Onafhankelijke rapportage aan de Nederlandse Overheid

Onafhankelijke rapportage aan de Nederlandse Overheid

De wereldwijde duurzaamheidsdoelen vereisen een technologische doorbraak

 

Klimaat- en duurzaamheidsdoelen voor onder andere de transportsector en de verduurzaming van de energieopwekking zijn noodzakelijk om klimaatverandering tegen te gaan. Ze liggen vast in nationale en internationale afspraken zoals het energieakkoord en het klimaatakkoord gesloten in Parijs.

 

De wijze waarop deze doelen bereikt kunnen worden, is nog niet duidelijk. Op dit moment zijn veel duurzame oplossingen nog relatief duur in vergelijking met fossiele alternatieven en de opwekking van elektriciteit of waterstof voor gebruik in zero-emissie voertuigen is nog niet duurzaam. Dit is ook nog niet mogelijk, doordat volledig duurzaam opgewekte elektriciteit uit zon en wind zonder grootschalige opslag nog niet kan voorzien in een continue en stabiele energie- en elektriciteitsvoorziening.

 

Daarnaast hebben veel toepassingen zoals de bestaande duurzame voertuigen nog nadelen. Accu’s zoals gebruikt in elektrische auto’s hebben een beperkte actieradius, maken gebruik van schaarse metalen en bij ontmanteling moet via zorgvuldige recycling en hergebruik voorkomen worden dat deze stoffen in het milieu terechtkomen. Voor zware toepassingen is het vermogen nog onvoldoende. Waterstof is nog duur in gebruik voor transport en als opslagmedium. Voor een hoge actieradius van voertuigen zijn een hoge druk en dus een zware en grote druktank noodzakelijk.

 

Volledige verduurzaming van de elektriciteitsopwekking is door het ontbreken van efficiënte opslagtechnieken nog niet mogelijk.

 

 

Een doorbraak lijkt mogelijk op het gebied van waterstof

 

Waterstof heeft zowel potentie als opslagmedium voor energie en als brandstof.

Hoewel de energiedichtheid van een kilogram waterstof groot is, laat waterstof zich moeilijk opslaan, omdat de stof een lage dichtheid heeft. Om een praktische hoeveelheid waterstof mee te nemen, moet het worden opgeslagen onder hoge druk. Dat betekent dat de tank zwaarder moet zijn en zijn voorzien van extra systemen om de druk te reguleren.

 

Opslag van waterstof door binding in een andere stof zou een oplossing kunnen zijn voor dit probleem. Waterstof zou dan onder atmosferische omstandigheden kunnen worden opgeslagen en vervoerd. Dit levert verschillende voordelen:

  • Lagere opslag- en transportkosten;
  • Vervallen van de kosten voor compressie van het gas;
  • Vermindering van een mogelijk veiligheidsrisico door de hoge druk, waardoor tankstations in stedelijke gebieden mogelijk zijn;
  • Gebruik van het bestaande distributienetwerk voor fossiele brandstoffen;
  • Afhankelijk van de stof die gebruikt wordt om de waterstof te binden, een lager ruimtebeslag;
  • Mogelijkheden voor toepassing in alle vervoersmodaliteiten: niet alleen wegvervoer maar ook de lucht- en scheepvaart.
  • Vele toepassingsmogelijkheden voor opwekking van warmte en elektriciteit, zowel statisch als mobiel.

Momenteel wordt naar verschillende van dit type oplossingen onderzoek gedaan.

De TU/e onderzoekt de mogelijkheden van mierenzuur. Waterstof bindt zich aan koolstofdioxide tot vloeibaar mierenzuur (CH2O2). De stof is vloeibaar bij kamertemperatuur en niet ontvlambaar. Via een katalysator wordt het mierenzuur in het voertuig omgezet naar waterstofgas. De reactie is dus omkeerbaar, maar de opslagdichtheid moet nog omhoog om praktisch toepasbaar te zijn. Bovendien is de levensduur van de katalysator nog onvoldoende.

