Waterstof
sterk alternatief voor fossiele brandstoffen
en een geduchte concurrent voor elektrische voertuigen

Grote autofabrikanten plannen waterstofauto’s in het assortiment.
Bij massaproductie kunnen waterstofauto’s goedkoper gemaakt worden dan de benzine- en dieselmodellen.
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.
Stacks Image 475

Groene waterstof onmisbaaar voor klimaatdoelen

Om de Parijs-doelstellingen voor het klimaat te halen, moet de industrie in Europa vol inzetten op groene waterstof. Dat concludeert de Wereldenergieraad (WEC) in een rapport.

Waterstofauto’s rijden ook op stroom, alleen komt de elektriciteit niet uit een oplaadbare batterij. Onder de motorkap zit een zogeheten brandstofcel die waterstof door middel van een chemische reactie omzet in elektriciteit. Daarmee wordt de elektromotor gevoed. Het voltanken van een waterstofauto is vergelijkbaar met het tanken van benzine of diesel en is binnen een paar minuten gepiept.
Het rendement van
een waterstofauto bedraagt zo’n 60%, terwijl benzine- en dieselauto’s niet verder komen dan 25 tot 35%. Dat betekent dat je met 1 kg waterstof veel verder rijdt dan met 1 liter benzine. Door de verdere ontwikkeling van de technologie verwachten experts dat het rendement van de brandstofcel zal toenemen tot 70 à 75%.

Elektrische auto’s hebben accu’s aan bood. Per kWh weegt die accu 10 kg. De grote Tesla’s hebben 60 kWh aan boord en wegen dus 600 kg meer door de accu. Bovendien kost die accu ruim € 180 per kWh. IN ZO’N TESLA ZIT DUS VOOR € 10.800 AAN ACCU’S. Na zo’n 200.000 km hebben de accu’s 1.000 oplaad cycli gemaakt en zijn ze toe aan vervanging. Waterstofauto’s kunnen daarom goedkoper worden dan Elektrische auto’s. Voor de prijs van de accu’s kan gemakkelijk de brandstofcel en de opslagtank voor waterstof worden ingebouwd. Deze auto’s wegen minder en verbruiken daardoor minder energie voor afremmen en optrekken.

Stacks Image 19

Waarom waterstof?

Totaal schoon: waterstof reageert met zuurstof in de brandstofcel.
Daarbij komt elektriciteit en water vrij.

Werkt daarom mee aan een schone aarde.
Grote actieradius en snel tanken.
Veilig toepasbaar voor auto’s.

In waterstof kan energie uit windmolens en zonneparken worden opgeslagen.

Waterstof, de brandstof van de toekomst.
Op termijn tanken we waterstof voor 3 cent per km.
Met een tankinhoud goed voor 500 km.

Vergelijking benzine en diesel versus
waterstof en elektrische middenklasse auto’s voor particulieren

Type auto Waterstof met brandstofcel Volledig elektrisch Benzine Diesel
Brandstof Waterstof Stroom in accu’s. Benzine Dieselolie
Energie inhoud 33,6 kWh/kg 1 kWh/kWh 8,8 kWh/ltr 9,96 kWh/ltr
Energieprijs € 3,60/kg in vroeg gegroeide markt aan de pomp € 0,18/ kWh thuis laden, € 0,30/ kWh bij laden aan de pomp € 1,54/ltr € 1,14/ltr
TTW rendement 56,9% 80% 22,3% 25,7%
TTW in €/kWh € 0,1892 € 0,2249 tot € 0,3748 € 0,7889 € 0,4455
Brandstofkosten in Eurocent/ km 2,3 cent 2,8 tot 4,6 cent 12 cent 7,9 cent
Verwarming Uit de restwarmte van het proces Kost extra stroom Uit de restwarmte van het proces Uit de restwarmte van het proces
Airco Compressor energie kost extra brandstof Compressor energie kost extra stroom Compressor energie kost extra brandstof Compressor energie kost extra brandstof
Benutten remenergie mogelijk door grote accu aan boord mogelijk door grote accu aan boord niet mogelijk niet mogelijk
Actieradius 500 - 700 km 200 - 400 km 600 - 1000 km 600 - 1000 km
Tanken 10 min 30 min tot 3 uur 5 - 10 min 5 - 10 min
Gewicht tov benzine auto Tank 6 kg H2: 60 kg
Batterij 6 kWh: 60 kg
Aandrijving 60 kg
Gelijkwaardig
per kWh batterij 10 kg - extra gewicht 240 - 600 kg. Dus meer rijweerstand en meer energie voor optrekken. gelijkwaardig 10% meer
CO2 uitstoot gram/ km TTW 0 0 155 155
Ontwikkelingen marktrijheid Batterijen worden lichter en krijgen meer vermogen. Doorbraak technologie nog niet gespot. Uitfaseren in 20 jaar. Uitfaseren in 20 jaar;- te beginnen in grote steden.




