waterstofstrategie waterstof economie peter altmeier waterstoftechnologie gas waterstofgas-technologie waterstofgas CO2 kerncentrales Kernenergie

De Duitse minister van Economie, Peter Altmeier, presenteerde begin juni met veel tamtam de nieuwe ‘waterstofstrategie’. Men wil zelfs wereldmarktleider worden en heeft daartoe zelfs – slim, slim – een Nationale Waterstof Raad ingesteld. Dus dan komt het wel goed.

Daarom hier een analyse Prof. Dr. Gilbert Brand, die waterstof en de waterstoftechnologie op licht ironische wijze onder de loep neemt.

Auteur: Gilbert Brand (Duitsland).

Vertaling: Martien de Wit.

Het enige denkbeeldige voordeel van een dergelijke waterstofgas-technologie is dat er bij toepassing als energiedrager geen CO2 wordt gegenereerd, en dat past goed binnen de huidige klimaatdogma’s.

Het element waterstof komt – in zuivere vorm – in de vrije natuur – de zon – voor, maar dan wel op een afstand van niet minder dan ongeveer 150 miljoen kilometer, en het heeft dan een temperatuur van 5500 °C, wat de winning en transport enigszins problematisch maakt. Daarom moet waterstof op aarde worden geproduceerd uit andere stoffen.

waterstofstrategie waterstof economie peter altmeier waterstoftechnologie gas waterstofgas-technologie waterstofgas CO2 kerncentrales Kernenergie

Bondsminister van Economie Peter Altmeier met presentatie van de “waterstofstrategie”. Afbeelding screenshot video van het Federale Ministerie van Economische Zaken en Energie.

De stand van vandaag

Dat en de technisch vrij lastige behandeling van het element waterstof beperken het gebruik tot enkele industriële toepassingen, maar dat zou moeten veranderen. Momenteel wordt het voornamelijk geproduceerd door verhitting van aardgas (methaan) met water of door gedeeltelijke oxidatie van aardgas, waarbij waterstof en CO2 ontstaan, maar ook door hogetemperatuurelectrolyse van methaan, waarbij naast waterstof ook pure koolstof wordt geproduceerd. Aangezien aardgas minder kost dan 4 ct/kWh, zijn de verliezen acceptabel en economisch aanvaardbaar.

Vanuit klimaatdogmatisch oogpunt zou de CO2 die bij deze processen vrijkomt, moeten worden gescheiden en opgeslagen, wat het rendement van de productie onder de 50% zou brengen. Bij het laatste proces bevat de pure koolstof, bijna de helft van de energie die er is ingegaan, maar deze is verder ook onbruikbaar omdat verbranding CO2 zou opleveren. Daarom is dat rendement zeker zo gering. Bovendien is het gebruik van aardgas in tegenspraak met de gangbare dogma’s over hulpbronnen.

Waterstof uit wind en zon

Dogmatisch correct en bovendien efficiënter zou een volledig CO2-vrije productie zijn door elektrolyse van water, waarbij ongeveer 85% van de gebruikte energie in waterstof terecht zou komen. Daarvoor heeft men elektriciteit nodig. Die zou men kunnen opwekken met kerncentrales, momenteel tegen een kostprijs van ca. 4 ct/kWh, en op langere termijn dalend in prijs. Als men dat zou doen, met een basisprijs van iets minder dan 5 ct/kWh, zouden latere verliezen, afhankelijk van de toepassing, waarschijnlijk geen groot probleem zijn.

Maar dat wil men niet (het Kernenergie-Nee dogma). Alles moet worden gerealiseerd met wind- en zonne-energie. Dat kost ongeveer 12 ct/kWh, met op lange termijn een stijgende trend. Omdat er in totaal veelal onvoldoende wind en zonne-energie beschikbaar is, maar soms ook te veel, wil men dit tijdelijke overschot gebruiken voor de productie van waterstof. Tot zover de officiële versie, die overigens ook vergeet te vermelden dat er onvoldoende wind- en zonne-energie is voor alle toepassingen. Maar dat verzwijgt men liever.

De Nederlanders willen nu in Groningen een nieuw enorm windpark bouwen. Dat moet in eerste instantie een aantal huishoudens stroom kunnen leveren in het geval dat het waait, en bij een overschot waterstof produceren. Ondertussen hebben de Nederlanders het nagerekend dat het met met die huishoudens in elk geval niet lonend is. Dus zijn ze nu van plan om met die windenergie alleen waterstof te produceren. Er is ongeveer 800.000 ton per jaar gepland en op de één of andere manier zou de waterstof dan ook naar de industrieën aan de Rijn en het Ruhrgebied moeten komen en naar consumenten elders. De Nederlanders denken dat ze er aan kunnen verdienen. Laten we dat eens nader bekijken.

