dinsdag 28 april 2020

Waarom deze blog tegen de (dreigende) ontwikkelingen voor de 'groene' productie van waterstof?

1. Waterstof is geen energiebron. Productie waterstof kost energie. En dus CO2 !

 Er wordt met veel enthousiasme gesproken over waterstof. Er wordt zelfs gesproken over een waterstofeconomie. Sommigen halen aan dat waterstof geen CO2 uitstoot geeft, nog niet wetende dat waterstof slechts een energiedrager is en dus geen energiebron. Om waterstof te maken moet dus een energiebron gebruikt worden.

 Thans wordt in Nederland al 800.000 ton (grijze) waterstof geproduceerd. Waterstof is immers al 100 jaar een grondstof van ammoniak. Ammoniak is nodig voor de productie van kunstmest. Ook wordt door Hoogovens waterstof gebruikt in het productieproces voor staal. Deze waterstof wordt geproduceerd door het 'reformen' van aardgas (methaan = CH4).

 Bij reforming wordt methaan onder hoge druk en hoge temperatuur omgezet in waterstof. Hierbij komt CO2 vrij volgens de formule  CH4 + H2O --> 4 H2 + CO2. 

 Een andere methode is het elektrolyseren van water (dit is de basis van de vermeende toekomstige waterstofeconomie). De formule is dan 2 H2O + Energie --> 2 H2 + O2. U ziet in deze formule geen CO2. Het euvel zit natuurlijk in de benodigde elektrische energie. Voor deze elektrische energie draaien aardgas- en kolencentrales waar die CO2 alsnog vrij komt. Dat is niet het enige probleem want het is ook veel minder efficiënt. Elke omzetting van de ene vorm van energie naar de andere vorm van energie geeft immers energieverliezen. Reforming van methaan naar waterstof heeft ook een energieverlies, namelijk 25 %. De productie van waterstof door elektrolyse heeft echter een hoger energieverlies. Alleen al elektrolyse heeft in het gunstige geval al een energieverlies van 30 %. Daarnaast moet ook de benodigde elektriciteit geproduceerd worden. De modernste gascentrale heeft een (elektrisch) rendement van 56 %. De weg via elektrolyse geeft daarmee dus een totaal rendement van slechts 70 % x 56 % = 39 %. Door waterstof door elektrolyse te produceren zou dus maar liefst 61 % van de energie verloren gaan. En dat is allemaal extra CO2-uitstoot.

2. "Goedkope overschotstroom omzetten in waterstof ter vervanging grijze waterstof".

 Vooral door de komst van meer windturbines en zonnepanelen overtreft op sommige momenten de stroomproductie steeds meer de vraag. Op sommige momenten is de elektriciteitsprijs dan zelfs negatief. Het lijkt dan logisch om het overschot om, het omzetverlies voor lief te nemen, de overvloedige stroom om te zetten in waterstof. Deze waterstof kan dan gebruikt worden door de kunstmestindustrie en staalindustrie in plaats van de grijze waterstof.

 Op zich is het omzetten van overtollige stroom in waterstof voor de kunstmest- of staal industrie niet zo'n slecht idee. Door deze groene waterstof bespaar je dan niet alleen aardgas uit maar ook nog eens de 25 % omzettingsverlies van aardgas naar waterstof.

 Overschotstroom omzetten in waterstof heeft echter als probleem dat voor het kunnen elektrolyseren er dure electrolysers moeten worden aangeschaft. Een (goede) electrolyser met een rendement van 70 % kost € 1.000.000 per MW. Een windturbine op zee kost al dat zelfde bedrag per MW. Als je echter alleen overschotstroom voor elektrolyse benut, hebben die dure electrolysers dus een zeer beperkte bedrijfstijd. De planning is in 2030 een groei van wind op zee met 10.000 MW, wind op land met 1500 MW en zon met 5000 MW. Daarnaast zal echter tijdens het stookseizoen ook de vraag naar elektriciteit toenemen (warmtepompen en elektrische auto's). Het is dus gissen naar de tijd dat er stroomoverschotten zullen zijn. Stel 20 % van de tijd omgerekend vol vermogen (productiefactor)  negatieve of zeer lage stroomprijzen. De verwachting is dat electrolysers 10 jaar mee gaan (vanaf 2013 werkt een electrolyser van 1 MW bij chloorproducent Solvay in Antwerpen).

