HE cubeFossielvrij

Waterstof belofte voor de toekomst

photo-1555550252-fc3187f10240
Veel autofabrikanten ontwikkelen waterstofauto’s. Ze hebben de zelfde techniek als elektrische auto’s. De stroom komt niet uit batterijen maar uit waterstof met brandstofcellen.
Echter de stroom komt niet van batterijen maar door van waterstof met brandstofcellen stroom te maken.

Al lange tijd is bekend dat waterstof geproduceerd kan worden met elektriciteit. Water wordt dan omgezet in Waterstof (H2) en Zuurstof (O2). De waterstof is een gas dat in verbrandingsmotoren gebruikt kan worden, zoals LPG. Het rendement van de verbranding is circa 30%. Er komt geen CO2 vrij.

In brandstofcellen kunnen we waterstof met zuurstof laten reageren en ontstaat elektriciteit. Die omzetting gaat met bijna 60% rendement. Elektrische auto’s met batterijen voor de stroom kunnen gemakkelijk geschikt gemaakt worden om op waterstof te rijden met brandstofcellen. Brandstof cellen waren erg kostbaar, maar zijn dramatisch in prijs gedaald nadat de Japanse regering besloot a.g.v. de kernramp van Fukushima, op 11 maart 2011, afscheid te nemen van kernenergie en volop in te zetten op de ontwikkeling van brandstofcellen.

Achtergronden


Techniek en inzichten


Moleculair gewicht

De eenheid van molaire massa is „u“, dat komt waarschijnlijk van het Engelse woord „unit“; dat betekent in het Nederlands „eenheid“. Eerst was de „eenheid“ de moliare massa van 1 atoom waterstof (H) en dat is 1. Nu is de „eenheid“ gelijk aan 1/12 de deel van de molaire massa van koolstof-12 (C-12, dat is een isotoop van het element koolstof, C); die molmassa van C-12 is precies 12 én een 12de deel van 12 is 1. In 1 mol zitten 6,022140857 x 1023 deeltjes (Dit heet het getal van Avogadro). 1 mol waterstof [H] weegt 1 gram. Nu heeft waterstof als gas 2 atomen [H2] en weegt dus 2 gram.

Verbrandingswarmte

Waterstof reageert met zuurstof tot water. Daarbij komt warmte vrij.
Bovenwaarde 39,4 kWh per kg. Hierbij wordt de de condensatiewarmte van al het gevormde water benut bij afkomen tot omgevingstemperatuur. In de praktijk zal waterdamp in ketels afkoelen tot circa 35 graden Celsius en zal er bij die verbranding 36 kWh beschikbaar komen voor het CV systeem.
Onderwaarde 33,6 kWh per kg. In brandstofcellen wordt er ook water gevormd echter de temperaturen waarbij het gevormde water de cel verlaat zijn hoger. 80 - 400 graden. De condensatie warmte wordt niet benut.

Diagrammen mbt waterstof : http://abdpvtltd.com/hydrogen-diagram/hydrogen-diagram-elegant-observation-of-the-wigner-huntington-transition-to-metallic-hydrogen/

stacks-image-706e7a0-1200x864

De de theoretische energetische productiekosten van waterstof uit water is getoond in bovenstaande tekening. Voor de productie van 1 mol waterstof H2 (2 g) is nodig 285,8 kJ/mol. Dat is dus 39,4 kWh per kg waterstof. In de praktijk kost dat 60 kWh. Nodig voor het maken van zuiver water, het op druk brengen van de waterstof, pompenergie ed. Wetenschappers verwachten dat bij de doorontwikkeling een praktijkefficiency is te behalen van 47 kWh per kg.

stacks-image-ee38cbc

In brandstofcellen reageert waterstof met zuurstof tot water en daar komt energie bij vrij. Bovenstaande tekening toont het theoretische maximum. Dat is per mol waterstof 237,1/ 285,8 x 100% = 83%.Uit 1 kg waterstof kan dan theoretisch 32,9 kWh stroom worden gehaald. In de praktijk wordt nu 40 tot 57% bereikt in commercieel brandstofcellen. Wetenschappers verwachten dat er 75% kan worden bereikt binnen 10 jaar. In onze berekeningen reken wij met 19,1 kWh dat praktisch gehaald kan worden.

Soorten Electrolyzers


stacks-image-4f6b83b-1200x506

Schermafbeelding 2019-08-07 om 21.53.41

Kosten van zuiver water voor de waterstofproductie



Voor de elektrolyse van water is zuiver water nodig. Gedemineraliseerd water, ook wel demi water genoemd. In veel processen in de industrie wordt demi water gebruikt.
Voor de productie van 1 kg waterstof hebben zonder procesverliezen een halve kg demi water nodig. 2 H2O -> 2 H2 + O2

Zuiver water wordt franco geleverd voor prijzen variërend van € 0,15 tot € 0,20 per kg. Voor de goede geleidbaarheid in het elektrolyse proces wordt ook nog toegevoegd KOH.

Kosten van waterstof per kg


stacks-image-2ea7cf7-1198x732

Verklaring bij grafiek: De lijnen zijn de variatie van de waterstofprijs als functie van de stroomprijs bij een electrolyzer efficiency variërend van 47 kWh tot 59 kWh per kg productie. Verder is de Capex (kapitaalkosten per kg )en de Opex (operationele kosten per kg) gesommeerd gesteld op 2 euro per kg. Wereldwijd wordt gewerkt aan het omlaag brengen van de installatiekosten en de operationele kosten.
De Capex geldt voor vollasten gedurende tenminste 7000 uur per jaar.
De EU heeft recent onderzoek gedaan

Wensscenario voor waterstof opgesteld door de Innovationboard Noord Nederland




Schermafbeelding 2019-08-11 om 22.22.19