Energie kosten per kg van waterstof op 600 bar gemaakt met electrolyse

Voor de productie van waterstof onder druk is 60 kWh nodig per kg waterstof; bij een kWh prijs van 4 cent dus € 0,04 x 60 = € 2,40 per kg. Bovenop de energiekosten komen de kosten van de electrolyzers, het opslagsysteem en het transport naar de pomp. De hele keten kost anno 2019 nog ruim € 6.00 per kg. Waardoor de pompprijs 6 + 2,40 = € 8,40 per kg Waterstof wordt (bij een stroomprijs van 4 cent per kWh). Bij massaproductie kunnen die kosten net zoals bij LPG lager worden dan € 1 per kg. Ook de electrolyzers zullen efficiënter kunnen werken waardoor ipv 60 kWh per kg de stroominput naar 50 kWh per kg kan gaan. De prijs wordt dan 1 + 2 = € 3.00 per kg (bij een stroomprijs van 4 cent per kWh).
Stacks Image 520

Verklaring bij grafiek:
De lijnen zijn de variatie van de waterstofprijs als functie van de stroomprijs bij een constante efficiency variëren 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.


TTW = Tank to Wheel rendement.
Dat is het percentage dat netto aan de wielen ter beschikking komt uit de brandstof.
De elektrische auto's die nu door BMW, Mercedes, Nissan, Toyoata en ook Tesla zijn feitelijk voorbereid op waterstof.
Zodra de infra structuur van waterstof beschikbaar is, worden brandstofcellen in die auto's ingebouwd en een waterstoftank.
Zo wordt de waterstofeconomie nu al voorbereid door de grote fabrikanten.
Stacks Image 287

Werking van een brandstofcel
2019: Rendement 57.2%, dus 1 kg waterstof levert 57,2% x 33,6 kWh = 19,2 kWh stroom
2030 Wensscenario: Rendement 75%, dus 1 kg waterstof levert 75% x 33,6 kWh = 25,2 kWh stroom

De kwaliteit van waterstof wordt uitgerukt met H 3.0 of H 4.0 0f H 5.0
De H 5.0 betekent 99,9999 % zuiver. Die kwaliteit hebben brandstofcellen nodig
Dat houdt tevens in dat de installaties ook prijziger zijn voor dergelijke kwaliteit.


Infografic
waterstof

Stacks Image 273

Sankey diagram voor de productie van 1 kg waterstof gebruikt in schepen.
Rendement van waterstof naar schroefarbeid = 19,2/33 => 58%
Rendement van productie naar schroefarbeid = 19,2/60 => 32%

Eenheden in kWh

Stacks Image 440

Stacks Image 436
Opslag van waterstof kan op verschillende manieren:
In vaten en ondergronds
  • Druk
  • Vloeibaar
  • Chemische binding

Lees meer op WiKi over de opslag mogelijkheden




Compressie waterstof naar 700 bar kost in de praktijk 3 kWh per kg


Onderzoek van het Departement of Energy naar de energiekosten voor opslag van waterstof

In theorie is 1,05 kWh nodig om waterstof van 20 bar op te slaan naar 300 bar en 1,36 kWh voor opslag naar 700 bar. Voor het vloeibaar maken van waterstof is minimaal nodig 3,3 kWh per kg en voor het vloeibaar maken van para-H2 3,9 kWh/kg

In de praktijk kan dit fors meer zijn door in-efficiency van de compressoren en als gevolg van warmte ontwikkeling tijdens het comprimeren.
Waterstof wordt gecomprimeerd met reciproque compressors. Bij volumes van 1000 kg/ dag, bij tankstations, bereiken deze compressors een isentropisch rendement van 56% en een elektrische motor rendement van 92%. Dat houdt in dat voor het vullen tot 350 bar de efficiency 52% bedraagt (2,23 kWh per kg) en tot 700 bar 49% (3 kWh per kg). Bij het vullen zal de druk namelijk ook hoger moeten zijn respectievelijk 440 bar en 880 bar om in circa 5 minuten te kunnen tanken.

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.

https://www.bronkhorst.nl/blog-nl/tag/hydrogen
Stacks Image 530
Kosten analyse door het EU powe2gas platform in 2018

Wil je meer weten over de kosten componenten van het waterstof productie proces? Lees dan het rapport van de hand van Dennis Thomas, Business Development Managers werkzaam bij de EU. De getallen zijn gebaseerd op praktijktesten en metingen aan echte installaties. Voor de toekomstige voorspellingen zijn experts in het werkveld geraadpleegd.

