Waterstof

Veel mensen klampen zich vast aan waterstof in een cv-installatie als alternatief voor aardgas of als alternatief voor een warmtepomp. Daarom wil ik er kort iets overschrijven. Waterstof kan je maken uit bijvoorbeeld aardgas en dat is duidelijk geen optie, als alternatief uit elektriciteit. De omzetting gebeurt dan met een rendement van ca. 75 %. Uit elke kWh elektriciteit wordt dan maar 0,75 kWh in bruikbaar waterstof omgezet. Bij verbranding van het waterstof krijg je 0,75 kWh aan warmte eruit. Nemen we een warmtepomp dan ligt dit tussen 3 en 6 kWh. Een warmtepomp is daarmee 4 tot 8 keer zo zuinig. Dan het puntje veiligheid: waterstof is reukloos en bij verbranding zie je de vlam niet. Er moeten dan toevoegingen bij gestopt worden die ook vervuilend zijn. De waterstof is ook zeer explosief en lichter dan lucht en gaat dus naar boven en blijft daar hangen. Het grote voordeel van waterstof kan zijn dat je het als grote buffer kan gebruiken in tegenstelling tot elektriciteit. Er zijn situaties denkbaar dat waterstof wél gebruikt kan worden voor verwarming en dat is bijvoorbeeld in een binnenstad waar warmtepompen niet praktisch zijn. Als buffer kan het ook handig zijn om er weer elektriciteit van te maken. Een ander voordeel kan zijn bij gebruik in een elektrische auto. De waterstof wordt ter plekke omgezet in elektriciteit. We kunnen dus elektriciteit “tanken”, het maakt een grote accu in de auto overbodig.

 

Zie ook: http://www.wattisduurzaam.nl/15443/energie-beleid/tien-peperdure-misverstanden-over-wondermiddel-waterstof/

Actueel is een manier om waterstof direct met zonnepanelen te maken. Zie bijvoorbeeld dit artikel:

https://www.installatiejournaal.nl/energie/nieuws/2019/03/nieuwe-zonnepanelen-produceren-direct-groene-waterstof-1019354?vakmedianet-approve-cookies=1&_ga=2.219714512.875453234.1551700200-1517538001.1551700200

In het kort komt het erop neer dat via een proces van fysica en chemie het mogelijk is om uit het vocht in de lucht waterstof (en zuurstof) te maken met een energetisch rendement van 15 %. Het rendement van de omzetting in waterstof is ca 75 %.

De energiedichtheid van waterstof bij 1 bar is ongeveer 11 kJ per liter. Dat betekent dat bij een opbrengst van gemiddeld 250 liter per dag bij atmosferische druk het waterstofzonnepaneel per jaar ongeveer 1000 MJ (250 liter x 365 dagen x 11 kJ per liter) aan waterstof produceert. Omdat een kilowattuur gelijk is aan 3,6 MJ, komt dat overeen met 278 kWh per jaar. Als ik dit zo lees, dan is het ongeveer gelijk aan het plaatsen van gewone zonnepanelen van 300 Wp met een rendement van 18,44 % en daarachter een brandstofcel die de elektriciteit omzet in waterstof met een rendement van 80 – 90 %. Hiermee wil ik dit idee niet afbranden, want het kan heel goed zijn dat deze techniek veel meer potentie heeft. Het is niet zo dat het op dit moment voordeel zou hebben om over te stappen. De opbrengst is 90000 l waterstof per jaar (1 bar) dat is ook nog een uitdaging om dit op te slaan.

 

Hieronder een uitgebreide uitleg over de businesscase aardgas vs warmtepomp.

Door Wim Schermer, juli 2019.

 

Waterstof in de kleuren grijs, blauw en groen

Grijze waterstof wordt gemaakt uit aardgas, dit proces heet steam reforming. Bij de productie daarvan komt per kg waterstof 10 kg CO2 vrij. De industrie maakt per jaar al 800.000 ton waterstof en stoot daarbij jaarlijks 8 miljoen ton CO2 uit. Dit lijkt geen goede oplossing.

Blauwe waterstof wordt op dezelfde manier gemaakt en heet blauw als de vrijkomende CO2 onder de grond wordt gestopt. Blijft die CO2 eeuwenlang onder de grond? Ook dit lijkt geen goede mogelijkheid.

