HE cube

Stand van zaken

Waterstof (H2) staat volop in de belangstelling als schoon alternatief voor fossiele energie. Er wordt door bedrijven en overheden veel geïnvesteerd in de ontwikkeling. Eén op de 4.000 nieuwe auto's zijn waterstof auto's in 2021. Het is geen grote markt maar er is wel belangstelling. Overheden subsidiëren openbaar vervoer op waterstof.
Oorzaken van de de moeizame marktpenetratie van H2 zijn.
  • H2 moet onder druk gebracht worden om per volume eenheid een redelijke hoeveelheid energie te hebben. 1 kg waterstof bevat 33 kWh en heeft een volume van 11,3 m3, bij atmosferische druk. Bij 700 bar heeft 1 kg H2 een volume van 16 liter, daarmee kan een auto 100 km rijden. Dus voor 500 km heb je een zware tank nodig van 80 liter.
  • De productie van watersof is prijzig , anno 2023 € 22 per kg. Dus per km kost dat € 0,22 tegenover benzine € 0,10 per km. Terwijl er dan voor H2 geen accijns is betaald en voor benzine wel.

Kenmerken van waterstof

Waterstof werd ontdekt door de Engelse wetenschapper Henry Cavendish in 1766. Volgens de huidige kosmologische theorieën was waterstof het enige element daarna de oerknal. Bij fusiereacties kwamen alle andere elementen voort uit waterstof. Het aandeel waterstof in de korst van de vaste aarde is 0,88 gew.%. Op aarde bestaat waterstof alleen in water, koolwaterstoffen en mineralen. Waterstof is een kleur- en reukloos gas. In zijn normale toestand is waterstof een diatoom molecuul. Er zijn isotopen van waterstof: eenvoudige waterstof en zware waterstof, genaamd deuterium, terwijl de superzware waterstof, zeg tritium, vervalt radioactief en kan dus vrijwel niet in de natuur worden gevonden (tabel hieronder). In vergelijking met andere fossiele brandstoffen is de gravimetrische verwarmingswaarde hoog, terwijl de volumetrische verwarmingswaarde is laag. Deze fysieke eigenschappen zijn een indicatie van enkele moeilijkheden verbonden aan de opslag en het transport van waterstof.

Om alle aardgas die we in Nederland jaarlijks verbruiken te vervangen door groene waterstof hebben we 3 x 40 miljard kubieke meter = 120 miljard m3 H2 nodig. Een deel van ons aardgas gebruiken we momenteel juist om waterstof te maken. Waterstof heeft bovendien een chemische samenstelling, waarmee we niet alle producten kunnen maken die aardgas als grondstof hebben. We gebruiken nu ook ongeveer een kwart van de jaarlijkse hoeveelheid aardgas voor het opwekken van elektriciteit. En elektriciteit is juist weer nodig voor het produceren van waterstof door middel van elektrolyse.

Voor woningverwarming hebben we circa 20 miljard m3 ofwel 31,65 MJ x 20 miljard = 633 miljard MJ = 633 PJ (petaJoule).
Volgens een rapport van TNO uit 2020 produceert Nederland al veel waterstofgas. In 2020 was dat ongeveer 155 PJ, waarvan 105 PJ uit aardgas. De rest ontstond als bijproduct uit raffinaderijen (70 PJ). Voornamelijk grijze waterstof dus. Slechts 2 PJ komt voort uit elektrolyse. Een groot deel van alle waterstof gebruikt de industrie voor het maken van kunstmest (65 PJ) en bij olieraffinage (60 PJ)

Lezing van Sabien Hosenfelder over de stand van zaken waterstof



Waterstof eigenschappen


Waterstofeigenschapwaardeeenheid
Dichtheidgas0,899kg/Nm3
Dichtheidvloeistof70,79kg/m3
Smeltpunttemperatuur14,10K
Kookpunttemperatuur21,15K
Verbrandingswaardeonderwaarde3,00kWh/Nm3
 onderwaarde33,3kWh/kg
 bovenwaarde39,4kWh/kg
Vloeistofonderwaarde2,79kWh/l
Calorische waardebovenwaarde3,50kWh/Nm3

Waterstof voor oplossen opslagvraag zon en wind

Zon en wind produceren stroom met productiegaten. De leveringszekerheid willen we 100% hebben in het rijke Europa. De combinatie van zon en wind vermindert die productiegaten. Een optimale mix ontstaat door 20% zon en 80 % wind.

