Biowaterstof realistisch: donkere fermentatie, reforming van biogas en elektrolyse bij een biogasinstallatie

Waterstof wordt vaak voorgesteld als de oplossing die alles zal vervangen, of als een technologie die nooit rendabel zal zijn. De waarheid ligt in het midden en hangt af van de toepassing. Waterstof uit biomassa en afval, biowaterstof genoemd, is een van de onderdelen van de energiepuzzel die zinvol kan zijn waar er een afnemer is en de grondstof goedkoop en lokaal beschikbaar is. Op een dag gewijd aan energetische zelfvoorziening is het gepast om het zonder enthousiasme en vooroordelen te beoordelen, op basis van de balans.

Drie verschillende zaken onder één noemer

Het begrip „biowaterstof” omvat drie afzonderlijke routes, elk met een verschillende mate van volwassenheid. Een algemeen overzicht vindt u in het artikel Biowaterstof: wat het werkelijk betekent en wat de productieroutes zijn. Hieronder bespreken we ze vanuit het oogpunt van bruikbaarheid in de nabijheid van een biogasinstallatie.

Donkere fermentatie: interessant, maar vroeg stadium

Bij donkere fermentatie breken bacteriën suikers af zonder licht en zuurstof, waarbij waterstof en vluchtige vetzuren worden geproduceerd. De theoretische grens ligt bij vier mol H₂ per mol glucose, overeenkomend met de route met azijnzuur; bij de route met boterzuur is dit twee mol. In de praktijk, wanneer ook andere producten ontstaan (bijv. lactaten, ethanol) en een deel van de waterstof wordt verbruikt in nevenreacties, is de opbrengst duidelijk lager, oriëntatiegewijs in de orde van één tot twee mol. Er blijven zuren over, waarin nog steeds het grootste deel van de energie van het substraat zit, daarom combineert het tweestapsconcept de waterstoffase met een tweede, methaanfase. Het voordeel is het gebruik van afval dat rijk is aan makkelijk afbreekbare suikers, het nadeel is de instabiliteit van het proces, de lage waterstofconcentratie in het gas en de kosten van de zuivering ervan. Details worden beschreven in het artikel Donkere fermentatie: waterstof uit organisch afval, opbrengst en beperkingen. De technologie bevindt zich in de onderzoeks- en pilotfase; op industriële schaal is deze vandaag nog niet algemeen toegepast.

Reforming van biogas en biomethaan

Stoomreforming zet methaan en waterdamp om in waterstof en CO₂. Technisch gezien is dit een volwassen proces, bekend uit de aardgasindustrie, en gevoed met biomethaan of biogas levert het waterstof uit een hernieuwbare bron. Echter, elke mol methaan die we omzetten in waterstof, gaat als biomethaan verloren, en het omzettingsrendement is lager dan 100%. Dit proces is zinvol wanneer:

• de afnemer waterstof nodig heeft in plaats van methaan, bijvoorbeeld in een industrieel proces,
• de ontstane CO₂, van biogene oorsprong, kan worden afgevangen en benut,
• gebrek aan toegang tot het gasnet de verkoop van biomethaan onmogelijk maakt.

De balans wordt beschreven in het artikel Stoomreforming van biogas en biomethaan tot waterstof: balans en CO₂. Een voorbeeld van integratie van drijfmest, biomethaan en waterstof uit Japan wordt getoond in het artikel Shikaoi op Hokkaido.

Elektrolyse bij een biogasinstallatie

Een elektrolyser splitst water in waterstof en zuurstof met behulp van elektrische energie. Bij een biogasinstallatie biedt dit drie extra mogelijkheden: het gebruik van zuurstof (bijv. voor micro-oxygenatie ter ontzwaveling of nabehandeling van water), restwarmte van de elektrolyser, en de combinatie van waterstof met biogeen CO₂ in methanisering, zoals beschreven in het artikel Methanisering en power-to-gas met biogeen CO₂. Echter, waterstof uit elektrolyse is slechts zo hernieuwbaar als de gebruikte elektriciteit, en de gedelegeerde verordening 2023/1184 stelt voorwaarden aan hernieuwbare brandstoffen van niet-biologische oorsprong (RFNBO), zoals additionality en temporele correlatie. Het energieverbruik van een elektrolyser bedraagt oriëntatiegewijs ongeveer 50–55 kWh per kilogram waterstof (een benaderende waarde, afhankelijk van technologie en bedrijfsomstandigheden), bij een stookwaarde van waterstof van ca. 33 kWh/kg. Dit betekent dat de kosten van elektriciteit en het aantal bedrijfsuren bepalend zijn voor de rendabiliteit. Bij zeldzame inzet tijdens perioden van goedkope overschotten, worden de kapitaalkosten verdeeld over een kleine hoeveelheid product.

Waar waterstof zinvol is en waar nog niet

Leidend principe: waterstof is zinvol waar er een concrete afnemer is, en niet als doel op zich. In de meeste agrarische biogasinstallaties zullen biomethaan of elektriciteit en warmte een beter resultaat opleveren, en waterstof zal pas verschijnen wanneer de markt en de techniek volwassen zijn.

Afhankelijkheid en onafhankelijkheid

Waterstof is geen primaire brandstof: het moet worden geproduceerd, en dat vereist energie of grondstof. De bijdrage ervan aan de zelfvoorziening van een land hangt dus af van de herkomst van deze input. Waterstof uit binnenlands afval en binnenlandse hernieuwbare energie kan een element van lokale onafhankelijkheid zijn; waterstof geproduceerd uit geïmporteerd gas verzwakt deze. Eerlijkheidshalve moet worden benadrukt dat voor belangrijke beslissingen nog langdurige operationele ervaring ontbreekt. Daarom is het de moeite waard om pilotprojecten te volgen, te leren van de resultaten en niet meer te beloven dan wat met metingen is bevestigd.

Artikelen uit de serie die het lezen waard zijn: Energetische onafhankelijkheid begint lokaal en Biomethaan als binnenlandse brandstof.