"Reactie op artikel "Waterstof dankzij Noordzee- en Sahara stroom?"

De gewaardeerde heer Harry Schmitz heeft in het TVVL nummer van april 2019 een uitgebreide en zeer lezenswaardige reactie gegeven op de publicatie ”Waterstof, de sleutel voor de energietransitie.” De TVVL Waterstof Community heeft hiervan kennisgenomen en aan mij de eer om hier op te reageren. Het is bijzonder goed dat we hier binnen TVVL over discussiëren en ik bedank de heer Harry Schmitz voor zijn aanzet hiertoe.

Mijn kritiek is dat hij zijn eigen beoordelingscriterium (het minimaliseren van exergieverliezen) berekent op basis van het uitgangspunt dat het importeren van waterstof slechter is dan direct gebruik van elektriciteit uit de Sahara. Dit overigens zonder de bijbehorende kosten in ogenschouw te nemen. Deze conclusie was ook van tevoren reeds te beredeneren.

Hierbij gaat hij in het artikel uit van de huidige stand der techniek. We weten allemaal dat de techniek heel snel verandert en door de ontwikkeling van schaalgrootte ook steeds goedkoper wordt. Dus wat nu niet realistisch lijkt, kan binnenkort haalbaar zijn.  En het gaat hier niet om goed of fout van systeem A versus systeem B; nee deze systemen concurreren en dwingen elkaar naar betere prestaties, met het milieu als uiteindelijke winnaar.

Ad van Wijk gaat in zijn artikel juist uit van de noodzaak van een wereldwijde transitie naar een hernieuwbare energievoorziening met als gegeven dat er een overmaat aan zon en windenergie voorradig is, waardoor niet de ketenefficiency bepalend wordt, maar de ketenkosten.

Mijn kritiek richt zich dus op 4 zaken te weten: (A) het rendementsdenken en de genoemde Ernte factor, (B) de transportmogelijkheden, (C) de beschikbaarheid van water en (D) de niet benoemde systeemwinsten.

1. Het rendementsdenken

Het rendementsdenken zit in onze genen. Wij zijn opgevoed met het beperken van verliezen: hoog rendement toepassingen, optimalisaties en denken in de kwaliteit van energie. Als je zo naar waterstofsystemen kijkt dan lijkt er veel mis. Maar daar staat tegenover dat het systeemrendement van zonne-energie in de woestijn nu 0% is. We laten deze nu massaal verloren gaan. Deze wel benutten bij wellicht een laag systeemrendement is oneindig veel beter.

Harry Schmitz komt uit op een systeemrendement van 21%. Uitgaande van waterstofopwekking in de woestijn is dit rendement echter meer zeker als we waterstof in Nederland in het net stoppen. Om waterstof op te wekken in een elektrolizer is een rendement van 75% tot 80% haalbaar. Het comprimeren van waterstof kost ca. 6 à 7 KW/kg en het vervoer nog eens 1 KW/kg. 1 Kg waterstof levert 38,9 KWh/ kg op. Dus van de zonnestroom blijft netto 23,12 KWh over; ca 60%. Zonnestroom kost ca. € 0,015/Kwh en gaat richting de € 0,01/ KWh, dus kost het voor verwarming  €0,025 tot  0,016/Kwh. Dat is omgerekend naar aardgas (9,33 KWh/m3) € 0,23 tot € 0,15/m3 ae.  Als we dit vergelijken met de internationale prijs van € 0,06 /m3 aardgas, dan is dat veel duurder. Maar dit is oneindig beschikbaar in tegenstelling tot de eindige fossiele energie.

 

Over het traject van PV stroom via waterstofconversie is bij de toepassing van gelijkstroom een systeemrendement van 38%  haalbaar. Dan kost stroom nog maar € 0,026 tot 0,04 / kwh. Dit kan nog beter als we het afvalproduct van de brandstofcellen, de warmte, ook nog kunnen benutten, bijv. voor tapwaterverwarming. Dat zijn mooie cijfers. Fossiele energie en kernenergie zijn dus bij grootschalige inpassing van waterstof verslagen.

Het systeemrendement wordt bepaald door de effectiviteit van de verschillende componenten. Deze effectiviteit is deels chemisch bepaald, maar ook technisch.

Harry benoemt de zogenaamde Ernte factor. Hij vergelijkt deze met het Engelse Energy Returned on Invested Energy (ERoEI). Op zichzelf een interessante vergelijking, waarmee we bij het denken in circulariteit veel kunnen.  De uitleg moet echter zijn: hoeveel energie levert het systeem op gedurende haar levensduur versus hoeveel energie investeren wij in het systeem om het te bouwen. Dat is een studie op zich en ik moedig elke promovendus aan om hier onderzoek naar te doen. 