Dan blijft groene waterstof over. Deze waterstof wordt gemaakt door zeer zuiver water te splitsen in waterstof en zuurstof. Voor deze techniek is heel veel elektriciteit nodig. Willen we echt een schoon milieu dan lijkt groene waterstof de enig juiste keus. 

Groene waterstof door het gasnet

Met aanpassingen aan het gasnetwerk is waterstof in onze huizen te gebruiken voor verwarming en koken. Door belanghebbende instanties zijn de kosten daarvan begroot op 700 miljoen euro. We moeten dan wel zelf een nieuwe waterstofketel en ook een nieuw kooktoestel kopen. De kosten daarvan zijn te overzien en zullen niet heel veel hoger zijn dan van een nieuwe gas CV en gas kooktoestel.

Hoe komen we aan die groene waterstof?

We kunnen de groene waterstof duurzaam maken met elektrolyse van water en windenergie of zonnestroom. Windenergie gaat 4,9 eurocent per kWh kosten. Dit is in elk geval de prijs die de overheid gaat betalen voor de energie van de nieuw te bouwen windparken waaronder IJmuiden Ver. De overheid subsidieert de windmolens niet, dat doen marktpartijen, wel in de verbinding met de kust. In de verre toekomst zal die prijs nog verder dalen als de windmolens nog groter worden dan de komende 8 MW windmolen generatie.

Waterstof kan geproduceerd worden op zee op een bestaand boorplatform en door buizen naar de kust worden vervoerd.

Wat gaat het kosten?

Om 1 kg waterstof voor verwarming te maken is 53 kWh elektrische energie nodig. Er treedt een flink verlies op tijdens het elektrolyse proces, we rekenen met 25% verlies. In de kleine 1 MW electrolyser zoals die door de koning in juli 2019 geopende HyStock installatie is het rendement maar 50,5%.

De kleine installatie in Veendam is evenwel niet representatief voor de mogelijk toekomstige grote electrolysers. 

Grote electrolysers zijn heel dure installaties. Per te verwerken kWh elektriciteit is 1000 euro benodigd. Een heel kleine electrolyser van 1 MW, kost enkele miljoenen euro’s. Electrolysers gaan 7 jaar mee en de 1 MW versie produceert in die 7 jaar 1.022.000 kg waterstof. We gaan er even van uit dat de kleine HyStock installatie maar 1 miljoen euro kost, om een redelijke vergelijking te maken met toekomstige grote electrolysers van 100, 250 en zelfs 1000 MW.

De kosten voor alleen de energie om die ene kilo waterstof te maken bedragen 53 x 4,9 cent = € 2,60.

De prijs per geproduceerde kilo waterstof van alleen de investering is 1 euro. Tel daarbij exploitatiekosten, onderhoud, afschrijving en personeel op en dan zal die prijs op rond 2 euro per kg uitkomen.

Dit maakt dat 1 kg groene waterstof totaal minimaal € 4,60 euro kost. Ter vergelijking, een kilo waterstof uit aardgas kost af fabriek € 1,80. Die kilo grijze waterstof kost voor de consument aan de pomp € 8,00 euro excl. btw. Zou diezelfde verhouding op groene waterstof worden toegepast, dan kost een kilo groene waterstof 20,44 euro per kg excl. BTW.

We kijken nog even naar waterstof voor mobiliteit, dat vraagt door de compressie naar 700 bar 65 kWh elektriciteit per kg waterstof. De kale productie kost 65 x 4,9 cent = 3,19 euro. Tel daar de kosten van de fabriek bij op, 2 euro per kg, en je hebt een kale prijs af fabriek van 5,19 euro per kg waterstof. Als we dezelfde opslagen gebruiken die nu ook bij grijze waterstof gelden dan kost een kilo groene waterstof aan de pomp 23,10 euro excl. 21% BTW. Er zit dan ook nog geen accijns op.

In 1 kg waterstof zit 11 m3 waterstof op 1 bar druk. Waterstof heeft per m3 een derde van de energie inhoud van aardgas. De druk in de leidingen moet dus 3x zo hoog worden. Om 1 m3 aardgas te vervangen door waterstof is er dus 3 m3 waterstof nodig. 

