Waterstofeconomie.
Een korte versie.
De uitgebreide tekst staat hier.
F.Udo, 11 sept 2018
In het kader van het nieuwe klimaatakkoord zet men hoog in op windenergie. Een gematigd scenario van het Plan Bureau voor de Leefomgeving voorziet 10 GW (10 GigaWatt) windvermogen op land en 10 GW windvermogen op zee in 2030. Hierbij moet worden aangetekend, dat door de geringe levensduur van windturbines het bestaande windvermogen in Nederland voor 2030 vrijwel in zijn geheel vervangen moet worden.
In de jaren tot 2030 zal de vraag naar stroom stijgen, want wij mogen geen gas meer gebruiken en de auto’s hangen in 2030 allemaal aan de laadpaal. Deze toekomstmuziek is in deze beschouwing niet in rekening gebracht, dus het stroomverbruik blijft in onze berekening constant tot 2030.
Het geprojecteerde windvermogen van 20 GW is de helft groter dan het gemiddelde Nederlandse stroomvraag van 14 GW. Bij harde wind wordt er dan tegen de 20 GW windstroom geproduceerd voor een vraag van 14 GW. Dit gaat dus niet samen.
De productie uit 20 GW windvermogen zou theoretisch de helft van het totale Nederlandse stroomverbruik per jaar kunnen dekken. De klimaattafel energie denkt dat alle geproduceerde windstroom ingepast kan worden in het elektriciteitsnet, maar een aandeel van 50% wiebelstroom is niet zonder grote verliezen in te passen in ons distributienet.
Door de verliezen zal het werkelijke aandeel windstroom geen 50% maar ongeveer 35% zijn.
Het aandeel van gas in de stroomvoorziening is dan nog steeds 65%, terwijl het rendement van de gascentrales serieus wordt aangetast, doordat zij de variaties van de geleverde windstroom moeten compenseren. Het gevolg is, dat de gerealiseerde brandstofbesparing nog een stuk lager zal liggen dan het aandeel windstroom van 35%. Volgens Deze analyse zal de besparing nog beneden de 15% liggen.
Er kan geen centrale gesloten worden, omdat bij windstilte de volledige stroomvraag door de bestaande centrales gedekt moet worden. Bij harde wind kunnen zij niet stilgezet worden, omdat een koude start lang duurt (uren) en veel brandstof en onderhoud kost.
Deze moeilijkheden zijn alleen op te lossen door de overschotten aan windstroom die optreden bij veel wind op te slaan en te gebruiken bij weinig wind.
De beste procedure is om windstroom geproduceerd boven het gemiddelde geproduceerde windvermogen op te slaan.
Op deze manier kan een constante stroom (basislast) geproduceerd worden gelijk aan het gemiddelde windvermogen. De 20 GW windturbines produceren gemiddeld ongeveer 6,6GW wiebelstroom. Dit betekent, dat alle wiebelstroom boven de 6,6GW in de opslag moet verdwijnen en er weer uitkomt als bij weinig wind het geleverde windvermogen zakt onder de 6,6GW.
De berekeningen gemaakt om te zien hoe windstroom via opslag tot basislast gepromoveerd kan worden laten zien, dat de benodigde opslagcapaciteit enorm is, omdat rekening gehouden moet worden met lange periodes zonder veel windstroomproductie.
De voorgestelde technieken zijn of niet mogelijk in Nederland (waterkracht) of zijn te duur (accu’s).
De omzetting van elektriciteit in gas (waterstof) is zeker in het volgende decennium voor Nederland de enig mogelijke vorm van grootschalige opslag van windstroom.
De productie van waterstof door elektrolyse van water wordt nu voorgesteld als de ultieme groene oplossing van het opslagprobleem voor energie uit wind en zon.
Het idee is om overtollige windstroom via elektrolyse van water om te zetten in waterstofgas en dat gas dan te gebruiken als brandstof in de gascentrales in de periodes dat er niet voldoende wind is.