Een paar kerngegevens

Verderop kijken we naar een paar cijfers. Sommige zijn gemakkelijk te vinden in tabellen, andere minder gemakkelijk. Maar eerst even wat eenvoudige zaken: waterstof is ongelofelijk energierijk. Per kilogram staat het duidelijk bovenaan in vergelijking met andere energiebronnen, waarbij we kijken naar de enthalpie bij volledige verbranding.

Energie-inhoud

Waterstof

Methaan

Butaan

Steenkool

kJ/kg

286.000

50.125

49.620

32.750

Deze waarden worden vaak ‘verkocht’ om waterstof voor de leek aantrekkelijk te maken. Voor het transport is het volume echter interessanter dan het gewicht en dan ziet de balans er voor waterstof minder schitterend uit:

Energie-inhoud

Waterstof

Methaan

Butaan

Steenkool

kJ/m³ (Gas)

25.535

35.803

128.500

~82.000.000

kJ/m³ (Vloeibaar)

20.000.000

21.000.000

28.000.000

~82.000.000

Hoe je het ook bekijkt, steenkool staat qua volume bovenaan. Het energiegehalte bij normale druk/temperatuur wordt hier vermeld als gas en als vloeibaar gas. Als je gas comprimeert, zit je daar ergens tussenin (NPT-waarde * druk in bar = energie). Zelfs in de vloeibare vorm weegt waterstof slechts 70 kg/m³ en heeft dan een temperatuur van -252 °C, Methaan en butaan wegen ongeveer 500 kg/m³ (bij -160 °C en 0 °C), steenkool ongeveer 2,5 ton. Dergelijke gegevens, die voor de vervoerder interessanter zijn, moet men echter zelf berekenen.

De vraag is dan: gas of vloeibaar gas? De Russen leveren hun aardgas via pijpleidingen aan ons, de Amerikanen maken het vloeibaar en leveren het per tanker af. Het is vrij eenvoudig om te bepalen wat men met vloeibaar gas kan verwachten:

Verliezen

Waterstof

Aardgas

Vloeibaar maken

35%

~12%

Opslag per dag

~3%

~0,1%

Vloeibaar maken kost veel energie, wat een van de redenen is waarom Amerikaans gas duurder is dan Russisch gas. Maar dat is bijzaak. Bij aardgas (kookpunt -161 °C) blijft dit nog binnen de perken, maar waterstof met een kookpunt dat bijna 100 °C lager is, is dit een reëel probleem. (Red: de extreem lage temperaturen van vloeibare gassen kunnen tijdens het transport hoofdzakelijk worden gehandhaafd door afkoeling door verdamping en dus verlies van de totale hoeveelheid.) Geladen in Houston zou bij aankomst in Rotterdam minder dan de helft over zijn. Wat ook voor de Nederlanders geldt, zoals we zo zullen zien.

De logistiek van de Nederlanders

Voor de Nederlandse waterstofproductie komt er nog een ander probleem bij, waardoor ze praktisch gelijk opgaan met waterstof uit Houston, als ze zouden inzetten op vloeibare waterstof. Met een kerncentrale zou men de waterstof ‘just-in-time’ kunnen produceren in de hoeveelheid die op een moment nodig is, maar Nederlanders moeten produceren zoals de wind waait. Als je elektriciteitsproductie uit wind en de stroomeisen van klanten als model neemt voor een waterstofeconomie, dan betekent dit dat van die van de 800.000 ton/jaar grofweg een derde tot de helft gedurende langere tijd opgeslagen moet worden. Na elektrolyse, vloeibaar maken, transport en opslag zou op zijn best nog maar 35% van de energie overblijven, wat samen met alles wat er bij komt kijken, zou leiden tot een prijs van bijna 50 ct/kWh uit de tank.