Netwerkbedrijven in Europa, waaronder Tennet, hebben allerlei programma’s om de pieken af te vlakken. Zoals blockchain-management, piek-afvang met condensatoren, valmeren met hydropower, etc.

Al met al leidt dat ertoe dat 35% van de geproduceerde stroom uit de ideale mix van zon en wind via opslag naar het grid gebracht moet worden. De opslagcapaciteit bedraagt circa 5% van de jaar productie. Die verhouding kan nog verder verbeterd worden door de Europese netten aan elkaar te koppelen.

Via de waterstofroute gaat 64% van de energie verloren in de elektrolyse en de brandstofcellen. (Actueel rendement van de elektrolyse totaal proces 60% x rendement van de brandstofcellen 60% = 36% totaal rendement).

De som van de kosten van waterstofproductie componenten zijn afhankelijk van de mate van vollasturen, rendementen en de omvang van de opslag en de drukken waarop moet worden opgeslagen. De investeringen die wij hebben vastgesteld op grond van offertes lopen van € 1.200 tot € 1.500 per KWe met 200 bar druk .
Waterstof wordt gezien als een van de belangrijkste energiedragers van de toekomst. Het kan dienen als een schone en duurzame bron van energie voor verschillende toepassingen, zoals transport, industrie en elektriciteitsopwekking.
Een van de belangrijkste voordelen van waterstof is dat het kan worden geproduceerd uit verschillende hernieuwbare bronnen, zoals windenergie, zonne-energie en biomassa. Dit maakt waterstof een van de meest veelbelovende oplossingen voor de energietransitie, omdat het kan helpen om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.
Waterstof kan op verschillende manieren worden geproduceerd, waarvan elektrolyse de meest voorkomende is. Hierbij wordt water gescheiden in zuurstof en waterstof, waarbij de laatste wordt opgevangen en opgeslagen voor gebruik. Het proces kan worden aangedreven door hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie, waardoor het mogelijk is om schone waterstof te produceren.
Waterstof kan worden gebruikt als brandstof voor voertuigen, als grondstof voor de chemische industrie en als energiebron voor de elektriciteitsopwekking. Het kan ook worden opgeslagen en getransporteerd, waardoor het een flexibele en veelzijdige oplossing is voor de energievoorziening.
Hoewel waterstof nog steeds relatief duur is om te produceren en te gebruiken in vergelijking met traditionele fossiele brandstoffen, wordt er veel onderzoek gedaan naar manieren om de kosten te verlagen en de efficiëntie te verbeteren. Met de voortdurende ontwikkeling van nieuwe technologieën en de groeiende belangstelling voor duurzame energie, zijn de economische mogelijkheden van waterstof voor de energievoorziening enorm.

De feiten over kostprijzen stemt ons nog niet optimistisch. Voor de elektrolyse is circa 55 kWh nodig voor 1 kg waterstof, inclusief het op druk brengen naar 70 bar. Met wind op zee hopen we een prijspunt van 7,5 cent per kWh te bereiken. Breakdown analyse kosten per kg waterstof na 2035.

- Capex vanwege max 4.000 vollasturen: € 2,50/kg
- Opex incl. 15 ltr zuiver water per kg en loog: € 0,40/kg
- Kosten elektrolyse stroom 55 x 7,5 - 15 cent: € 4,12 - € 8,24 /kg
- Transport via pijpleiding op 70 bar: € 1,50/kg
- Opslag in drukvaten en het op druk brengen naar 700 Bar
- Marge voor producenten en marktpartijen