Men verwacht veel van deze groene manier van waterstof produceren en er is al een nieuwe term voor bedacht: “Waterstofeconomie”, waarbij het idee is, dat groene waterstof de rol van aardgas ten dele kan overnemen. Hier analyseren wij de mogelijkheden van deze vorm van stroomopslag voor het gladstrijken van de pieken en dalen in de windstroomproductie.
De eerste vraag is: Hoeveel stroom gaat het proces in en hoeveel stroom komt er weer uit?
Tijdens het elektrolyseproces gaat 25% van de ingaande energie verloren.
De geproduceerde waterstof moet onder hoge druk (300 tot 700 atmosfeer) worden opgeslagen.
Het verlies in die bewerking is 10 tot 20% van de energie-inhoud van het gas.
Bij omzetting van waterstof naar elektriciteit in een brandstofcel of klassieke turbine is het rendement maximaal 60%. De rest gaat net als bij verbrandingsmotoren op in warmte.
Er zijn brandstofcellen op de markt. De opgegeven levensduur is 3500 uur en het rendement is lager dan 60%. Bij een cyclus van 10 uur per dag stroomlevering moet de cel elk jaar vervangen worden. Dit is geen oplossing voor de natinale stroomvoorziening.
Gasturbines hebben een veel langere levensduur en daarbij wordt de massatraagheid van de turbinerotor gebruikt voor de stabilisatie van het net. Hierbij is door het vele regelen het rendement verre van optimaal. Dit rendement stellen wij op 50%. De gasturbine heeft als enige taak het bijvoegen van stroom bij weinig wind om de windproductie aan te vullen tot de drempelwaarde, die theoretisch 6,6GW is in ons geval van 20GW windvermogen.
De verliezen in de cyclus [windstroom - waterstof – netstroom] zijn:
1.Elektrolyse van water. Rendement 75%
2.Compressie en opslag waterstof. Rendement 90%
3.Omzetting naar netstroom Rendement 50%
Er blijft 0,75 x 0,90 x 0,50 = 34% over van de oorspronkelijke hoeveelheid windstroom.
De waterstof cyclus kost dus veel stroom Als alle windstroom opgeslagen zou worden, dan blijft er maar een derde over om in het net te voeden. Het rendement kan drastisch verbeterd worden door alleen de overtollige windstroom op te slaan en de rest direct in het net te voeden.
Het percentage overtollige windstroom is afhankelijk van het verloop van de windsterkten in de tijd. Dit is bepaald uit de gegevens van de windstroomproductie in Ierland gedurende de maand april 2011. Het resultaat is, dat via waterstofopslag een constante stroom gegenereerd kan worden die gelijk is aan 63% van de gemiddelde opbrengst aan windstroom.
Het elektrolyseproces moet wel in staat zijn om de variaties in de overtollige windstroom te volgen liefst zonder rendementsverlies.
Terug naar de toekomst met 20 GW windvermogen in 2030.
Er zijn nu 3 mogelijkheden voor het inpassen van 50% windstroom:
1.Direct voeden in het net. Aandeel wind 35%, brandstofbesparing 15%.
2.Alles in waterstofAandeel wind 0,34 x 50% = 17% , dus 17% brandstofbesparing
3.Pieken in waterstofAandeel wind 0,63 x 50% = 31,5% dus 31,5% brandstofbesparing.
Door het toepassen van de waterstofcyclus op de overtollige windstroom wordt ongeveer twee derde van de totale windstroom benut, maar dit is hoge kwaliteit stroom. Het bruto windvermogen is gemiddeld 6,6GW.
Dit wordt nu in scenario 3 een constant vermogen van 4,2 GW. Dit vermogen dekt 31,5% van de totale stroomvraag in Nederland.
Met grootschalige toepassing van stroomopslag in waterstof kan de windstroom opgewekt met 20 GW opgesteld windvermogen worden omgezet in 4,2 GW vraaggestuurde stroom of basislast, zodat er 31,5% bespaard wordt op de gasrekening.
Theoretisch is opslag van windstroom in waterstof dus mogelijk, maar is het ook haalbaar?
Er moet naast de 20GW aan windturbines een electrolysefabriek van ongeveer 16 GW ingangsvermogen gebouwd en geëxploiteerd worden.