Een gemiddeld gezin gebruikt nu 1.500 m3 aardgas. Dat wordt straks 4.500 m3 waterstof. Dat is 409 kg waterstof voor 4,60 euro is totaal 1.811 euro. Let wel dit is de kale productieprijs excl. BTW, netbeheerkosten, energiebelasting enz.. 

Ter vergelijking, 1.500 m3 gas zonder heffingen kost 1500*0,308 = € 462,-. Aardgas met alle heffingen kost 72 cent per m3. Totaal dus € 1.080,-. De opslag op de kale prijs van aardgas is dus 133%.

Zouden we dezelfde toeslagen toepassen op waterstof dan wordt de kale productieprijs van 1811 euro maar liefst 4.220 euro voor de consument.

Per saldo kost verwarmen met groene waterstof 4x zoveel als met aardgas.

Warmtepomp

We willen van het gas af. Een warmtepomp kan het huis goed verwarmen en zelfs koelen. Het huis moet dan redelijk tot goed geïsoleerd zijn.

Een warmtepomp haalt zijn warmte uit de grond of uit de lucht. Een warmtepomp maakt van één kilowatt elektrische energie vier kilowatt aan warmte. 1.500 m3 aardgas is het equivalent van 13.500 kWh elektriciteit.

Omdat de warmtepomp een rendement heeft van 400% (COP 4.0) is het elektriciteitsverbruik in werkelijkheid 3.375 kWh en kost verwarmen met de warmtepomp per jaar € 843,75 bij de huidige kWh prijs van 25 cent. Het kabinet heeft besloten dat gas steeds duurder en elektriciteit goedkoper wordt. Dat doet de overheid door de energiebelasting op elektriciteit in een aantal jaren te halveren. Tegelijkertijd wordt de energiebelasting op gas sterk verhoogd. De elektrische warmtepomp is nu al 22% voordeliger dan aardgas en wordt straks zelfs 40% voordeliger in gebruik dan aardgas.

Er wordt nogal eens verteld dat oude slecht geïsoleerde huizen niet met een warmtepomp kunnen worden verwarmd. Met slimme technieken zijn ook die oude huizen prima geschikt te maken voor de benodigde lage temperatuur verwarming met een warmtepomp. Er zijn talloze woningen uit de jaren 30 van de vorige eeuw die zonder vloerverwarming, met een warmtepomp prima verwarmd blijken te kunnen worden. Naast de warmtepomp komt ook geothermie, rioolthermie, stadsverwarming met biomassa en WKO (warmte/koudeopslag) in beeld voor die toepassingen waar een warmtepomp minder goed toepasbaar is.

Een giftige cocktail tot slot: verdringing naar kolenstroom

Vrijwel iedereen denkt dat groene waterstof de heilige graal in de energietransitie is. Er is dan ook veel enthousiasme voor. Maar is dat wel terecht? 

Voor groene waterstof is heel veel duurzame elektriciteit nodig van windmolens en zonnepanelen.

Als die energie via de electrolyser met tot 30% verlies in waterstof is omgezet, is die elektrische energie niet meer beschikbaar voor warmtepompen en het direct laden van accu’s in elektrische auto’s.

Die warmtepompen en elektrische auto’s moeten natuurlijk wel voorzien worden van stroom. En daar zit nou precies de pijn, de opwekking van die energie wordt verdrongen naar … kolencentrales. Er is momenteel nog minder dan 10% duurzame energie beschikbaar. Elektriciteitsverbruik is altijd in balans. Duurzame energie heeft voorrang op het net, maar wordt altijd aangevuld door 90% fossiele opwekking met kolen en gas.

Vaak hoor je dat ‘overschotten aan duurzame energie’ tot waterstof kunnen worden verwerkt. Maar … er zijn helemaal geen ‘overschotten’. Het komt wel eens voor dat Tennet, onze nationale coördinator van het stroomnet, een inschattingsfout maakt over de hoeveelheid duurzame energie. Als er tijdelijk meer duurzame energie is dan verwacht, zet men soms een aantal windmolens even stil om geen overspanning op het net te krijgen. Dan zou je toch ook de kolen- of gascentrale minder kunnen laten produceren? Dat is moeilijk omdat kolencentrales vrijwel niet regelbaar zijn. Het is ook een kwestie van geld. De overheid betaalt lagere stilstandvergoedingen aan eigenaren van windmolens dan aan eigenaren van fossiele centrales.

