waterstofeconomie

Wed Sep 3 14:13:31 CEST 2003

REPLY TO: D66 at nic.surfnet.nl

Omdat Joost hier schreef over een Amerikaanse overheids-site,
ben ik maar eens op zoek gegaan naar wat de Amerikaanse overheid
nu eigenlijk vindt van de waterstof-economie.

Aan de 'roadmap' voor waterstof van de Amerikaanse overheid
http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/national_h2_roadmap.pdf
ontleen ik het volgende:

In de USA wordt 9 miljoen ton waterstofgas geproduceerd.
Dit zou genoeg zijn voor 20 tot 30 miljoen waterstofautos,
of 5 tot 8 miljoen huizen, ware het niet dat de waterstof
voor andere doeleinden wordt gebruikt. (O.a. produktie van
chemicalien, en olieraffinage.)

* Van die 9 miljoen ton wordt 96 procent geproduceerd door
middel van steam reforming van methaan. Deze produktie-
methode is op dit moment het meest efficient en is het
goedkoopst.
* Een andere produktiemethode maakt gebruik van vergassing
en gedeeltelijke oxidatie van brandstof.
* Elektrolyse is een derde mogelijkheid. Op dit moment wordt
elektrolyse niet commercieel toegepast. Daar is deze methode
te duur en te in-efficient voor.

* Waterstof kan ook worden geproduceerd door thermochemische
splitsing van water, waarbij de hitte nucleair wordt opgewekt
of met zonnecollectors; verder met behulp van zonnecellen;
door kraken van koolstof; of door bio-techniek (algen en
bacterien).
Al deze methoden bevinden zich nog in een vroege
ontwikkelingsfase.

Enkele problemen (in de roadmap 'uitdagingen' genoemd):
----------------
* De produktiekosten zijn hoog, voornamelijk omdat waterstof
op dit moment wordt geproduceerd uit koolwaterstoffen.
Een kostenvergelijking tussen waterstof en koolwaterstoffen
zal daarom altijd in het nadeel van waterstof uitvallen.
Ook zal er een infrastructuur voor moeten worden gebouwd,
parallel aan die voor de huidige koolwaterstoffen.
* Geringe vraag, wat het ontwikkelen van produktiecapaciteit
remt.
* De huidige technieken leveren teveel kooldioxide als bij-
produkt (broeikas-effect!).
* Het eindprodukt is bij decentrale produktie niet zuiver genoeg.

Als 'oplossingen' worden dan beschouwd:
---------------------------------------
* Gerichte overheidssteun voor het ontwikkelen van betere
technieken - bijvoorbeeld voor het opvangen van CO2.
* Andere zuiveringstechnieken. De huidige technieken werken
wel bij grote installaties, maar niet voor installaties die
thuis of bij tankstations kunnen worden opgesteld.
* Kleine omvormers moeten waterstofgas gaan leveren voor de
eerste verkooppunten, en moeten zo de kosten verlagen.
(Nota bene: hierbij wordt nog steeds uitgegaan van het omzetten
van koolwaterstoffen, met alle milieu- en prijstechnische
nadelen vandien!)
* Verder wordt dan wat gespeculeerd over de grote voordelen
van elektrolyse onder hoge druk.
Er is nog geen bewijs dat dit zal werken.
* Geavanceerde methoden zouden moeten worden ontwikkeld.
Bijvoorbeeld foto-elektrische splitsing van waterstof met
behulp van zonnecellen. Ook wordt gedacht aan produktie door
middel van kernenergie. (!) Daarvoor is eerst meer onderzoek
noodzakelijk.
* Verder zouden methoden moeten worden ontwikkeld om CO2 af
te vangen.

Het rapport pleit voor demonstraties van waterstofproduktie,
-zuivering, en -opslag in grootstedelijke gebieden, om zo de
gevoelens van onveiligheid bij de bevolking weg te nemen en
de vraag naar waterstof aan te wakkeren.

Als ik even een eerste conclusie mag trekken: de gedachte dat
de waterstofeconomie binnen twee jaar een feit kan zijn, als
er 6 miljard tegenaan gegooid kan worden, lijkt me zeer naief.
Veel problemen moeten nog worden opgelost. Allerlei technieken
moeten nog worden ontwikkeld.

Steam reforming is - gegeven de eindigheid van de voorraad
koolwaterstoffen waarschijnlijk een doodlopende weg, en kan
hoogstens de interesse in de waterstofeconomie aanjagen.
Methoden die gebruik maken van kernenergie vallen af, gelet
op het afvalprobleem. (In Nederland zal Borssele in 2013
daarom toch worden gesloten hoewel deze centrale - Joost,
let je even op? - bijdraagt aan de afgesproken CO2-reductie.)