 

De TUD en Nuon onderzoeken voor de Magnumcentrale in Eemshaven de mogelijkheden van binding van waterstof in ammoniak (NH3). Waterstof bindt zich, onder invloed van toevoer van overtollige windenergie, aan stikstof tot ammoniak. Bij de verbranding tot water en stikstof komt de energie weer vrij. De energie per volume-eenheid is gelijk aan ethanol. Nuon en TUD verwachten dat er 10 jaar nodig is voor grootschalige toepassing.

 

H2-fuel systems BV heeft een oplossing gevonden waarin waterstof in natriumboorhydride, een vaste stof, wordt gebonden en in het proces met water tot een vloeistof wordt verdund: H2-fuel. Deze binding levert bij eenzelfde tankinhoud een grotere actieradius op dan andere alternatieven voor fossiele brandstoffen. Met mierenzuur, ammoniak en waterstofgas bij 700 bar kunnen personenauto’s ongeveer 300 tot 350 kilometer afleggen op een 60 liter tank. Met H2-fuel, meer dan twee keer zo veel tegen lagere kosten. Vanwege de in verhouding lage kostprijs lijkt H2-fuel daarnaast potentie voor de opslag van energie te bieden.

 

 

 

 

 

 H2-fuel is een duurzame en kosteneffectieve oplossing met verschillende andere voordelen

 

H2-fuel is een energiedrager waarin onder atmosferische omstandigheden waterstof is opgeslagen. Deze energiedrager kan in vaste vorm, als slurry[1] of opgelost in een vloeistof vervoerd worden. De opgeslagen waterstof kan door toevoeging van een vloeibare activator, op afroep worden vrijgegeven en in een brandstofcel worden gebruikt om elektriciteit op te wekken (zie voor reactie Kader 1). Als activator wordt nu voor mobiele toepassingen sterk verdund zoutzuur gebruikt en voor statische toepassing een katalysator of een combinatie van beide.

[1]   Slurry: de energiedrager is niet is opgelost in het water, maar is in kleine discrete deeltjes verdeeld, zodat de slurry verpompt kan worden.

 

Kader 1: reactie H2-fuel

NaBH4 + 2 H2O è 4 H2 + NaBO2 + warmte

Voor 1 kg waterstof (500 mol) is 4,7 kg natriumboorhydride nodig (125 mol) en 4,5 kg water (250 mol). Bij de reactie tot 1 kg waterstof ontstaat 40 MJ aan warmte.

De helft van de waterstofatomen is afkomstig uit natriumboorhydride en de andere helft uit het (ultra pure) water.

De reactie is instantaan.

Dit proces en de reactiesnelheid zijn gevalideerd door TNO. In een laboratoriumopstelling ontstond bij toevoeging van de activator vloeistof direct 98% van de theoretisch aanwezige waterstof en warmte.

In Japan, China en VS is patent verleend op dit reactieproces. In Europa is het patent in behandeling.

 

 

Ten opzichte van andere productiewijzen van waterstof voor gebruik in brandstofcellen heeft H2-fuel een aantal voordelen:

  • Door opslag, productie en verbruik van waterstof onder atmosferische omstandigheden zijn transport- en opslagkosten beperkt en is geen energie nodig om waterstof te comprimeren. Ook zijn er geen veiligheidsrisico’s en geen zwaar uitgevoerde druktanks nodig om de waterstof op te slaan;
  • Het volume van de waterstof is door binding aan een vaste stof of in opgeloste vorm kleiner dan waterstof als gas. De transportkosten om de tankstations te beleveren, liggen daardoor lager dan bij aanvoer van waterstofgas;
  • In een voertuig is minder tankvolume nodig dan bij oplossingen waarbij waterstof onder druk wordt vervoerd. De actieradius van een voertuig op H2-fuel ligt bij eenzelfde tankinhoud naar verwachting veel hoger dan bij een voertuig dat rijdt op gecomprimeerde waterstof. Bij personenauto’s met een druk van 700 bar is de afstand op H2-fuel tweeënhalf maal zo groot, bij vrachtwagens met een druk van 350 bar is de afstand ongeveer vijf maal zo groot;

