Onderzoek

De rol van biogas en groen gas in een klimaatneutraal energiesysteem

7 oktober 2022 9:00

Nederland zit middenin een transitie naar een klimaatneutraal energiesysteem. Er is veel aandacht voor de rol van CO₂-arme elektriciteit, maar in het energiesysteem van de toekomst zijn ook CO₂-arme brandstoffen nodig. Een deel van die brandstoffen komt in de vorm van biogas. De productie hiervan moet tussen 2022 en 2030 vernegenvoudigen, maar er is nog wel een aantal aandachtspunten bij investeringen in nieuwe productiefaciliteiten.

Some towers of a biogas-plant, in front some corn-plants for the biogas-manufacturing. Selective focus on plant. XL size image.

De rol van elektriciteit wordt groter

Het huidige Nederlandse energiesysteem is grotendeels gestoeld op fossiele brandstoffen. Energiebronnen als aardgas, aardolie(producten) en steenkool worden ingezet voor de productie van warmte en elektriciteit, om in de mobiliteitsbehoefte te voorzien, en als grondstof in de industrie. Tussen nu en 2050 wordt een aanzienlijk deel van de energievraag geëlektrificeerd, voornamelijk omdat de opwekking van hernieuwbare elektriciteit met behulp van zonnepanelen en windturbines de meeste potentie biedt voor de opwekking van hernieuwbare energie. Daarom sturen overheden hier op aan. Nu maakt elektriciteit ongeveer 15 procent uit van het totale finale energieverbruik[1], in 2050 is dat mogelijk gestegen tot 25 à 30 procent. Elektriciteit kan echter niet in de volledige behoefte van energie voorzien. Dit komt voornamelijk omdat elektriciteit lastig in grote hoeveelheden en voor langere tijd is op te slaan.

[1]Het totale finale energieverbruik bestaat uit het energieverbruik van eindgebruikers (industrie, gebouwde omgeving, mobiliteit en landbouw) plus het gebruik van energiedragers als grondstof (bijvoorbeeld voor de productie van ammoniak of plastics).

Brandstoffen blijven onmisbaar

Elektriciteit kan dus niet de volledige energievraag afdekken. Zo is de verwachting dat voor zwaar transport over lange afstanden brandstoffen nodig blijven omdat batterijen te groot en te zwaar zijn om de benodigde hoeveelheid energie te kunnen leveren. Denk bijvoorbeeld aan langeafstandsvluchten en (internationale) scheepvaart. Daarnaast blijven bepaalde zware machines, zoals tractoren en bulldozers, waarschijnlijk gebruikmaken van brandstoffen. En voor de grootschalige productie van warmte, die via een warmtenet aan klanten wordt geleverd, blijven brandstoffen nodig voor de invulling van de piekvraag. Hernieuwbare warmtebronnen zoals geothermie leveren namelijk door het jaar heen ongeveer dezelfde hoeveelheid warmte, terwijl de vraag naar warmte per seizoen sterk varieert.

Ook om de leveringszekerheid van elektriciteit te kunnen garanderen, blijven brandstoffen nodig. Het gaat hierbij vooral om het overbruggen van zogenaamde ‘dunkelflautes’: periodes waarin vrijwel geen zonne- en windenergie kan worden opgewekt. Een dunkelflaute kan weken aanhouden, waardoor alleen de inzet van opgeslagen elektriciteit uit batterijen niet voldoet. Ten slotte zijn brandstoffen onmisbaar voor de industrie. Ten eerste voor de productie van warmte van zeer hoge temperaturen. Dit type warmtevraag is lastig te elektrificeren omdat dit zowel aanpassing van de productieprocessen als zeer zware elektriciteitsinfrastructuur vergt. Ten tweede heeft de industrie C- en H-atomen nodig als grondstof voor de productie van bijvoorbeeld kunstmest en plastics. Deze atomen kunnen niet uit elektriciteit worden gewonnen.

