Lariekoek: kan het nog gekker? Jawel hoor.
Een tijdje geleden een artikel in een vakblad. We nemen water gaan het met elektrische energie splitsen in waterstof en zuurstof om het daarna te gaan verbranden. Zonder blikken of blozen wordt het gewoon op de VSK beurs gepresenteerd en de schrijver meldt een rendement van 186 %. Als black box gaat er 100 % elektriciteit in en komt er 186 % aan warmte uit. Is er nou niemand die even kritisch denkt en bedenkt dat het helemaal niet kan. Het is gewoon in strijd met de eerste wet van de thermodynamica. Dat hoort basiskennis te zijn. Het artikel:
Een cv-ketel die met elektriciteit en leidingwater zijn eigen waterstof produceert en daarmee verwarmingswater en warm tapwater verwarmt. In een kast met het formaat van een compacte hr-ketel. En daar zit het expansievat al in. Hoe is dat mogelijk? En vooral: hoe werkt het?
Lotus E300 combiketel op waterstof – foto Margo van Voskuilen
Op de VSK en op de consumentenbeurs Huis&Energie toonde Greenhot Energy een compacte wandketel op waterstof. Volgens de leverancier levert het apparaat 5 liter warm water van 40 – 50 graden Celsius per minuut en heeft het voldoende vermogen om een woning van 100 vierkante meter te verwarmen. Er is ook een grotere variant met meer vermogen, voor grotere woningen en utiliteitsbouw.
Hoe werkt dat?
De cv-ketel wordt aangesloten op elektriciteit (Perilex aansluiting, 2 groepen van 240 V) en op de drinkwaterleiding. Er is geen rookgasafvoer en geen gasleiding nodig. Verder sluit men de ketel aan op de cv-installatie (aanvoer en retour) en op de warmtapwaterleiding.
In de ketel zit een elektrolyser, die met elektriciteit kraanwater omzet in waterstofgas en zuurstof. De elektrolyser slaat aan, zodra er warmtevraag is. Het geproduceerde waterstofgas en zuurstof worden direct verbrand. Het waterstofgas wordt dus niet opgeslagen. De vlam van de brander gaat direct in het water van het 10-liter voorraadvat. De temperatuur van het voorraadvat is 90 graden Celsius. Met een warmtewisselaar wordt het cv-water verwarmd door het water uit het voorraad vat. Wanneer men warm tapwater tapt, wordt dat direct betrokken uit het voorraadvat en door bijmenging van koud water op 40 – 50 graden Celsius gebracht.
Elektriciteit en water worden door een elektrolyser omgezet in waterstofgas en zuurstof. Die worden verbrand voor verwarming en warm tapwater.
Iconen van Flaticon.com, auteurs Smashicon (H2-icoon) en Freepik (alle overige iconen)
Milieuvriendelijk en uitstootvrij?
Waterstof maken door elektrolyse, daarbij gebruik je elektriciteit en water. Door elektrische stroom via een kathode en anode door water te leiden, splitsen watermoleculen zich. Water (H2O) bestaat uit waterstofmoleculen (H2) en zuurstofmoleculen (O). De waterstofmoleculen trekken naar de kathode, de zuurstofmoleculen naar de anode.
Bij de verbranding van waterstof, waarbij zuurstof nodig is, ontstaat alleen warmte en waterdamp. Die verbranding is dus CO2-vrij en er ontstaat ook geen koolmonoxide. Gebruik je voor elektrolyse groene elektriciteit, opgewekt door zonne-energie of windenergie, dan is de waterstof groen. Maar wanneer je grijze stroom gebruikt – wat in veel gevallen nog zo is – dan is de zelf opgewekte waterstof niet zo groen meer. Sterker nog, het produceren van waterstof met grijze (fossiele) stroom leidt door de productieverliezen juist tot meer CO2-uitstoot.
H2O: van water naar waterstof en zuurstof
Een watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen en een zuurstofatoom: H2O. Wanneer je water door elektrolyse splitst in waterstofgas en zuurstofgas, zou je denken dat er twee keer zoveel waterstof als zuurstof uit komt. Maar die som gaat niet op. Een waterstofatoom bestaat uit een proton en een neutron. Een zuurstofatoom bestaat uit 8 protonen en 8 neutronen. Een waterstofmolecuul bevat twee waterstofatomen, een zuurstofmolecuul twee zuurstofatomen. Daardoor is een zuurstofmolecuul acht keer groter dan een waterstofmolecuul. Voor de uitkomst van elektrolyse betekent het, dat 100 gram water gesplitst wordt in circa 11,1 gram waterstof en 88,9 gram zuurstof.
Hoeveel waterstof is genoeg?