 

Kader 2: verhouding actieradius waterstof onder druk en H2-fuel

Het volume per kg waterstof is 9,225 kg. Dit bestaat uit 4,5 l water en 4,725 kg natriumboorhydride. Het soortelijk gewicht van natriumboorhydride is 1,07 kg/l. Gemengd met 4,5 l water neemt de slurry per kg waterstof dus 4,5 kg/1,0 + 4,7 kg/1,07 = 8,9 l. per kg waterstof in. In een 60 l tank kan 6,7 * 98% kg = 6,6 kg waterstof worden opgeslagen. In een Hyundai ix35 met een 120 l tank kan 5 kg waterstof worden vervoerd. Bij eenzelfde tankvolume is de actieradius van een voertuig dat rijdt op H2-fuel dus tweeënhalf maal zo groot als voor gecomprimeerd waterstofgas bij 700 bar.

  • Er zijn geen schadelijke emissies bij productie en gebruik. De enige emissie is waterdamp uit de brandstofcel, die bovendien deels herbruikt wordt. De drager van de waterstof (spent fuel) blijft bewaard in het voertuig en is na recycling opnieuw bruikbaar;

 

 

Afbeelding1

Figuur 1: Schema proces in voertuig

 

  • De productie of recycling van de energiedrager kan volledig CO2-neutraal plaatsvinden met duurzaam opgewekte wind of zonne-energie op een moment dat er een overschot aan duurzame energie is. Hierdoor kan het gebruik van H2-fuel de tijdelijke onbalans tussen vraag en aanbod verminderen;
  • Voor de productie van H2-fuel zijn geen schaarse grondstoffen nodig. Naast energie en water gaat het om natrium en boor, die behoudens kleine verliezen gerecycled worden. De grootste leveranciers van boor zijn Turkije en de Verenigde Staten.
  • Het bestaande distributienetwerk voor fossiele brandstoffen kan worden gebruikt. Het geschikt maken hiervan, vraagt een kleine investering in verhouding met de kosten voor de aanleg van nieuwe waterstoftankstations met gecomprimeerde waterstof en is ook in stedelijke gebieden mogelijk.
  • Naast de opwekking van elektriciteit via brandstofcellen kan in warmte worden voorzien door middel van een katalysator.
  • Bovendien kunnen tijdelijke overschotten van duurzaam opgewekte energie opgeslagen en later vrijgegeven worden.

 

[1] Wanneer in deze rapportage over kilogrammen waterstof wordt gesproken, betreft dit de hoeveelheid waterstof die de eindgebruiker kan gebruiken als voeding voor de brandstofcel of de katalysator. Deze hoeveelheid is voor de helft afkomstig van de waterstof in de natriumboorhydride en voor de andere helft uit het ultra pure water waarmee de natriumboorhydride reageert.

 

De combinatie van deze eigenschappen leidt tot een in verhouding lage kostprijs per kilogram waterstof[2], wanneer dit principe grootschalig wordt toegepast en de processen verder worden geoptimaliseerd.

 

  • Op basis van inkoop van de verschillende grondstoffen ligt de kostprijs per kilogram waterstof onder de kostprijs die nu mogelijk is. De kostprijs is ongeveer € 5,5 per kilogram in plaats van € 10 per kilogram[1];

    [1] Crystal Energy Projects BV (2010), Studie Rijden op waterstof in Overijssel

 

Afbeelding2

Figuur 2: Vergelijking kostprijzen per kilogram waterstof

 

 

Toelichting Figuur 2

De kostprijs per kg waterstof is voor lokale elektrolyse en gas-/steamreforming overgenomen uit de studie rijden op waterstof in Overijssel. De kosten bij centrale productie van waterstof verschillen. Als waterstof gratis geleverd wordt, dan ligt de prijs tegen de € 6 per kg. Bij centrale productie via steamreforming van methaan komt er ongeveer € 3,80 per kg bij (gestreepte kolom).