Naast bovengenoemde toepassingen waarvoor brandstoffen onontbeerlijk zijn, kunnen brandstoffen ook worden ingezet voor toepassingen waar een elektrisch of warmte-alternatief technisch gezien wel mogelijk is. Zo gaat het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) ervan uit dat een hernieuwbaar gas (groen gas of groene waterstof) in sommige wijken de eindoplossing is voor het vervangen van aardgas omdat dit voor een aanzienlijk deel van de wijken maatschappelijk gezien het goedkoopste alternatief is. Het is bijvoorbeeld voor oude, slecht geïsoleerde panden erg kostbaar om over te schakelen op een volledig elektrisch alternatief omdat hiervoor een zeer goede mate van isolatie nodig is. Daarnaast is de aanleg van warmtenetten in niet-stedelijke gebieden vaak niet haalbaar omdat dit type energie-infrastructuur veel duurder is dan aardgasinfrastructuur en er dus een groot aantal aansluitingen per strekkende meter nodig is om de aanleg rendabel te maken. In oude binnensteden is de aanleg van warmtenetten soms niet haalbaar omdat daar te weinig ruimte voor is in de ondergrond. Voor de gebouwde omgeving ligt toepassing van een hernieuwbaar gas daarom voor de hand in oude binnensteden met veel monumentale panden en in dunbevolkte gebieden.

CO₂-arme brandstoffen zijn schaars

Het energiesysteem van de toekomst kan dus niet zonder brandstoffen. Het lastige is dat CO₂-arme brandstoffen schaars[2] zijn. Biomassa is de enige directe bron. Bij verbranding komt wel CO₂ vrij, maar diezelfde hoeveelheid CO₂ is tijdens de vorming van de biomassa aan de atmosfeer onttrokken[3]. Biomassa wordt daarom CO₂-neutraal genoemd. Fossiele energiebronnen kunnen in principe ook worden gebruikt in een klimaatneutraal energiesysteem, maar dan moet de bij verbranding vrijkomende CO₂ wel worden afgevangen en opgeslagen[4]. Dit wordt CCS (Carbon Capture and Storage) genoemd. Ten slotte gaat CO₂-arme waterstof (en daarvan afgeleide producten zoals synthetische brandstoffen) een rol spelen.

Waterstof is een energiedrager en geen energiebron. Het moet dus worden gemaakt door omzetting vanuit een energiebron. Dit kan grofweg op twee manieren: via elektrolyse van water met behulp van elektriciteit, oftewel groene waterstof, en door omzetting van aardgas waarbij CCS wordt toegepast, ook wel blauwe waterstof genoemd (zie figuur 1). CCS wordt in Nederland echter nog niet toegepast en ook de grootschalige productie van groene waterstof staat nog in de kinderschoenen.

[2]Het energiesysteem van de toekomst moet klimaatneutraal zijn, oftewel netto geen broeikasgassen uitstoten. Dat kan bijvoorbeeld door over te schakelen op groene energie: energie met een hernieuwbare oorsprong waar bij opwekking en gebruik geen uitstoot van CO2 plaatsvindt. Denk hierbij aan elektriciteit opgewekt door zonnepanelen en windmolens. Of door een overstap naar blauwe energie. Dit is energie met een fossiele oorsprong waarbij de bij verbranding geproduceerde CO2 grotendeels wordt afgevangen waardoor dit broeikasgas in mindere mate in de atmosfeer terecht komt. Ook nucleaire energie kan een optie zijn. Dit is niet hernieuwbaar (en dus niet groen), maar leidt vrijwel niet tot CO2-uitstoot.

[3]Tegenstanders van het gebruik van biomassa zijn van mening dat elke vorm van CO₂-uitstoot, ook dat van biomassa, moet worden vermeden om de doelstellingen van het Klimaatakkoord van Parijs te kunnen behalen. Zij beargumenteren dat het beter is om de recentelijk door biomassa aan de atmosfeer onttrokken CO2 niet vrij te laten komen. Ook benadrukken zij dat bij verbranding van biomassa andere schadelijke stoffen vrijkomen, zoals fijnstof, zwavel- en stikstofoxiden. Voorstanders beargumenteren dat aan alle vormen van energieopwekking voor- en nadelen zitten, dat de klimaatopgave waar we voor staan zo groot is dat de inzet van bepaalde typen biomassa niet kan worden uitgesloten en dat het niet inzetten van bepaalde typen biomassa voor de energievoorziening ook leidt tot de uitstoot van broeikasgassen. Denk bijvoorbeeld aan afvalstromen die gaan rotten wanneer ze niet worden verbrand.

[4] Dit is echter niet circulair en Nederland heeft ook het doel om in 2050 volledig circulair te zijn.