Totaal € 18 - € 25 per kg
Stacks Image 68

Breakevenprijzen waterstof voor diverse vervoersmodaliteiten

Stacks Image 70

Diverse waterstofpromotors melden kosten van € 2,17 per kg waterstof, waaronder DNV GL. Die beschouwingen zijn gebaseerd op louter de kosten van de electrolyzers met vollast belasting (8000 uur per jaar) en stroomprijzen van 2 cent per kWh. De energie kosten voor de gehele waterstof plant, compressie en opslag zijn hier niet bij betrokken. Die vollasturen zijn niet mogelijk, omdat juist waterstof ingezet wordt om de piekbelastingen weg te masseren. In de praktijk zullen we 1000 tot 3000 vollasturen aantreffen. De prijzen voor waterstofproductie onder druk op 200 bar zonder winstopslag komen dan uit op circa 8 - 14 Euro per kg anno 2021 en anno 2023 boven de € 20 per kg


Als de markt voor windstroom 12 -15 cent biedt op de app endex, dan is het niet logisch om de stroom in te zetten voor waterstof. Er ontstaan echter ook situaties dat er teveel is aan stroom en er geen afzet markt is. Dat zien we momenteel in 8% van de gevallen. In die situaties kan de turbine exploitant besluiten om waterstof te produceren. Voor zo weinig draaiurnen hebben we dan een Capex die ruim 5 x zo hoog wordt per kg waterstof.


Nu is het volgens diverse experts te verwachten dat de kosten van brandstofcellen en electrolyzers flink kunnen dalen en dat de rendementen zullen verbeteren. Grootschalige opslag wordt wellicht mogelijk in bestaande gasbuizen en in zout cavernes. Daarmee kunnen de kosten hopelijk flink omlaag, want dat zou de energietransitie beter mogelijk maken.

Electrolyzers worden juist ingezet om de energie van piekstromen die niet kan worden benut op te slaan in waterstof. Als we de prognose van het plan bureau voor de leefomgeving (PBL) projecten op het jaar 2050 dan zien we een beeld als het plaatje hieronder. Circa 30% van de jaarproductie kan niet worden opgenomen door de vraag, die weergegeven wordt als een groen dikke lijn. Om waterstof te maken in 2050 hebben we per kg waterstof in 45 kWh stroom nodig daarvoor krijgen we 33,4 kWh bruikbare energie terug om via brandstofcellen op een later tijdstip dalen te voeden met stroom. De brandstofcel heeft tegen die tijd een gehoopt rendement van 70%. Voor de input van 45 kWh uit de pieken krijgen we dan terug 33,4 x 70% = 23,4 kWh. We verliezen dus bijna 50% aan piekstroom voor deze cyclus.

De exploitanten van zon en wind wensen een marktprijs voor de stroom prognose: 5 cent per kWh. Dat houdt in dat de prijs voor het vullen van de dalen via de waterstofroute energetisch 10 cent per kWh gaat worden. Als de electrolyzers direct zijn aangesloten op wind en zonneparken.
Indien er gebruik moet worden gemaakt van het openbare net dan komen daar boven op de netwerkkosten en belastingen. Voor grote vermogens liggen die in de orde groot van 2 cent per kWh. Waardoor de prijs voor het vullen van dalen nog 4 cent duurder gaat worden. Dit is nog exclusief de kosten van de installaties en de opslag. Echter voor de productie van waterstof wordt voorlopig geen EB geheven waardoor de heffing lager gaat worden. https://www.humsterlandenergie.nl/resources/LInks-duurzaam/Waterstofpapers/beantwoording-feitelijke-kamervragen-kabinetsvisie-waterstof.pdf


De kosten van stroom zullen naar ons inzicht niet dalen:

