zonnestroom zal er in de zomer wel steeds meer duurzame energie beschikbaar komen. In de zomer zal overcapaciteit de duurzame energie goedkoper maken wat de groei van wind en zon uiteindelijk zal remmen. De vraag is of het kostprijsverschil tussen zomer en winter de kosten van omzetting en opslag van waterstof lokaal haalbaar zal maken. Deze lokale productie zal immers moeten gaan concurreren met groene waterstofproductie in zuidelijke landen. Daar is (veel) meer zon en ruimte. Chili bijvoorbeeld wil vol inzetten op de productie van groene waterstof. Deze internationale productie zal gaan concurreren met lokale duurzame productie, met name doordat de kosten van ruimtegebruik in Nederland toenemen.
- Bestaande woningen
De verwarming van bestaande woningen vormt een enorme uitdaging. Echt goed isoleren is te kostbaar of om bouwtechnische of esthetische redenen niet mogelijk, de warmte-afgifte gebeurt meestal met radiatoren op hogere temperaturen, en de capaciteit van het bestaande electriciteitsnet is beperkt. De warmtevraag in de winter is enorm terwijl het aanbod van duurzame energie dan juist beperkt is. Volledig elektrificeren is daardoor onmogelijk dus complementaire alternatieven zoals warmtenetten en groen gas zijn noodzakelijk. Er zal in de toekomst daarom een groeiende vraag ontstaan naar groen gas en groen waterstof. De marktwerking zal bepalen wanneer en hoeveel waterstof richting de bebouwde omgeving gaat, in concurrentie met de vraag uit de industrie en de transportsector.
- Innovaties
Na seizoensopslag kan omzetting van waterstof naar warmte zowel via de elektriciteitsketen als de waterstofketen plaatsvinden. Door innovaties verbetert het ketenrendement van beide ketens doorlopend.
Het rendement van de elektriciteitsketen begint bij de centrale. Nog te ontwikkelen STEG centrales op waterstof zullen een gemiddeld elektrisch rendement van zo’n 50% halen. In bestaande woningen met hoge temperatuur afgiftesystemen kunnen moderne lucht-water warmtepompen een seizoensrendement van 3.0 realiseren (incl. bereiding van warm tapwater). Inclusief elektrische transportverliezen wordt het seizoensrendement van de elektriciteitsketen voor verwarming van bestaande woningen daarom ongeveer 1.5.
De omzetting van waterstof naar warmte zal in de toekomst efficiënter dan 100% worden, door toepassing van in ontwikkeling zijnde gaswarmtepomp (1) en brandstofceltechnologiën (2), waarmee in bestaande woningen een seizoensrendement van minimaal 150% kan worden bereikt. Door combinatie van technologiën (3) zullen nog hogere rendementen beschikbaar komen.
De ketenrendementen van de elektriciteits- en de waterstofketen verschillen daarmee niet meer zoveel, en zeker niet in de mate zoals vaak wordt geclaimd.
(1) Zie bijvoorbeeld de websites van: Robur, Cooll, Boostheat. Ook ATAG/Ariston brengt binnenkort een gaswarmtepomp op de markt.
(2)Zie bijvoorbeeld de websites van: BDR Thermea, Viessmann.
(3) Bijvoorbeld door de integratie van brandstofcel en thermisch aangedreven warmtepomp technologieën.
Ook de efficiëntie van de grootschalige productie van waterstof zit in een stijgende lijn, en zal snel boven de 70% komen te liggen als gevolg van alle innovatie inspanningen. Ook de kostprijs van waterstofproductie zal verder dalen door innovaties als deze: A potential game-changing green hydrogen technology En last but not least: er vindt internationaal veel fundamenteel onderzoek plaats naar rechtstreekse waterstofproductie via fotosynthese en fotolyse, wat op termijn wellicht tot een doorbraak zal leiden.
- Kostprijs
Het is een misvatting dat efficiëntie een dominante factor is voor succes in de markt. Efficiëntie is slechts een factor in de kostprijs van de keten. Moderne verbrandingsmoteren in uw auto hebben slechts een efficiëntie van 28%. Toch heeft de verbrandingsmotor de wereld veroverd. Olie was vrijwel gratis, goedkoop te transporteren en op te slaan dus de keten bood u goedkope energie ondanks een inefficiënte omzetting naar arbeid middels de verbrandingsmotor. Goedkope energie is altijd bepalend geweest voor economische groei en macht. Nederland was een wereldspeler in de gouden eeuw omdat wij gratis wind het beste wisten om te zetten in arbeid met onze zeilschepen en molens. Het Engelse rijk is groot geworden dankzij de industriële revolutie die gebaseerd is op goedkope energie uit steenkolen. Tenslotte is de VS een wereldmacht geworden dankzij de toegang tot goedkope energie uit olie en momenteel gas. Kernenergie is niet dominant geworden omdat de kostprijs niet concurrerend was met olie en gas. Wind, zon en ook waterstof zijn inmiddels goedkoper dus heeft kernenergie ook geen toekomst meer. Ook voor duurzame energie is de totale kostprijs van opwekking, transport, opslag en omzetting naar arbeid of warmte, bepalend voor het succes.
Conclusie: Bovenstaande redenen maken duidelijk dat groene waterstof (in combinatie met innovatieve hoogefficiënte omzettingstechnieken) een belangrijk rol kan krijgen in het landschap van complementaire technieken die nodig zijn voor de verduurzaming van de verwarming van onze woningen.