Figuur 1: Mogelijkheden voor de productie van CO₂-arme elektronen en brandstoffen

Bron: RaboResearch 2022

Wat is biomassa?

Biomassa is stof van organische oorsprong. Er zijn veel soorten biomassa, waarbij twee hoofdcategorieën kunnen worden gedefinieerd. De eerste categorie bestaat uit reststromen, waaronder snoeiafval, gft-afval, rest- en afvalhout, reststromen uit de levensmiddelenindustrie, rioolwaterslib, oud papier en agrarische reststromen zoals mest. Bij de tweede categorie gaat het om biomassa die speciaal is geteeld of gekweekt voor energieopwekking, zoals palmolie, koolzaadolie, maïs, suikerriet en bomen.

Vooral de inzet van de laatste categorie biomassa voor de energievoorziening is controversieel omdat dit kan leiden tot grootschalige ontbossing in het geval van de inzet van bomen en tot verdringing van de voedselproductie in het geval van de inzet van eetbare gewassen. Er moet dus duidelijk onderscheid worden gemaakt tussen biomassa uit afval- en reststromen en speciaal voor de energievoorziening geteelde biomassa. De inzet van biomassa voor de energievoorziening wordt enkel gezien als duurzaam indien de biomassa voldoet aan door de Europese Unie gedefinieerde criteria.

Energie uit biomassa, ook wel bio-energie of biobrandstoffen genoemd, bestaat in verschillende aggregatietoestanden: gasvormig (biogas/groen gas), vloeibaar (bijvoorbeeld biodiesel en biokerosine) en vast (hout). Vloeibare biobrandstoffen zijn voornamelijk geschikt om fossiele transportbrandstoffen te vervangen en biogas/groen gas om aardgas te vervangen. Groen gas kan echter in de vorm van Liquified Natural Gas (LNG) ook bijdragen aan de vervanging van fossiele transportbrandstoffen.

Wat is het verschil tussen biogas en groen gas?

Biogas is gas geproduceerd uit biomassa, oftewel uit organisch (rest)materiaal. In Nederland wordt voornamelijk slib, dierlijke mest en groente-, fruit- en tuinafval (gft) gebruikt. De samenstelling van biogas wijkt af van die van aardgas en kan daarom niet rechtstreeks worden ingevoed in het aardgasnet. Daarvoor is opwerking nodig tot aardgaskwaliteit. Als dat gebeurt, is het groen gas.

De rol van biogas en groen gas

In verschillende systeemstudies is gekeken naar de mogelijke rol van biogas en groen gas in het Nederlandse energiesysteem in 2050. Aangezien biogas/groen gas schaars is en blijft vanwege gelimiteerde hoeveelheden organische (rest)stromen, is het de vraag waar deze schaarse brandstof het beste kan worden ingezet. Oftewel: welke sectoren zijn bereid het meest te betalen voor biogas/groen gas omdat er geen of alleen duurdere alternatieven zijn? Het meest kansrijk lijkt inzet in de binnenvaart en bij zwaar materieel zoals bulldozers en vorkheftrucks in de vorm van bio-LNG.

Daarnaast is de verwachting dat biogas/groen gas een rol gaat spelen bij de piekproductie van warmte voor warmtenetten. Ook in de glastuinbouw lijkt toepassing van biogas/groen gas een serieuze optie. Het grote voordeel ten opzichte van de inzet van alternatieven in deze sector is dat de bij verbranding vrijkomende CO₂ kan worden ingezet voor de groei van de gewassen. Aparte aanlevering van CO₂ is dan niet nodig. Onzeker is of biogas/groen gas ook gaat worden ingezet voor de piekproductie van elektriciteit en in de industrie, aangezien CO₂-arme waterstof en fossiele brandstoffen in combinatie met CCS voor die toepassingen mogelijk een beter alternatief zijn.