Power2Gas: waarde keten van met stroom opgewekte waterstof
Hydrogen_electricity_value_chain

Kosten en prestaties van electrolyzers

Literatuurhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319917339435
Table  Main characteristics of AEC, PEMEC and SOEC systems
   
 AECPEMECSOEC
ElectrolyteAq. potassium hydroxide (20-40 wt% KOH) [9], [32], [33]Polymer membrane (e.g. Nafion) [33], [34]Yttria stabilised Zirconia (YSZ) [37], [38]
CathodeNi, Ni-Mo alloys [9], [32], [33]Pt, Pt-Pd [34]Ni/YSZ [37], [38]
AnodeNi, Ni-Co alloys [9], [32], [33]RuO2, IrO2 [34]LSMb/YSZ [37], [38]
Current density (A cm−2)0.2-0.4 [34]0.6-2.0 [34]0.3-2.0 [9], [38]
Cell voltage (V)1.8-2.4 [34]1.8-2.2 [34]0.7-1.5 [38]
Voltage efficiency (%HHV)62-82 [34]67-82 [34]<110 [33]
Cell area (m2)<4 [33]<0.3 [33]<0.01 [33]
Operating Temp. (°C)60-80 [34]50-80 [34]650-1000 [37], [38]
Operating Pressure (bar)<30 [33]<200 [33]<25 [33]
Production Ratec(m3H2 h−1)<760 [33]<40 [33]<40 [33]
Stack energyc(kWhel m3H2−1)4.2-5.9 [34]4.2-5.5 [34]>3.2 [33]
System energyc(kWhel m3H2−1)4.5-6.6 [16]4.2-6.6 [16]>3.7 (>4.7)kWh_energya
Gas purity (%)>99.5 [32]99.99 [33]99.9a
Lower dynamic ranged (%)10 - 40 [33], [34]0 - 10 [34]>30a
System ResponseSeconds [33]Milliseconds [33]Secondsa
Cold-start time (min.)<60 [16]<20 [16]<60a
Stack Lifetime (h)60,000-90,000 [16]20,000-60,000 [16]<10,000a
MaturityMatureCommercialDemonstrationa
Capital Cost (€ kWel−1)1000-1200 [16]1860-2320 [16]>2000 [16]
    
a Where no reference is provided, data were derived during expert elicitations.
b Perovskite-type lanthanum strontium manganese (La0.8Sr0.2MnO3).
c Refers to norm cubic meter of hydrogen (at standard conditions) and respective electrical energy consumption (kWhel) if applicable.
d Minimum operable hydrogen production rate relative to maximum specified production rate.

Commerciële installaties kosten € 1000 tot € 2000 per kW. Gaan 20 jaar mee. De membranen gaan 60.000 uur mee en kosten circa 400 per KW. De voegen operationele kosten kunnen worden uitgedrukt als 3% van de investering.


Molucelair 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/
De biologische productie van waterstofgas gebeurt in een bioreactor, en is gebaseerd op de productie van waterstofgas door algen. Onder bepaalde omstandigheden produceren algen waterstofgas. In de late jaren 90 werd ontdekt dat als algen zwavel onthouden wordt, ze van de productie van zuurstofgas (via normale fotosynthese) overschakelen op de productie van waterstofgas. Een algenboerderij ter grootte van de staat Texas zou genoeg waterstofgas produceren om de hele wereld te voorzien. 25.000 vierkante kilometer zou genoeg zijn om het gehele benzineverbruik van de VS te vervangen - dit is minder dan een tiende van de oppervlakte in de VS die met sojaproductie gemoeid is. 2008 - Anastasios Melis bereikt 25 % efficiëntie van de theoretische 30 %
pastedGraphic

Standaard elektrolyse door splitsing van water in zuurstof en waterstof. Om waterstof te verkrijgen, moeten we het vrijmaken uit chemische verbindingen. Onttrekken we waterstof aan water (2H2O + energie -> 2H2 + O2), dan vergt dat aan energie 2,4·105 J mol-1 of 2,5 eV per molecuul. 1 mol H2 weegt 2 gram. Dezelfde energie komt bij verbranding natuurlijk weer vrij (33,61 kWh/kg).