De Noorse fabriek NEL levert standaard installaties tot 50 MW ingangsvermogen
De prijs in ongeveer 700 euro/kW voor grote eenheden. De levensduur wordt door de fabrikant opgegeven als 60000 uur of 7 jaar. Dat moet beter.
De voeding is de overtollige windstroom van de 20 GW windvermogen, dus alle windstroom, die geleverd wordt boven de drempel van 4,2 GW moet omgezet worden in waterstof.
Die stroom is maximaal 20 GW – 4,2 GW = 15,8GW.
Dit vereist een piekvermogen van de waterstoffabriek van 15,8GW.
Door het tijdprofiel van de overtollige windstroom die als voeding dient voor het electrolyseproces werkt de fabriek maar de helft van de tijd met de helft van het nominaal vermogen.
De hoeveelheid geproduceerde waterstof is dus maar een kwart van de maximale hoeveelheid, die de fabriek kan produceren.
De variaties van de windstroom worden nu opgevangen in het elektrolyse proces, maar de vaste kosten van de elektrolyse zijn hierdoor per eenheid waterstof met ruim een factor 4 toegenomen vergeleken met een continu proces.
De bestaande gasturbines kunnen worden gebruikt, dus dat levert weinig extra kosten op.
Een ruw overzicht van de benodigde investeringen.:
Investering 10 GW wind op land14 miljard euro
Investering 10 GW wind op zee26 miljard
Investering 15,2 GW electrolyser 11 miljard
Infrastructuur (transport,opslag) 5 miljard
Totaal 56 miljard euro
Er is veel ophef over de lage subsidie voor de exploitatie van wind op zee.
In de propaganda is windstroom uit zee bijna gratis, maar de werkelijkheid is anders:
a.Er is nog geen turbine op zee gezet, die zonder subsidie draait.
b.Wind op zee kostte in 2016 3,7 miljard euro per GigaWatt vermogen.
In de tabel is rekening gehouden met een 30% verlaging van de investering per gigawatt voor wind op zee.
Afschrijving,kapitaalkosten en onderhoud bedragen per jaar 15% van de investering.
Dit is afgeleid uit de gepubliceerde gegevens van windturbines op zee.
Deze kosten bedragen 8,4 miljard euro per jaar.
De besparing aan gas levert ongeveer 1,3 miljard per jaar op.
De netto extra kosten zijn 7,1 miljard euro per jaar.
De totale omzet van alle centrales is 6 miljard euro per jaar wanneer een kilowattuur 5 cent opbrengt.
De productiekosten voor de Nederlandse stroom zullen van 6 miljard naar 13,1 miljard euro per jaar gaan door de vergroening van minder dan een derde van de elektriciteitsvoorziening.
Dit is niet haalbaar, zeker niet voor een verdergaande vergroening.
Wanneer begint men aan de klimaattafels met het maken van sommetjes?
Appendix: Opslag in ammoniak
De grootschalige opslag van waterstof onder hoge druk is nog een probleem.
Men denkt aan opslag in zoutkoepels, maar de haalbaarheid van opslag van waterstof in Nederlandse zoutkoepels moet nog bewezen worden.
Voor de CO2-loze opslag van waterstof als energiedrager wordt ook gedacht aan de omzetting van waterstof in ammoniak.
Ammoniak wordt in de chemie al een eeuw geproduceerd en gebruikt, onder andere voor de productie van kunstmest. De productie vergt veel energie: Het binden van stikstofmoleculen met waterstof via het klassieke Haber-Bosch proces vereist een hoge druk (150-200 bar) en temperatuur (300-550 °C ).
Dit proces heeft een energetisch rendement van minder dan 20%.
Van wiebelstroom via waterstof en ammoniak opslag naar bruikbare stroom:
1.Productie van waterstof door elektrolyse: Rendement 75%
2.Binding waterstof aan ammoniak: Rendement 20%
3.Productie stroom uit ammoniak in centrale: Rendement 50%
Het totaal rendement wordt 0,75 x 0,20 x 0,50 = 7,5%
De opslag van waterstof in de vorm van ammoniak is geen bruikbare optie.