Om het gebruik van aardgas richting 2050 te vergroenen en Nederland minder afhankelijk te maken van buitenlands aardgas, wil het kabinet-Rutte IV de productie van biogas/groen gas stimuleren. In dat kader is besloten om groen gas te gaan bijmengen in het aardgasnet. In de kamerbrief over de bijmengverplichting van groen gas staat beschreven dat in 2025 0,15 miljard kubieke meter (bcm) moet worden bijgemengd, oplopend tot ongeveer 1,6 bcm vanaf 2030 (overeenkomstig met 20% van het verwachte aardgasverbruik van de gebouwde omgeving).[5]

[5] Deze inschatting is gemaakt voordat de prijs van aardgas sinds halverwege 2020 enorm is gestegen. Als het aardgasverbruik in de gebouwde omgeving sinds die tijd is gedaald, is de benodigde 1,6 bcm dus een overschatting.

Tabel 1: Mogelijke toepassing van biogas/groen gas in een klimaatneutraal energiesysteem

Bron: Berenschot en Kalavasta 2020, TNO 2022, RaboResearch 2022

De productie van biogas en groen gas

Biogas wordt tot op heden vooral geproduceerd middels vergisting van dierlijke mest, slib, gft-afval, gras en afval van stortplaatsen. Naast vergisting is het mogelijk om biogas te produceren door vergassing van droge, houtige biomassastromen, maar deze technologie bevindt zich nog in de beginfase. Daarnaast kan in de toekomst mogelijk zogenaamde superkritische watervergassing worden toegepast, maar ook deze technologie wordt nog niet commercieel toegepast.

Een groot voordeel van de omzetting van afvalstromen in biogas, en met name de omzetting van runderdrijfmest, is dat dit leidt tot een verminderde uitstoot van broeikasgassen omdat methaanemissies worden vermeden. Methaan is een 28 keer sterker broeikasgas dan CO₂.

In Nederland werd in 2021 0,22 bcm groen gas geproduceerd, goed voor ongeveer een half procent van het totale aardgasverbruik. In het Nederlandse Klimaatakkoord uit 2019 is afgesproken dat in 2030 2 bcm groen gas moet worden geproduceerd. Dat betekent een vernegenvoudiging ten opzichte van het productieniveau van 2021. Rob Jetten, minister voor Klimaat en Energie, noemt deze doelstelling in de kamerbrief over de bijmengverplichting van groen gas ‘ambitieus’ en geeft aan dat ‘een stevige inzet van het Rijk en haar partners vereist is’.

Als het lukt om in 2030 2 bcm groen gas te produceren, dan is dit voldoende om de bijmengverplichting van 20 procent af te kunnen dekken, aangezien de inschatting is dat daar ongeveer 1,6 bcm voor nodig is.[6] Het overige groene gas is dan beschikbaar voor andere toepassingen.

[6] Deze inschatting is gemaakt voordat de prijs van aardgas sinds halverwege 2020 enorm is gestegen. Als het aardgasverbruik in de gebouwde omgeving sinds die tijd is gedaald, is de benodigde 1,4 bcm dus een overschatting.

De kosten van de productie van groen gas

Volgens het rapport 'Biomethane Can Help EU End Its Reliance on Russian Gas' (BloombergNEF, 2022) kost de productie van groen gas (dus inclusief opwerking naar aardgaskwaliteit) ongeveer 55 tot 80 euro per MWh. Dit is veel minder dan de huidige aardgasprijzen. De investeringskosten bedragen ongeveer 3,1 miljoen euro per MW maar verwacht wordt dat deze kunnen dalen tot 2,6 miljoen per MW in 2030. Een belangrijke manier om de investeringskosten naar beneden te brengen, is clustering van de productiefaciliteiten, zodat bijvoorbeeld kan worden bespaard op de kosten van de netaansluiting. Dit kan vervolgens ook weer leiden tot een hoger productieniveau van groen gas.

Aandachtspunten bij investeringen in nieuwe biogasproductiecapaciteit

Overheidsbeleid en vergunningen

Zowel de Europese Unie als de Nederlandse overheid willen dat de productie van biogas/groen gas de komende jaren sterk toeneemt. Ter ondersteuning wil Europa daarvoor 37 miljard euro uittrekken, maar dit plan is nog niet definitief. De Nederlandse overheid heeft aangekondigd stevig in te zetten op de productie van biogas/groen gas, maar heeft nog niet concreet gemaakt hoe dit precies te gaan doen. Wel geeft de aangekondigde bijmengverplichting enige zekerheid over de toekomstige vraag naar groen gas.