  • De energieprijs is afhankelijk van mondiale ontwikkelingen en oorlogen;
  • Goedkope kolenstroom wordt afgeschaft;
  • De kosten van windturbines zijn nauwelijks lager te maken inclusief winstopslag moeten we rekenen dat 5 - 7 cent per kWh een bodemprijs zal zijn;
  • De grid-kosten van zon en wind lopen in de tientallen miljarden en zullen afgewenteld worden op de consument die gaan dus omhoog en hebben wij begroot als extra kosten van 3 - 8 cent per kWh;
  • Om zonne- en windstroom 24/7 beschikbaar te maken is opslag nodig. Dit proces is zeer kostbaar en die kosten zullen afgewenteld worden op de belastingbetaler;
  • De solar sector koopt panelen in voor 15 cent per Watt-Piek; ook in deze sector is de bodemprijs vrijwel bereikt; Grote zonnevelden worden voor 60 - 80 ent per WP gebouwd
  • Kernenergie is een alternatief met voor en tegenstanders; - nieuwe centrales kunnen stroom leveren voor 5 - 8 cent per kWh; echter de bouw zal decennia duren.
  • Kernfusie komt mogelijk na 2050 in beeld;- de prijzen kunnen 7 - 14 cent per kWh worden, omdat de installaties erg kostbaar zijn
  • Waterkracht is in Nederland nergens rendabel. Zonder subsidies bedragen de kWh prijzen van 15 cent tot 30 cent per kWh
  • Getijde energie is op sommige plaatsen met enorme stroomsnelheid rendabel (Schotland), maar in opbrengst een fractie van de behoefte
  • Hydropower uit Noorwegen is betaalbaar. Maar het transport naar Nederland maakt dat die stroom 7 tot 12 cent per kWh moet kosten.
  • De enige technologie die wij kennen die een baseload kan leveren is Dynamic Tidal Power. Opslag is nodig voor eb/ vloed en hoog/ laag water, maar betaalbaar. Grid-kosten zijn nihil en de kWh prijzen bedragen 5 - 8 cent/ kWh voor dammen aan de kust in zee en vanaf 7 - 10 cent/ kWh voor dammen in open zee, inclusief valmeer opslag om eb en vloed glad te strijken en spring en doodtij uit te vlakken
.

Energiekosten van compressie H2

Stacks Image 32

Opslagkosten H2 in relatie tot druk per kg

Stacks Image 34
Windenergie Kosten/kWh WINST GRID 61% 40% DIRECT Naar GRID 60% in WATERSTOF output naar grid 21%

Kosten waterstof productie per kg met stroom uit wind en zon

Rendement waterstofproductie (*)60,0%Totale plant inclusief opslag tot 350 bar
Opslagcapciteit in vaten5%Van jaarproductie = 18 dagen
Kosten elektriciteit € 0,050 €/kWh
(*) Op onderwaarde 
Vollasturen80006000400020001000
Capex electrolyzer systeem € 0,53 € 0,71 € 1,07 € 2,14 € 4,27
Opex stacks € 0,56 € 0,59 € 0,88 € 1,76 € 3,51
Demi water/ KOH/ maintenance € 0,05 € 0,05 € 0,05 € 0,05 € 0,05
Capex compressie € 0,38 € 0,51 € 0,77 € 1,54 € 3,08
Capex opslag € 1,52 € 1,52 € 1,52 € 1,52 € 1,52
Stroom kosten € 2,78 € 2,78 € 2,78 € 2,78 € 2,78
      
Onvoorzien 5 % € 0,29 € 0,31 € 0,35 € 0,49 € 0,76
Totaal € 6,11 € 6,46 € 7,41 € 10,26 € 15,96
Toelichting bij de tabel
Om dezelfde hoeveelheid waterstof te produceren in een korte tijd moeten zwaardere electrolyzers worden geïnstalleerd. Dus meer kosten per kg. Dat geldt ook voor de vervanging van de stack’s en de compressoren.

Moeten de stroomkosten nul zijn, dan wort de kilo prijs van waterstof € 2,78 goedkoper.

Van de geproduceerde waterstof moet nog stroom gemaakt worden met brandstofcellen. Dat gaat met een rendement van 60 - 70% op onderwaarde. Dat houdt in dat 20 - 23,3 kWh stroom beschikbaar komt van de energie-inhoud van waterstof 33,3 kWh/ kg. Gaan we uit van 70% rendement dan kost de stroom zonder de kosten van de brandstofcellen: minimaal 6,11/23,3 = € 0,26/ kWh en maximaal 15.96/23,3 = 0,69/ kWh.