H2-fuel kan voor onder de € 6 per kg geproduceerd worden. Per kg waterstof is 4,7 kg natriumboorhydride nodig en ongeveer 5 liter (ultra pure) water. Natriumboorhydride komt per kg op € 1,03 (geleverd in R’dam). UPW kost minder dan 1 cent per liter. In totaal bedraagt de kostprijs per kg waterstof met een vrijgaverendement van 98% en € 0,30 per kg aan binnenlands transport en handlingkosten € 5,26. Er is geen energie nodig voor de reactie in een voertuig. Er komt juist energie vrij.

 

 

Door recycling van de reststoffen die achterblijven in de tank tot nieuwe H2-fuel kan bespaard worden op de inkoopkosten. Bij gebruik van surplus windenergie kan de energiedrager 100% duurzaam geproduceerd worden. Tegen de normale elektriciteitsprijzen vallen de kosten van deze stap hoger uit dan bij inkoop van natriumboorhydride. Dit wordt verklaard door de lage efficiëntie van elektrolyse om de benodigde waterstof te maken. Bij gebruik van methaan valt de kostprijs lager uit (zie onderstaande figuur, recycling B);

 

 

Afbeelding3

 

Figuur 3: Schematisering reactie in voertuig (links) en recycling spent fuel in fabriek tot nieuwe energiedrager

 

  • Een verdere optimalisatie is mogelijk door de benodigde waterstof voor de synthese van de energiedrager intern te produceren via de H2-fuel reactie, in plaats van via elektrolyse. Een deel van de energiedrager wordt dan geleverd voor extern gebruik door de eindgebruiker en een deel dient als grondstof voor de productie van de nieuwe energiedrager. Dit dubbele gebruik is mogelijk doordat ongeveer de helft van de waterstof ontstaat uit water dat verbruikt wordt en de andere helft uit waterstofatomen die vrijkomen bij reactie van de energiedrager;
  • De derde optimalisatieslag in de productie van de energiedrager is het gebruik van de warmte die vrijkomt bij de interne productie van waterstof. Hierdoor is de energie die toegevoegd moet worden aan het syntheseproces lager. Dit levert een verdere kostprijsbesparing van ruim 65 cent per kilogram op;

 

 

Afbeelding5

 

Figuur 4: Schematisering reactie met optimalisatieslagen om duurzaamheid te verbeteren (B) en kostprijs te verlagen (C-D)

 

  • De kostprijs per kilogram waterstof in de brandstofcel voor de eindgebruiker kan als gevolg van deze optimalisatieslagen in de praktijk dalen van € 5,26 per kilogram tot € 4,10 per kilogram. Wel moeten er nog kosten voor de installatie bij worden opgeteld. Bij een theoretisch rendement van 100% in de fabriek en geen recycleverliezen, zou een prijs van € 3,30 per kilogram mogelijk moeten zijn;

 

Afbeelding6

Figuur 5: Vergelijking kostprijzen per kilogram waterstof volgens verschillende procesoptimalisaties van H2-fuel

 

  • Deze kostprijzen zijn naar verwachting al bij de huidige dieselprijs concurrerend op basis van de kilometerkosten berekend in de studie Rijden op waterstof in Overijssel (zie Figuur 6). De bestaande alternatieven hebben een veel hogere dieselprijs nodig voor vergelijkbare of lagere kilometerkosten dan diesel. Bij de gemaakte aannames heeft H2-fuel bij een dieselprijs van € 0,68 tot € 1,05 voor vrachtwagens vergelijkbare kilometerkosten als diesel. Daarbovenop komen de milieu- en klimaatvoordelen.

 

 Afbeelding7

Figuur 6: Vergelijking break-even dieselprijzen bij verschillende productiealternatieven voor waterstof

 

 

Verdere optimalisatie

 

Naast de vermelde optimalisaties bestaat de mogelijkheid de toepassingen uit de publicaties van Dr. Ying Wu (USA) en het Arhus Wetenschappelijk Instituut (Denemarken) voor de synthese van natriumboorhydride in de H2-fuel techniek te verwerken, waardoor de kosten per kilogram waterstof verder zouden kunnen dalen.