De methode bij uitstek voor het transport van waterstof is dan ook als gas door pijpleidingen, omdat de gebruikelijke hogedruk gasflessen met 50 l inhoud, 300 bar vuldruk en 50 kg gewicht nauwelijks lucratief zijn. Maar ook in pijpleidingen moet het gas worden samengeperst. Met kernenergie-waterstof zou men waarschijnlijk op de gebruikelijke 16 bar uitkomen. Met de grote hoeveelheden die tijdelijk zouden moeten worden opgeslagen bij de productie met windenergie, zou men ook ondergrondse gascavernen moeten gebruiken waarin het aardgas tijdelijk onder hogere druk wordt opgeslagen. Als men gas comprimeert moet er fysieke arbeid worden verricht, hetgeen energie vergt en bovendien wordt gas warm door compressie. Deze energie van de hogere temperatuur in de leidingen en opslag kan niet worden behouden voor nuttige toepassingen, evenmin als de mechanische energie die vrijkomt bij de expansie aan de gebruikerszijde. Daarom, zijn dit pure verliezen die groter worden bij een toenemende druk. Ze zijn weliswaar nog niet zo dramatisch als bij het vloeibaar maken, maar bij ca. 80 bar blijft er nog ongeveer 60% van het windvermogen over zonder rekening te houden met andere verliezen, zoals het genereren en handhaven van de bufferdruk in de cavernen of het verhogen van de druk in langere leidingen. Bij de verbruiker zal er net iets meer dan 50% arriveren.

Dergelijke cijfers zijn overigens niet meer eenvoudig vast te stellen. Enerzijds praat men niet graag over verliezen, anderzijds worden alle mogelijke oppoets-rekenfactoren meegenomen. Daar komen we later op terug. Dergelijke transportverliezen treden ook op bij aardgas, maar bij wind-waterstof moeten we uitgaan van minimaal 5 keer de basisprijs van aardgas en deze factor is terug te vinden in alle cijfers. Daarnaast spelen ook andere individuele randvoorwaarden een rol. Als klant krijg je waarschijnlijk al een vermoeden welke kant de rekening voor verwarming op gaat, als er Nederlandse waterstof wordt gebruikt in plaats van aardgas.

Power-2-gas (P2G)

De pijpleidingenversie heeft echter de bijkomende voorwaarde dat er ook pijpleidingen beschikbaar moeten zijn. Als er voldoende zijn, kunnen aardgaspijpleidingen buiten gebruik worden gesteld en voor waterstof worden toegewezen, anders moeten er nieuwe worden aangelegd. Hetzelfde geldt voor opslag in tanks of in de grond. Power-2-gas is een alternatief voor waterstoftransport, waarbij niet in de eerste plaats de waterstof wordt getransporteerd, maar met CO2 wordt omgezet in methaan. Omdat de reactie tussen waterstof en CO2 in de totale balans exotherm is, ziet dat er niet zo slecht uit als de restwarmte kan worden benut.

Hier wordt de rooskleurige voorstelling van zaken nog wat aangedikt. Realistisch beschouwd komt van de windenergie vermoedelijk ongeveer 60% aan in de vorm van methaan, dat vervolgens kan worden gemengd met gewoon aardgas. Specialisten berekenen dat, rekening houdende met allerlei mogelijke beperkingen en theoretische opties, tot waarden dichtbij 100% mogelijk zijn, d.w.z. wind = gas. Eén van de nep-aannames: waar haal je de CO2 vandaan? Juist, van CO2-afvang van andere processen. Dat kost ook energie, waarvoor moet worden betaald, wat uiteindelijk de prijs van kunstmatig aardgas opdrijft. Deze kriskras-berekeningen zijn zonder grote inspanning nauwelijks te begrijpen en het is de vraag of alle theoretische effecten ook daadwerkelijk in de praktijk optreden. Je bent zeker niet ver van de werkelijkheid als je veronderstelt dat via P2G ongeveer 40% van de primaire windenergie overblijft, met een overeenkomstige impact op de prijs.

Waterstofdragers

Vooral in verband met de steeds groter wordende e-mobility-droom worden vaak vloeibare organische waterstofdragers verkocht aan het publiek (dat waterstofgas bij benzinestations een dom idee zou kunnen zijn, schijnt zelfs zonder knalgasreactie tot de Groenen te zijn doorgedrongen). De waterstof wordt hierbij bij verhoogde temperaturen chemisch in een molecuul opgenomen en komt bij nog hogere temperaturen weer vrij. Katalysatoren tot ongeveer 150 °C en hoger voor stap 1, en 300 °C voor stap 2, zijn beide verkrijgbaar.