Het is bekend dat een kolencentrale per geproduceerde kWh 798 gram CO2 uitstoot. Voor waterstof voor personenauto’s is door de hoge druk van 700 bar 65 kWh per kg waterstof benodigd. Waterstof voor verwarming hoeft voor het hoofdgasnet maar tot 65 bar te worden gecomprimeerd en vraagt rond 53 kWh per kg waterstof.

Stel dat de waterstof voor 50% voor mobiliteit en voor 50% voor verwarming wordt benut dan komen we op een gemiddelde van 59 kWh per geproduceerde kg groene waterstof.

59 x 798 gram = 47 kg CO2 uitstoot voor 1 kg groene waterstof. Zou diezelfde kilo waterstof als grijze waterstof uit aardgas worden gemaakt dan is er per kg maar 10 kg CO2 uitstoot. Door de verdringing naar kolencentrales wordt de uitstoot dus per kg groene waterstof maar liefst 37 kg CO2 hoger dan bij de ogenschijnlijk vuilere grijze waterstof.

Voor alleen verwarming voor een gemiddeld gezin is er 409 kg waterstof per jaar nodig. Daarvoor wordt door verdringing 409 x 53 kWh = 21.677 kWh door de kolencentrale opgewekt. De uitstoot is daarvan is 17.298 kg CO2. Zou ons gemiddelde gezin aardgas blijven stoken dan zou er 1.500 m3 x 1,890 kg = 2.835 kilo CO2 worden uitgestoten.

Het stoken van waterstof zorgt dus door verdringing naar kolenstroom per gemiddeld Nederlands gezin voor 17.298 – 2.835 = 14.463 kilo meer CO2 uitstoot. Ruim 5x zoveel als stoken op aardgas.

Nog meer vergif

Waterstof verbrandt bij extreem veel hogere temperaturen dan aardgas. Bij die verbranding komt 7x meer stikstofgas (NOx) vrij dan bij de verbranding van aardgas.

Waterstof dan maar helemaal vergeten?

Nee, zeker niet. Waterstof kan, we spreken dan wel over 30 jaar na nu, en als alle fossiele centrales zijn gesloten, een rol spelen bij het overbruggen van winterse windstille perioden. 

Ook kan waterstof een rol spelen bij het zwaar transport ter vervanging van dieselaandrijving.

Maar deze laatste toepassing zal maar voor een tiental jaren zijn. Elektrische trucks met een groot bereik zijn volop in ontwikkeling. Het bereik van een Tesla Semi, een 40-tons truck, is ruim 800 km, meer dan een chauffeur op één dag ooit kan rijden. Het opladen van die elektrische truck gaat met snelheden van 640 km in een half uur, dat is 50% sneller dan een waterstof truck waterstof kan tanken.

Op dit moment, juli 2019, zijn er onvoldoende accu’s beschikbaar om zelfs maar alle bestelde elektrische personenauto’s van accu’s te voorzien. De populaire elektrische Hyundai Kona heeft een levertijd van ruim een jaar. Het zal nog een aantal jaren duren voor er voldoende accu’s voor vrachtauto’s en schepen kunnen worden geleverd. 

Tot die tijd kan waterstof een overbrugging verzorgen naar volledig elektrische aandrijving.

Samenvatting

Stoken op aardgas kunnen we niet volhouden. Het veelgeprezen waterstof verhoogt de kosten voor verwarmen zonder CO2 uitstoot met een factor vier. Waterstof maken kost veel duurzame energie en levert door verdringing naar fossiele opwekking 5x meer CO2 uitstoot op in vergelijking met het ook niet schone stoken op aardgas.

Warmtepompen zijn nog prijzig maar in gebruik nu al 22% goedkoper dan aardgas dat straks veel duurder gaat worden.

De conclusie is, zoals altijd, aan U.

Wim Schermer, juli 2019