Biogas in Europa

De Europese Unie heeft in haar REPowerEU-plan voorgesteld om in 2030 35 bcm aan groen gas te produceren, genoeg om 20% van de uit Rusland geïmporteerde hoeveelheid aardgas te vervangen. Om deze stap te kunnen zetten, wil men 37 miljard euro uittrekken.

Volgens het eerder genoemde BloombergNEF-rapport is Duitsland wereldwijd marktleider wat betreft de productie van biogas. Maar slechts 218 van de ruim 11.000 biogasproductiefaciliteiten zetten het geproduceerde biogas om in groen gas en leveren dit aan het aardgasnet. De rest van het biogas wordt voornamelijk gebruikt voor lokale elektriciteitsproductie. Een groot deel van het Duitse biogas wordt geproduceerd uit speciaal daarvoor geteelde gewassen. Recent Duits duurzaamheidsbeleid ontmoedigt dit, waardoor de groei van de markt sterk is afgezwakt.

Het (vergunnings)traject dat moet worden doorlopen om een biogasproductiefaciliteit te realiseren is complex. Dit wordt gezien als de grootste uitdaging voor het opschalen van de productie van biogas/groen gas. Daarnaast kan angst voor stankoverlast in de omgeving leiden tot weerstand bij omwonenden. Dit geldt voornamelijk voor biogasproductie door mestvergisting.

Een ander aandachtspunt is dat de Europese Unie de voorwaarden waaraan biomassa moet voldoen om hernieuwbaar te mogen worden genoemd steeds verder aanscherpt. Dit heeft vooral betrekking op de productie van energie uit houtige biomassa en biomassa die concurreert met de voedselmarkt.

Aansluiting op het aardgasnet

Invoeding van groen gas op het aardgasnet kan voor een lokale netbeheerder een uitdaging zijn. Dit komt doordat de productie van groen gas door het jaar heen vrij constant is, terwijl de vraag naar aardgas per seizoen sterk schommelt. Hierdoor kan het lastig zijn om het groene gas in de zomer kwijt te kunnen op het net. Zeker in landelijke gebieden met relatief veel producenten van groen gas en een lage vraag naar aardgas in de zomer speelt dit probleem. Het aardgasnet is namelijk, in tegenstelling tot het elektriciteitsnet, standaard niet bi-directioneel inzetbaar. Dit betekent dat het gas niet zomaar vanuit het lagedruknet naar het hogedruknet kan worden vervoerd.

Om dit mogelijk te maken moet de netbeheerder aanpassingen doen aan het aardgasnet. Tot op heden zijn netbeheerders echter niet verplicht om in dergelijke aanpassingen van het aardgasnet te investeren, met als gevolg dat een aanvraag voor de invoeding van groen gas kan worden afgewezen, of dat de netbeheerder alleen toestemming geeft voor een lagere invoeding per uur dan de producent had beoogd. Mogelijk worden netbeheerders vanaf 2025 wel verplicht om invoeding van groen gas te faciliteren, omdat dan de bijmengverplichting ingaat. Dit is echter nog niet zeker.

Nederland mist een overkoepelende visie waarin de gewenste uitfasering van aardgas in de gebouwde omgeving wordt gekoppeld aan de wens om meer groen gas te produceren. Uitfasering van aardgas in de gebouwde omgeving leidt namelijk tot verwijdering van een aanzienlijk deel van het lagedruknet, terwijl juist agrariërs door middel van mestvergisting lokaal groen gas zouden kunnen invoeden op het lagedruknet. Ook wordt naar verwachting een deel van het aardgasnet geschikt gemaakt voor het vervoer van waterstof. Groen gas kan niet worden bijgemengd in een waterstofnet. Onduidelijk is nog of deze verwachte ontwikkelingen aanleiding gaan zijn tot beleid dat gericht is op centralisatie van de productie van groen gas.

Een laatste aandachtspunt is dat bij invoeding van groen gas in het aardgasnet de kwaliteit van het ingevoede gas moet zijn gewaarborgd. Hier is de producent/invoeder zelf verantwoordelijk voor. Groen gas moet de juiste hoeveelheid methaan bevatten om de kwaliteit van het gas aan de consument te kunnen garanderen. Daarnaast moet de typische aardgaslucht worden toegevoegd aan het ingevoede gas (aardgas is van zichzelf namelijk geurloos), zodat lekkages sneller worden opgemerkt.