Mijn conclusie is: kijk niet naar een systeemrendement, maar naar de kosten van de output en tel daarin de milieuschade mee.

1.  Het transport van waterstof

Harry Schmitz becijfert dat er ca. 30.000 tankschepen nodig zijn per jaar om in de halve elektriciteitsbehoefte van Nederland te voorzien. Het klopt dat er nu een tankschip met twee cryogene tanks van elk 1250 m3 wordt ingezet door Kawasaki Heavy Industries voor de aanvoer van waterstof uit Australië naar Japan. Maar de grotere LNG tankers hebben nu al een capaciteit van 140.000 m3.  Kawasaki Heavy Industries bestudeert dan ook een 160.000 m3 cryogene H2 tanker waardoor het transport van waterstof, benodigd voor de helft van het elektrische Nederlandse energieverbruik, gereduceerd wordt tot 325 bewegingen per jaar. Dat is dus ca. 1 per dag en dat kan er wel bij, denk ik zo.

C.        Water

De productie van waterstof vraag veel schoon demiwater. Dat is een fors probleem in een woestijn; daar heeft Harry een punt. Maar ook hier staat de techniek niet stil. We kunnen straks ook waterstof maken uit zout water. Ik citeer:

“De onderzoeksgroep van de Leidse chemicus Marc Koper heeft een katalysator ontdekt die de productie van chloorgas tijdens de elektrolyse van zout water minimaliseert. De uitvinding kan de directe productie van waterstof uit zeewater mogelijk maken. Het artikel is gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society van 18 aug 2018.

‘Bij de elektrolyse van zout water, zoals zeewater, is het uiteindelijke doel om waterstof te produceren aan de kathode,’ legt promovendus Jan Vos van het Leids Instituut voor Chemie uit. ‘Het gevormde product aan de anode is idealiter zuurstof, omdat dit onschadelijk is voor het milieu. Bij de elektrolyse van zout water kan echter  tegelijkertijd ook giftig chloorgas aan de anode ontstaan.’

De onderzoekers hebben nu een katalysator geproduceerd die de vorming van chloorgas minimaliseert ten faveure van de zuurstofvorming. Vos legt uit: ‘De katalysator bestaat uit twee metaaloxides: iridium oxide met daarop een laagje mangaan oxide van slechts een tiental nanometers dik. Iridium is een materiaal dat hoge katalytische activiteit vertoont voor de vorming van zowel zuurstofgas en chloorgas; het mangaanoxide werkt als een soort membraan dat de aanvoer van chloride ionen verhindert en de vorming van chloorgas onderdrukt.”

Deze vinding maakt in potentie productie van waterstof uit zeewater mogelijk. Op zee is het voordeel duidelijk en er zijn ook woestijnen die aan zee grenzen. En zeewater een paar honderd kilometer een woestijn in brengen is niet echt een uitdaging.  

D.        De niet genoemde systeemwinsten

Willen we waterstofsystemen vergelijken met andere energiesystemen, dan moeten we ook kijken naar het geheel en er zijn een paar interessante systeemwinsten c.q. voordelen te zien. We kunnen er vier benoemen:

Het eerste voordeel is de milieuwinst doordat er geen uitstoot van CO2 plaatsvindt; dat spreekt voor zich. De gevolgen hiervan zijn enorm. De vele miljarden aan kosten wereldwijd die het verhogen van dijken, overstromingen, orkanen, het vergroten van airco’s en de klimaatvluchtelingen met zich mee brengen, laten zich moeilijk becijferen maar spreken voor zich. 

Het tweede voordeel is de geopolitieke winst. Stel je voor dat de geldstroom gekoppeld aan fossiele energie opdroogt, dan is het afgelopen met de vele agressieve regimes.  

Het derde voordeel is de koppeling van de drie energiesystemen die wij in Nederland hebben namelijk: elektriciteit, aardgas en motorbrandstoffen. Deze kunnen met een waterstofnet slim gekoppeld worden en elkaars back-up en buffer vormen. Naast het hergebruiken van onze aardgas infrastructuur waar we met zijn allen ca. € 200 mrd. in hebben geïnvesteerd, hoeven we ons elektriciteitsnetwerk niet onnodig te verzwaren door invoeging van de lokale productie. Ook dit is een interessante studie waard.

Het vierde voordeel is dat wij koploper zijn in de energietransitie en we kunnen dan ook hier als BV Nederland (inter-)nationaal geld mee verdienen.

Deze bijkomende systeemwinsten rechtvaardigen verder onderzoek en investeringen in voorbeeldprojecten. Het minimale dat gebeuren moet, is het creëren van een gelijk speelveld voor de verschillende energiesystemen door de politiek, middels het invoeren van een CO2 belasting.

Henk Willem van Dorp MBA
Rentmeester.

Een verkorte versie van deze reactie is verschenen in TVVL Magazine nr 4 2019