Stap 1 is exotherm, men kan proberen de verliezen te minimaliseren door de restwarmte te gebruiken, stap 2 is endotherm, d.w.z. in ieder geval moet er energie geleverd worden. Het verkrijgen van gegevens is een beetje moeilijk, maar efficiënties tot 70% lijken redelijk realistisch. Data processing is hier gecompliceerd ook omdat de brandstofcellen die waterstof gebruiken. Efficiënter lijken dan benzinemotoren, wat het vanuit propaganda-oogpunt weer beter doet. Vermoedelijk ziet de totale balans er zonder alle verfraaiingen weinig anders uit dan bij benzine.

Hoeveel waterstof wordt er gebonden? Laten we tolueen als rekenvoorbeeld nemen (andere verwante verbindingen worden gebruikt, maar tolueen, een benzeenderivaat, was ooit een kandidaat), die in totaal 3 mol = 6 g waterstof kan binden met een molmassa van 92 g/mol. Tolueen kan het equivalent van ongeveer 14 kg waterstof per kubieke meter opslaan bij een dichtheid van 0,87 g/cm³, wat overeenkomt met een energie-inhoud van 4 * 10⁶ kJ. Dat is slechts 1/5 van wat een LNG-aardgasvoertuig in hetzelfde volume vervoert. Niet bepaald een hit. Bij het onderzoeken van andere manieren om waterstof aan iets te binden, is er geen echt verschil met deze waarden.

Organische waterstofdragers zijn daarom vrijwel ongeschikt voor het transporteren van waterstof. Naast het relatief lage energiegehalte en de benodigde tankstationdichtheid zijn er ook andere mobiliteitsproblemen. Bij het tankstation moet je eerst de oude vloeistof laten weglopen voordat je de tank kunt bijvullen en de tankwagen komt ook vol terug en niet leeg. Zelfs bij kernenergie-waterstof rijst de vraag of dit echt de technologie van de toekomst is, maar met de prijsstructuur die ontstaat door windenergie-waterstof hoeft deze vraag niet gesteld te worden.

Elektriciteitsopslag

De gastechnologieën worden ook verkocht als energiebuffers voor windstille tijden, d.w.z. in een energiecentrale wordt het gas omgezet in elektriciteit als er geen wind is. Als er voldoende elektriciteit beschikbaar zou zijn, zou gasopslag als zodanig waarschijnlijk in feite schaalbaar zijn in tegenstelling tot alle andere ideeën, d.w.z. men zou mogelijk genoeg cavernen kunnen bouwen als buffer. Helaas eindigen we bij een P-2-G-2-P proces met een efficiëntie van ongeveer 30%, d.w.z. in perioden van overvloed moet de wind 3 kWh overtollige elektriciteit produceren om in tijden van schaarste 1 kWh terug te kunnen winnen. We kunnen ons waarschijnlijk verdere discussie besparen.

Veel geblaat en weinig wol

Zoals eerder vermeld, was het soms niet eenvoudig om realistische cijfers uit het gebruikelijke bedrog te halen en ik beweer niet dat ik echt rekening heb gehouden met de laatste technische details. Maar het is onwaarschijnlijk dat correcties de balans in significante mate zullen wijzigen. Technisch is alles haalbaar, voor het grootste deel ook heel interessant vanuit het oogpunt van de ingenieur, maar niets is in verhouding met de dogmabevrediging waaronder alles te lijden heeft.

Aangezien de grote ommekeer in elektriciteit, inclusief elektromobiliteit, om allerlei redenen niet werkt, en dat dat zelfs de groene ideologen begint op te vallen, wordt de volgende technologie uitgerekend aan de bevolking verkocht onder het motto: “als iets niet werkt en te duur is, adviseer ik gewoon iets dat helemaal niet kan werken en nog duurder is”. En er is niemand die zich daarover verbaast.

Over de auteur

Prof. dr. Gilbert Brands was hoogleraar aan de FH Emden in de afdeling elektrotechniek + informatica, onderwijs- en werkgebieden cryptologie, IT-beveiliging, programmeren, wiskunde, kwantumcomputerwetenschappen en andere hardcore onderwerpen in de informatica. Daarvoor was hij zelfstandig werkzaam vanaf 1982 met de ontwikkeling van een systeem voor gelijktijdige dienstregistratie voor RAG. Hij is van oorsprong een fysisch-scheikundige.

Dit artikel verscheen voor het eerst op 20 maart bij EIKE (Europäisches Institut für Klima und Energie).

Bron hier.

Print Friendly, PDF & Email