 

Dit is nog niet gebeurd, omdat niet zeker is of de in de publicaties aangegeven laboratoriumresultaten daadwerkelijk haalbaar zijn. De publicaties laten nog vragen open over de feitelijke werking. Voor het beantwoorden hiervan zal de medewerking van het Århus Instituut nodig zijn of moeten deze processen zelf gevalideerd worden.

 

 

 

Annex: toelichting kostprijsberekening

In deze bijlage zijn de kostprijsberekeningen voor de verschillende stappen van het H2-fuel proces toegelicht. De kosten van de installatie zijn hierin nog niet meegenomen. In veel gevallen betreft het voorlopige aannames. De reactie van H2-fuel met ultra pure water (UPW) is qua waterstofopbrengst door TNO gevalideerd (stap A). Voor het syntheseproces (stap B-D) zijn verschillende processen beschikbaar in de literatuur. Deze zouden in een volgende ontwikkelstap moeten worden gecombineerd met het door H2-fuel systems BV gepatenteerde proces (stap A).

 

Tabel 1: Stappen in de optimalisatie van de kostprijs van H2-fuel

 

Schermafbeelding 2016-10-27 om 11.52.13

 

 

Kosten transport

Voor de kosten van transport van de grondstoffen naar de tankstations is geen onderscheid gemaakt tussen de verschillende alternatieven en vervoerde grondstoffen. In totaal moet er per kilogram waterstof ongeveer 4,8 kilogram natriumboorhydride geleverd worden. Het ultra pure water wordt ter plekke geproduceerd uit tapwater.

 

De kosten voor vrachtvervoer per kilometer bedragen € 1,05 per kilometer[1]. De capaciteit van een categorie 6 vrachtwagen is 6000 kilogram. Voor een tankwagen geldt een toeslag van 20%. Aangenomen is dat gemiddeld 150 kilometer heen en 150 kilometer terug afgelegd moeten worden. De kosten per kilogram grondstof bedragen dan € 0,063. Per kilogram waterstof voor de eindgebruiker is dit € 0,30.

[1] Bron categorie 6; www.detransporters.nl/tarieven.

 

 

 

Kosten elektrolyse

De elektriciteitskosten van de elektrolyse zijn bepaald met een groothandelsprijs van €0,09 cent per kWh of € 0,025 per MJ. Het praktisch rendement van elektrolyse ligt relatief laag. Voor de productie van een halve kilogram waterstof is 90 MJ nodig[1]. Omdat aangenomen is dat er 5% recycleverliezen zijn, wordt 5% natriumboorhydride aangevuld en is 95% x 90 MJ = 86 MJ nodig om waterstof te produceren voor de omzetting van spent fuel in natriumboorhydride. Dit kost per kilogram waterstof voor de klant € 2,14 (86 MJ x 2,5 cent per MJ).

 

Kosten synthese en recycling spent fuel

De elektriciteitskosten van de synthese zijn bepaald met dezelfde groothandelsprijs van €0,025 per MJ. Indien surplus windenergie gebruikt zou kunnen worden, vallen de kosten lager uit.

 

Stap B

In geval er waterstof uit elektrolyse gebruikt wordt voor de synthese (stap B), is naar schatting 105 MJ nodig aan energie om de energiedrager te maken. Dit is gelijk aan de theoretische energietoename, tegen een rendement van 90% en bij 5% aanvulling van natriumboorhydride (95% * 99 MJ / 0,90 = 105 MJ). De kosten hiervoor bedragen 105 MJ x 2,5 cent per MJ = € 2,62.

 

Stap C

In geval er waterstof uit interne reactie gebruikt wordt, is er voor synthese naar schatting 168 MJ nodig aan energie om de energiedrager te maken. Dit is gelijk aan de theoretische energietoename, tegen een rendement van 90% en bij 5% aanvulling van natriumboorhydride (95% * 159 MJ / 0,90 = 168 MJ). De kosten hiervoor bedragen 168 MJ x 2,5 cent per MJ = € 4,19.