Een normaal kubieke meter waterstofgas (1 Nm3 H2) heeft een energie-inhoud van 3 kWh. Een Nm3 H2 weegt 0,09 kg en heeft een energie-inhoud van 10.800 kJ. Voor het verwarmen van 10 liter water van 12 naar 90 graden Celsius is 0,91 kW vermogen of 3200 kilojoule energie nodig. Om dat door verbranding van waterstof te bereiken heb je 296 liter of 0,296 Nm3 waterstof nodig. En precies 8 x zoveel zuurstof, maar gelukkig was die bij de elektrolyse ook vrij gekomen.
Back to BINAS
P = m ∙ c ∙ Δt ∙ 1/3600 wordt 0,91 kW = 9,8 kg ∙ 4,187 kJ/kg∙K ∙ 78 °C ∙ 1/3600
Q = m ∙ c ∙ Δt wordt 3200 kJ = 9,8 kg ∙ 4,187 kJ/kg∙K ∙ 78 °C
P = vermogen in kW
Q = energie-inhoud of warmte in Joule
m = massa van het medium in kg dat in één uur opgewarmd dient te worden
c = soortelijke warmte in J/kg∙K
∆t = t2 – t1 (eindtemperatuur – begintemperatuur) in °C
ᵨ = dichtheid van het medium (kg/m³); ᵨ = m / V (kg/m³)
c water = 4,187 kJ/kg∙K
ᵨ water = 998 kg/m³ dus 1000 ltr (1m³) water = 998 kg
Efficiënt opwekken en verbranden
Elektrolyse heeft een rendement van ongeveer 75 procent. Dat betekent dat wanneer je 1 kWh elektriciteit verbruikt om waterstof op te wekken, je ongeveer 0,75 kWh equivalent waterstof opwekt. De resterende 0,25 kWh wordt zuurstof en warmte.
Het rendement van verbranden van waterstofgas en zuurstof is op te delen in warmte en waterdamp. De warmte is nodig voor verwarming en tapwater. Maar de waterdamp? Dat “restproduct” zou bij deze cv-ketel gewoon terug gaan in de keten, zodat daarvan feitelijk geen verlies is.
Wat kan dat ding?
De compacte waterstof cv-ketel heeft een opgenomen vermogen van 3 kWh tot 6 kWh. Bij 3 kWh en 75 % rendement van de elektrolyser zou deze 2,25 kWh equivalent waterstof per uur produceren. Dat is 0,75 Nm3 per uur. Bij 6 kWh is dat het dubbele; 1,5 Nm3 per uur.
Wanneer uit wordt gegaan van 100 procent rendement bij de verbranding van de geproduceerde waterstof, zou de cv-ketel een vermogen van 2,25 tot 4,50 kWh leveren. Het totale rendement is dan 75 %.
Rendement van 186 procent
Volgens de leverancier heeft de elektrolyser in de cv-ketel inderdaad een rendement van 0,75. Maar omdat waterstofgas een “thermische coëfficiënt” van 2,4 heeft, komt het rendement van de cv-ketel als geheel volgens hen uit op 1,86. Over deze thermische coëfficiënt heeft Gawalo nog geen informatie kunnen vinden.
Met het door de leverancier opgegeven rendement levert de ketel bij verbruik van 3 kWh elektriciteit, 5,58 kWh warmte. Bij 6 kWh, het maximale opgenomen vermogen, zou dat 11,16 zijn. De fabrikant geeft aan dat het toestel gemiddeld 5 tot 12 uur per dag werkt. Dat zou neerkomen op een elektriciteitsverbruik van 15 tot 72 kWh per dag, afhankelijk van de warmtevraag.
Ter vergelijking: 1 m3 aardgas is gelijk aan 10,2 kWh. Het gemiddeld jaarverbruik aardgas van een tussenwoning is 1350 m3. Dat is 13770 kWh aardgasequivalent, en gemiddeld 38 kWh per dag.
Warm tapwater
Volgens Greenhot Energy levert het apparaat 5 liter warm water van 40 – 50 °C per minuut. Dat is niet voldoende voor CW3 (minimaal 6 l/min van 55 °C). De leverancier zegt dat de combiketel dat warmtapwater zo lang kan leveren als gewenst. Dat komt door de hoge verbrandingstemperatuur van waterstofgas (2073 °C) en het feit dat de vlam het water in het 10 liter voorraadvat direct verwarmt. Op het in de folder getoonde energielabel wordt overigens alleen de verwarming van het toestel beoordeeld.
Veiligheid
Een cv-ketel op gas moet voldoen aan diverse eisen. Er moet tenminste een CE markering op staan en hij moet voldoen aan de Europese eisen. Het Gaskeur is een keurmerk van Kiwa. Dat wordt op basis van vrijwilligheid toegepast. Maar hoe zit dat met een cv-ketel zonder gasaansluiting, die zijn eigen gas produceert en direct consumeert? Een CE-label is sowieso verplicht. Maar ook een energielabel. Op de website van de leverancier is daar nog geen informatie over te vinden. Wordt vervolgd!