Lees: Hyperphysics uitleg van de theorie
Hoge-druk-elektrolyse is de ontleding van water (H2O) in zuurstof (O2) en waterstofgas (H2) door middel van elektrolyse van water onder hoge druk. In tegenstelling tot standaard elektrolyse vindt deze waterstofproductie plaats bij een druk van ongeveer 12-20 MPa (120-200 bar). Door de hoge druk van het waterstof in het elektrolyse apparaat is het niet nodig om het ontstane waterstofgas samen te persen om het te kunnen opslaan. Dat bespaart ongeveer 3% energie ten opzichte van de conventionele methode waarbij waterstof onder atmosferische druk wordt geproduceerd en daarna wordt samengeperst.
Het rendement van het elektrolyse proces is in theorie 83%. De productie kost theoretisch 39,4 kWh per kg. De randprocessen, zoals de aanvoer en zuivering van water, het onder druk brengen en opslaan kosten ook energie, waardoor we in de praktijk uitgaan van 60 kWh per kg.
Optie bij de productie van waterstof: verkoop van productie van zuivere zuurstof
Bij de productie van 1 kg waterstof komt 8 kg zuurstof als bijproduct vrij. Deze zuurstof heeft een zuiverheid van 99,999% (bij H3 waterstof) en kan voor vele doeleinden gebruikt worden. Bulkverkoop van 99,9% zuivere zuurstof heeft een marktwaarde van circa 10 cent per kg. Reken we analoog dezelfde handelingskosten als CNG, dan levert zuurstof een opbrengst van (80 - 36) = 44 cent per kg waterstof.
Zuurstof wordt gebruikt voor het smelten/verrijken van staal en andere metalen en bij productie en fabricage van glas- en steenfabrieken. Ook in de luchtvaart en bij het duiken wordt zuurstof gebruikt. In vloeibare vorm wordt zuurstof gebruikt voor grootverbruikers en in de ruimtevaart. Zuurstof wordt gebruikt bij het (autogeen) lassen en snijden, vaak in combinatie met acetyleen.
Bijzondere markten zijn medicinale zuurstof en vloeibare zuurstof. De sport- en health sector wordt een belangrijke nichemarkt. Medicinale zuurstof moet tenminste 99.999% zuiver zijn.
Stacks Image 344
Waterstof voor de beroepsvaart in het waddengebied.
De huidige dieselolie kent een korting op de accijns waardoor de dieselolie per kWh € 0,071 kost per liter € 0,71. We hebben vastgesteld dat het systeemrendement van grote scheepsmotoren 40,9 % is en daarmee kost bij grote schepen (meer dan 300 KW) elke kWh aan de schroef € 0,1736. Voor waterstof is die prijs € 0,1564 per kWh aan de schroef. Dat prijsverschil is te klein om grote investeringen voor ombouw naar waterstof te rechtvaardigen.
Restwarmte bij de productie van waterstof: verwarmen van gebouwen en processen.
Waterstof wordt gemaakt door de elektrolyse van water. 2 H20 -> 2 H2 + O2. Bij het proces komt circa 30% warmte vrij. Deze warmte is beschikbaar voor bijvoorbeeld verwarming van gebouwen of zwemwater. Per kg waterstof levert dat in potentie 60 kWh x 30% = 20 kWh aan warmte op. Als we uitgaan van van bijvoorbeeld 10 mln kWh per jaar voor de productie van waterstof dan komt er beschikbaar ruim 3 mln kWh aan warmwater van circa 80 oC. Dat komt neer op 340.000 m3 aardgas.
The weirdness of water could be the answer
Marcia Barbosa
Thermodynamica electrolyse
Stacks Image 488
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.

Thermodynamica brandstofcel

Stacks Image 498
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.
Close

Energieondernemer Ad van Wijk vertelt over de kansen voor de waterstoffeconomie


Stacks Image 368

Kosten van waterstof per kg wensscenario

Productiekosten van waterstof via elektrolyse als functie van bedrijfstijd voor een brede set aan condities wat betreft:

  • investeringskosten: 300 €/kW
  • efficiency: 47 kWhe/kg H2
  • elektriciteitsprijs: 30 €/MWh

Bron: Routekaart waterstof

Stacks Image 388

Kosten van waterstof anno 2018

Productiekosten van waterstof via elektrolyse als functie van bedrijfstijd voor een brede set aan condities wat betreft:

  • investeringskosten: 1220 €/kW
  • efficiency: 55 kWhe/kg H2,
  • elektriciteitsprijs: 70 €/MWh

Bron: Routekaart waterstof


Stacks Image 381

Kona met actietradius van 600 km

Hyundai brengt een nieuwe waterstofauto, de Nexo. De auto werd recentelijk op een bijzondere manier gepresenteerd: een kolonne van vijf auto’s legde zelfrijdend een route van 190 kilometer af, van Seoul naar Pyeongchang.
Lees meer…



Stacks Image 370

Eerste treinen op waterstof rijden nu rond in Duitsland

Twee treinen van het Franse Alstrom rijden sinds kort rond in Duitsland. Bijzonder detail: de treinen rijden op waterstof en opereren daarmee volledig emissievrij.
De treinen zonder bovenleding in Nderland zijn van het type dieselelectrisch. In de aandrijving is reeds een generator en electromotor opgenomen. De dieselmotor moet vervangen worden door brandsstofcellen en een tank voor de opslag van waterstof.
De besparing per jaar voor overschakelen naar waterstof bedraagt per treinstel € 65.000 en voor het aanleggen van bovenleiding per treinstel € 140.000.