 

Stap D

Wanneer de warmte uit de interne reactie gebruikt wordt (aanname 70% rendement), is er voor synthese naar schatting 168 MJ – 70% * 40 MJ = 141 MJ nodig aan externe energie om de energiedrager te maken. De kosten hiervoor bedragen 141 MJ x 2,5 cent per MJ = € 3,52.

 

[1] Wikipedia.

 

 

 

Berekening kosten inkoop NaBH4

 

De kosten voor inkoop van natriumboorhydride bestaan uit kosten voor inkoop in China, plus de kosten voor transport van China naar Nederland in een 20 feet container. Bij grote volumes (meer dan 20 ton) liggen de kosten op $1,00 per kilogram FOB China. Bij een koers van € 0,89 per dollar kost 1 kilogram natriumboorhydride € 0,89 per kilogram.

 

Het vervoer van 21.640 kilogram per 20 feet container van Shanghai naar Rotterdam is geschat op € 3000. Voor transport komt er € 0,14 per kilogram bij. De kosten inclusief vervoer bedragen dan € 1,03 per kilogram.

 

Per kilogram waterstof in NaBH4 is theoretisch nodig 9,383 kilogram aan NaBH4. Per kilogram waterstof eindgebruik en een opbrengst van 98% van het theoretisch maximum is dan nodig aan NaBH4: 9,383/2/0,98 = 4,8 kilogram. De kosten hiervan bedragen 4,8 kilogram x € 1,03 per kilogram = € 4,92 per kilogram waterstof. Bij recyclingverliezen moet per keer 5% worden aangevuld. Dit komt neer op 5% x € 4,92 per kilogram waterstof: € 0,25 per kilogram waterstof.

 

 

Berekening UPW-kosten

De kosten voor het gebruik van ultra pure water (UPW) bestaan uit de kosten voor tapwater plus de kosten van de extra zuivering bij het tankstation. Per kilogram waterstof is ongeveer 5 liter nodig. (4,5 liter met wat verliezen):

 

  • De kosten voor grootverbruik van tapwater bedragen € 0,55 per m3. Dit bedrag is gebaseerd op de zakelijke tarieven van Vitens.
  • De kosten voor de zuiveringsinstallatie zijn geschat aan de hand van de volgende opgegeven waarden door Pure Water Group Ruckhen.

Levensduur installatie 10 jaar

Kosten installatie € 40.000

Exploitatiekosten € 3.800 per jaar

Productiecapaciteit 5 m3 per 24 uur

Productiedagen per jaar 353 dagen (12 dagen onderhoud)

De productiecapaciteit is 1765 m3 per jaar.

De prijs per kubieke meter voor zuivering is bij 8% rente:
(€ 5.961(annuïteit investering) + € 3.800)/1.765 m3 = € 5,53 per m3

 

De kosten per m3 incl. tapwater zijn dan € 6,08 per m3

 

De UPW-kosten voor 1 kilogram H2 zijn voor 5 liter € 0,03 per kilogram H2.

 

 

 

De UPW-kosten voor 1 kilogram H2 zijn voor 5 liter € 0,03 per kilogram H2.

[1]   Slurry: de energiedrager is niet is opgelost in het water, maar is in kleine discrete deeltjes verdeeld, zodat de slurry verpompt kan worden.

[2] Wanneer in deze rapportage over kilogrammen waterstof wordt gesproken, betreft dit de hoeveelheid waterstof die de eindgebruiker kan gebruiken als voeding voor de brandstofcel of de katalysator. Deze hoeveelheid is voor de helft afkomstig van de waterstof in de natriumboorhydride en voor de andere helft uit het ultra pure water waarmee de natriumboorhydride reageert.

[3] Crystal Energy Projects BV (2010), Studie Rijden op waterstof in Overijssel

[4] Bron categorie 6; www.detransporters.nl/tarieven.

[5] Wikipedia.



Home » Background » Onafhankelijke rapportage aan de Nederlandse Overheid

1