 Over 10 jaar is de productietijd dan 0,2 x 10 x 365 x 24 = 17520 h.

 Elke uur (gewogen) vol bedrijfstijd kost dus € 1.000.000,- / 17.520 = € 57,07 / uur.

 Per kWh overtollige stroom is de kostprijs voor de electolyser dus € 0,057 / kWh afgenomen stroom.

 Als gevolg van de 30 % electrolyse verlies kost elke geproduceerde kWh dus
                                                         € 0,057 / 0,7 = € 0,0815
 Elke bespaarde m3 grijze waterstof komt overeen met 10 kWh dus € 0,815

 De prijs van grijze waterstof is echter de prijs van aardgas / rendement omzetting aardgas naar grijze waterstof is € 0,30 / 0,75 = € 0,40.

Dat maakt groene waterstof uit overschot stroom dus bijna twee keer zo duur dan grijze waterstof.

3. "Goedkope overschotstroom omzetten in waterstof om later terug om te zetten in stroom".

















3. 'Maar we maken waterstof uit overschotstroom uit zon en wind om deze later terug om te zetten in stroom' : mijn geschatte kostprijs € 0,136 per kWh.

Het klinkt logisch als men bij zeer lage of zelfs negatieve prijzen voor elektriciteit waardeloze stroom om wil zetten in waterstof om deze later weer om te zetten in elektriciteit.leen vergt dit enorme hoge investeringen aan electrolysers en opslag terwijl de bedrijfstijd gering is. Een investering wordt immers alleen rendabel als deze voldoende bedrijfsuren c.q. productie heeft én treden er ook enorme omzettingsverliezen op.

Rekening houdende met prijsdalingen gaat een elektrolyser van 1 MW 1 miljoen euro kosten. (Dat is dus een kwart van wat een windturbine op zee per MW kost).

a. Het totale energetische rendement.

Eerst moet de overschotstroom omgezet worden naar waterstof. Het rendement van een goede electrolyser is 75 %. Vervolgens moet deze waterstof, bij stroomtekort, omgezet weer terug omgezet worden in elektriciteit. Het elektrisch rendement van de modernste gascentrale is 56 %. Het totale rendement van opslag van overschotstroom bedraagt dus 42 %.

De maximale opbrengst (bij volledige bedrijfstijd, maar dat is bij overschotstroom dus niet het geval) van 4000 MW aan electrolysers bedraagt dus.

4000 x 24 h x 365 dagen x 0,42 = 14.717 GWh.

b. Schatting van de bedrijfstijd/productiefactor.

Nu er steeds meer windmolens en zonneparken worden bijgebouwd zullen de tijden van zeer lage stroomprijzen of zelfs negatieve prijzen toenemen. In 2030 is het geplande en haalbare vermogen van wind op zee 10.000 MW, wind op land 4500 MW en zonneenergie 10.000 MW. Nu kan men gissen naar het percentage dat er stroom overschot zal ontstaan. Dit is namelijk ook afhankelijk van de groei van de hoeveelheid warmtepompen en elektrische auto's. Stel dat de periodes van stroomoverschot 20  % bedraagt. Uitgaande dat de opslagcapaciteit van waterstof onbeperkt wordt door gebruik te kunnen maken van een leeg aardgasveld zoals in het Drentse Borg komt men dan op een jaarlijkse GWh opbrengst van 0,2 x 14.717 GWh = 2943 GWh.

Als de electrolysers over een periode van 10 jaar moeten worden afgeschreven worden de kosten per kWh aan deze vorm van stroomopslag dus € 4.000.000.000 / 10 jaar x 2.943.000.000 kWh = € 0,136 per kWh.

4. (Overschot) stroom omzetten in waterstof ter vervanging van aardgas voor cv-ketels of industrie: