Holland Hydrogen 1, een bescheiden begin van een grote waterstofambitie

De HH1 krijgt een vermogen van 200 megawatt en wordt gevoed met duurzame elektriciteit van het windpark Hollandse Kust Noord, dat Shell samen met Eneco bouwde. De elektrolysers die in de HH1 op de Maasvlakte worden geïnstalleerd gebruiken de windstroom om watermoleculen (H2O) te splitsen in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Omdat er groene stroom wordt gebruikt, is de geproduceerde waterstof ook groen. Tijdens de hele productieketen komt geen grammetje van het broeikasgas CO2 vrij.

Energietransitie

Groene waterstof gaat volgens energie-experts een grote rol spelen in de energietransitie. Met name voor de verduurzaming van de chemie, industrie en de zware mobiliteit. Voor toepassingen waar directe elektrificatie lastig of onmogelijk is, biedt waterstof uitkomst. 

Desondanks is Shell het enige bedrijf dat een grote groene waterstoffabriek aan het bouwen is. Dat is eigenlijk opmerkelijk, want er is een grote hoeveelheid waterstof nodig om de industrie te verduurzamen. In de Europese RED III-regelgeving (Renewable Energy Directive) is vastgelegd dat de industrie in 2030 tenminste 42 procent van zijn waterstofverbruik moet hebben verduurzaamd. Er zijn allerlei uitzonderingen uitonderhandeld, maar de bottom line is wel dat er een markt ontstaat voor groene waterstof. 

Shell gaat de waterstof die straks uit de HH1 komt gebruiken in zijn fabrieken op Pernis. In de raffinaderij worden op dit moment nog grote hoeveelheden grijze waterstof gebruikt. Die waterstof wordt gewonnen uit fossiele bronnen (en reststromen) en is dus niet duurzaam. Raffinaderijen hebben waterstof nodig om hoogwaardige brandstoffen uit ruwe olie te kunnen produceren. Zo is waterstof essentieel om brandstoffen te ontzwavelen.

Bescheiden begin

De HH1 kan straks 60.000 kilogram groene waterstof per dag produceren. Dat klinkt veel, en dat is het ook. Tegelijk is het maar 5 tot 10 procent van het waterstofverbruik van de Shell-fabrieken op Pernis, de grootste raffinaderij in Europa. “We bouwen de grootste waterstoffabriek van Europa, en tegelijkertijd is het een bescheiden begin”, zegt Lydia Boktor, die als waterstof-expert werkt op de afdeling corporate affairs van Shell.  

Om dat te illustreren: 60.000 kilo groene waterstof per dag komt overeen met 20.000 ton op jaarbasis. In 2030 zou de Europese Unie volgens de ambities van Brussel 10 miljoen ton groene waterstof moeten produceren, en nog eens 10 miljoen ton per jaar moeten importeren. De productie van de HH1, het grootste groene waterstofproject in Europa, is goed voor 0,2 procent van die Europese ambitie. 

Een klein begin dus. Het is niet voldoende om aan de marktvraag te voldoen die voortvloeit uit de RED III-norm. Om aan de Europese productie-ambitie van 10 miljoen ton groene waterstof te voldoen zijn 500 elektrolysers van de omvang van de HH1 nodig. Nog 499 te gaan dus. Afgelopen week kondigde Shell aan de investeringsbeslissing te hebben genomen om in Duitsland een elektrolyser van 100 megawatt te bouwen. Deze Refyne-elektrolyser moet de fabrieken op het ‘Shell Energy and Chemicals Park Rheinland’ helpen verduurzamen, net als de HH1 dat op pernis gaat doen. 

Blauwe waterstof

Dat betekent dat Shell en alle andere industriële grootverbruikers tijdelijk blauwe waterstof zullen moeten gebruiken. Blauwe waterstof wordt net als grijze waterstof gemaakt van fossiele bronnen, maar de CO2 die bij de productie vrijkomt wordt afgevangen en ondergronds opgeslagen, bijvoorbeeld in lege gasvelden onder de Noordzee.

Voorlopig houdt Shell zijn productiecapaciteit om grijze (en dus ook blauwe) waterstof te maken overeind. In de zogenoemde Shell Gasification Hydrogen Plant (SGHP) wordt waterstof gewonnen uit de zwaarste oliesoorten. Dat veroorzaakt een relatief hoge CO2-uitstoot. Via het Porthos-project wordt straks jaarlijks zo’n 1 megaton CO2 uit de SGHP afgevangen en opgeslagen. De geproduceerde waterstof is dan niet meer grijs maar blauw. 

Een andere waterstofinstallatie op Pernis gebruikt aardgas en heeft een vermogen dat gelijkwaardig is aan dat van de HH1. Als de HH1 straks op volle toeren draait, wordt deze installatie op een lager pitje gezet. Maar als het niet waait, en er dus geen groene stroom is om de HH1 te voeden, dan is die nog nodig, want de raffinaderij is 24 uur per dag en 7 dagen per week in bedrijf. “Het is onze dimmer”, omschrijft Boktor van Shell. “Het wordt de flexibele schil van onze waterstofproductie. Die kan een eventuele lagere productie van de HH1 opvangen.” 

Positieve ontwikkelingen

Nieuwe waterstoffabrieken hikken vanwege de inflatie van de afgelopen jaren tegen hogere kosten aan en moeten bovendien een aansluiting op het stroomnet zien te krijgen, wat vanwege netcongestie geen sinecure is. 

Er zijn kortom positieve ontwikkelingen nodig om een goed functionerende groene waterstofeconomie van de grond te krijgen. Daarvoor moeten de vraag- en de aanbodzijde van de waterstofmarkt zich hand in hand ontwikkelen. Dat blijkt in de praktijk lastig. Bedrijven die groene waterstof willen gaan produceren worden geconfronteerd met hoge kosten en onzekerheden op het gebied van marktvraag en regelgeving. En bedrijven die groene waterstof willen gaan gebruiken, zoals staalfabrieken en chemiebedrijven, moeten hun productieprocessen ombouwen en hebben dezelfde financiële en juridische onzekerheden als de producenten. 

Elektrolysers; verschillende technologieën

Het Duitse Thyssenkrupp Nucera levert tien elektrolysers met een vermogen van 20 megawatt per stuk voor de Holland Hydrogen 1 van Shell. Het gaat om zogenoemde alkalische elektrolysers. Maar er zijn meer technologieën om duurzame waterstof te produceren. De meest gebruikte en veelbelovende zijn: 

1. Alkalische Elektrolyse
   Deze technologie gebruikt een geleidende oplossing van kalium of natrium. Het elektrolyseproces vindt plaats in een cel waar water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof door middel van een elektrische stroom. Alkalische elektrolysers staan bekend om hun robuustheid, betrouwbaarheid en lange levensduur.
2. PEM Electrolysers (Proton Exchange Membrane)
   Deze technologie gebruikt een protonen geleidend membraan (PEM) om water te splitsen in waterstof en zuurstof. PEM-elektrolysers hebben een compact en flexibel ontwerp, wat ze geschikt maakt voor dynamische toepassingen waar een snelle respons op veranderingen in de stroomvoorziening nodig is. Ze worden vaak gebruikt voor toepassingen waar een hoge zuiverheid van waterstof en een snelle opstart- en afschakeltijd vereist is.
3. SOEC-elektrolysers (Solid Oxide Electrolyzer Cells)
   SOEC's werken bij hoge temperaturen (700-1000°C) en gebruiken keramisch materiaal als stroomgeleider. Deze technologie is zeer efficiënt omdat het gebruik maakt van warmte die kan worden hergebruikt binnen het systeem. Het is vooral geschikt voor industriële toepassingen waar al hoge temperatuur warmte beschikbaar is.
4. AEM-elektrolysers (Anion Exchange Membrane):
   AEM-elektrolysers gebruiken een combinatie van alkalische als PEM-technologie. Door de toepassing van niet-edelmetalen worden de kosten gedrukt. Deze technologie is nog in ontwikkeling maar heeft potentieel voor lagere kosten en verbeterde efficiëntie.
5. Foto-elektrochemische elektrolysers (PEC):
   Deze technologie gebruikt zonne-energie om water te splitsen in waterstof en zuurstof, zonder tussenkomst van elektriciteit.PEC-cellen bestaan uit halfgeleiders die licht absorberen en de energie gebruiken om water te splitsen. Deze technologie is aantrekkelijk vanwege het directe gebruik van zonne-energie, maar is nog in een vroeg ontwikkelingsstadium.
6. Biologische waterstofproductie:
   Dit proces maakt gebruik van micro-organismen zoals algen en bacteriën die waterstof kunnen produceren op biologische wijze. Onder bepaalde omstandigheden (bijvoorbeeld in afwezigheid van zwavel) kunnen sommige microalgen waterstof produceren door natuurlijke fotosynthese. Biologische productie is een interessante en duurzame optie, maar de schaalbaarheid en efficiëntie moeten nog aanzienlijk worden verbeterd.
7. Thermochemische watersplitsing:
   Hierbij wordt gebruikgemaakt van thermochemische cycli, waarbij water wordt gesplitst door middel van chemische reacties die worden aangedreven door warmte, vaak van zonne- of nucleaire bronnen. Een voorbeeld is de Zwavel-Jodium (S-I) cyclus, die zeer hoge temperaturen vereist (boven de 800 graden Celsius). Deze methode heeft veel potentie voor efficiënte waterstofproductie, maar vereist nog veel onderzoek en ontwikkeling.