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. De focus ligt anno 2020 op het grote voertuigen zoals bussen en vrachtauto’s.
Echter de stroom komt niet van batterijen maar door van waterstof met brandstofcellen stroom te maken.

In brandstofcellen kunnen we waterstof met zuurstof laten reageren en ontstaat elektriciteit. Die omzetting gaat met 50 - 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.

adobestock-306179889
Als het aan het Noord-Ierse bedrijf Wrightbus ligt rijden er straks 3.000 waterstofbussen door Britse steden heen. Het bedrijf heeft een plan naar de overheid gestuurd om het openbaar vervoer snel te vergroenen. Daarvoor wil het bedrijf wel £500 mln krijgen. Als het plan doorgaat, zou dat 280.000 ton CO2 schelen per jaar.


Achtergronden


Techniek en inzichten




Schermafbeelding 2020-05-08 om 13.53.28
Bron: A Comprehensive Review of Fuel Cell and its Types
Amit Kumar, Tanvir Singh, Satnam Singh, Dr. Yunfei Liu


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 elektrolyzer 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


Transport en opslag

De omgang met waterstof op industriële schaal is een routinezaak. Zowel in de ruimtevaart als in de chemische industrie houdt men jaarlijks tientallen miljarden kubieke meters waterstof in tussenopslag of vervoert men het per lange pijpleidingen. In Duitsland bestaat een pijpleidingennet van meer dan tweehonderd kilometer ten behoeve van de chemische industrie, dat al een halve eeuw probleemloos functioneert. Ook in de Verenigde Staten, Japan en Italië bestaan uitgebreide pijpleiding-straten voor het vervoer van waterstof voor industrieel gebruik.

We kunnen vloeibare waterstof met een temperatuur van twintig Kelvin bovengronds opslaan in enkelwandige en in dubbelwandige, vacuüm geïsoleerde opslagtanks. Waterstofgas kan in grote hoeveelheden onderaards worden opgeslagen. Uitgeputte gas- en olievelden alsmede kunstmatig uitgespoelde zoutholten komen daarvoor in aanmerking. Men kan gasvormige waterstof ook in drukvaten opslaan. Doorgaans streeft men naar zo groot mogelijke containers en opslag onder zo hoog mogelijke druk. Deze vorm van opslag levert geen ernstige technische problemen op.

Toch is opslag niet goedkoop. Op kleinere schaal kost de opslag per kg in vaten voor 350 bar 400 Euro en voor drukken van 750 bar rekenen leveranciers 1000 Euro per kg. (Industrieel € 500 per kg) In een waterstof personen auto zit een tank voor 800 bar voor 5 - 6 kg H2.

Breakevenprijzen voor waterstof


Breakevenprijzen H2

Voor de beroepsvaart is de accijnsvrije diesel zo goedkoop dat waterstof niet gemakkelijk kan concurreren. De lobby van de deze bedrijfstak is sterk en het zal daarom nog wel even duren voordat er toch accijns wordt geheven. Wel zal er CO2 heffing komen oplopend van 8 cent per liter in 2022 tot 33 cent per liter in 2030.


Vergelijking electrisch rijden versus rijden op waterstof

Website_Wasserstoff_vs_Batterie_Vergleich_EN_1163

We zien dat elektrisch rijden efficiënter is dan de huidige waterstofketen. Het belangrijkste voordeel van waterstof is de potentiële actieradius en sneller tanken, daarnaast is de opslag goedkoper in het voertuig.

De opslag in batterijen is kostbaar. In een automobiel kost een kWh opslag kost voor elektriciteit 100 - 200 Euro per kWh met een rendement van circa 88%. De effectieve opslag kost per kWh € 113 - € 227 in aanschaf. Een zakenauto heeft 60 kWh aan boor dus effectieve kosten € 6.780 - € 13.560
De opslag voor waterstof in een automobiel kost industrieel € 500 per kg, waarvan per kg 20 kWh waterstof effectief beschikbaar komt voor aandrijving. Dat houdt in dat de opslag effectief kost per kWh € 25 in aanschaf. Bij een waterstof auto met 60 kWh effectief opslag kost die opslag €1.500.
Voor een zakelijke auto die 200.000 km rijdt zijn de opslagkosten met waterstof 4,32 cent per km goedkoper.