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 liter 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 € 100 per kWh. IN ZO’N TESLA ZIT DUS VOOR € 6.000 AAN ACCU’S. 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 Koeling gratis verkregen uit expansie van waterstof 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 10% meer 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 gemaakt met electrolyse

3 Eurocent/kWh
Prijs kg waterstof 600 bar: € ,00
[stroomprijs] * 60 / 100

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
Rendement 57.2%, dus 1 kg waterstof levert 57,2% x 33,6 kWh = 19,2 kWh stroom


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.


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).
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 67%. De productie kost theoretisch 49,75 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 99,9% 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.
The Mandelbrot Set - The only video you need to see!
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.
The weirdness of water could be the answer
Marcia Barbosa
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.