Keren we thans terug naar de roadmap.

Hoeveel waterstof is er nodig?
------------------------------

Zoals gezegd: momenteel wordt 9 miljoen ton geproduceerd. Een
deel hiervan wordt gebruikt bij olieraffinage; die vraag valt
straks natuurlijk weg. Voor 100 miljoen autos is 40 miljoen
ton waterstof nodig; voor 25 miljoen huizen - lijkt me een
conservatieve schatting voor de USA - nog eens 40 miljoen ton.

De roadmap geeft een scenario voor de verdeling van produktie:

* 100 duizend elektrolyse-stations in wijken
(produktie totaal 4 miljoen ton)
* 15 duizend omzetters bij tankstations
(8 miljoen ton)
* 30 kolen/biomassa-vergassers
(8 miljoen ton)
* 10 installaties die water splitsen met behulp van
kernenergie (4 miljoen ton)
* 7 grote olie/gas omzetters
(16 miljoen ton)

Als ik de cijfers optel, kom ik aan 40 miljoen ton.
De vraag zal echter ruim 80 miljoen ton zijn. De opgegeven
produktiecapaciteit is dus veel te laag. Bovendien wordt
gebruik gemaakt van methoden die Joost zal verafschuwen,
namelijk steam reforming van koolwaterstoffen, en thermo-
nucleaire splitsing.
Eigenlijk wordt in dit scenario maar zo'n 16 miljoen
ton geproduceerd op een wijze die milieuvriendelijk genoemd
zou kunnen worden.

Wat het allemaal kost aan energie, staat er niet bij. Ik
zou bijvoorbeeld weleens willen weten wat een kernenergie
centrale wel niet *kost* aan energie; volgens sommige
pessimisten gaat daar meer energie in - aan delven van
brandstof, en produktie van beton en dergelijke - dan er
ooit uitkomt.

Transport van waterstof
-----------------------

Op dit moment wordt waterstof maar op een paar plaatsen
geproduceerd en veelal lokaal gebruikt - met name door
raffinaderijen. Er zijn wel wat pijpleidingen in gebruik,
maar alleen over korte afstanden. Verder wordt waterstof
over korte afstanden (maximaal 200 mijl) wel vervoerd
in hogedrukcylinders en tankwagens.
Voor grotere afstanden wordt waterstof sterk afgekoeld
en vervoerd als vloeistof.

De roadmap verwacht dat het transportnetwerk zich zal
ontwikkelen uit het bestaande netwerk voor koolwaterstoffen.
Op dit moment zijn de kosten nog erg hoog. Een strategie zou
dan zijn om koolwaterstoffen te vervoeren via het bestaande
netwerk, en deze lokaal om te zetten in waterstof.
Maar dat is ook een dure oplossing, en bovendien weinig
milieuvriendelijk. Daar komt nog bij dat de voorraad aan
koolwaterstoffen eindig is.

(Jaja Joost, ik weet het: jij vindt dat we gewoon water
moeten gebruiken. Maar dat is ook niet altijd voorhanden -
herinner je je de zomer van 2003 nog? - en bovendien moet
de techniek ervoor eigenlijk nog worden ontwikkeld. In
1 a 2 jaar, als ik jou goed begrijp.)

Centraal produceren en vervolgens vloeibaar maken en in
tankwagens vervoeren, is ook een mogelijkheid, maar het
vloeibaar maken van waterstof kost veel energie; ik kom
daar straks op terug.

De roadmap gaat uit van 100 miljoen ton die per trailer
wordt vervoerd als vloeibare waterstof; 300 miljoen ton
die lokaal wordt geproduceerd; 330 miljoen ton die per
pijpleiding wordt vervoerd; en nog zo'n 30 miljoen ton
per tankwagen.
(Als ik de cijfers optel klopt het totaal niet met wat
er elders in de roadmap staat, maar dat komt wellicht
doordat de roadmap zich nu op een externe bron baseert
in plaats van op een scenario.)

Over die pijpleidingen stond in Science van juni (?) een
alarmerend artikel. Waterstofgas moet in grote hoeveel-
heden worden vervoerd omdat de energieinhoud lager is
dan van koolwaterstoffen. Berekend werd dat er zoveel
waterstofgas zou lekken, dat dit ernstige gevolgen
heeft voor de ozonlaag. Elders las ik dat waterstof
ook nog eens agressief reageert met het metaal van
leidingen, waardoor die leidingen bros worden, maar
of dat klopt kan ik niet beoordelen.

De roadmap concludeert dat er geen goede transitiestrategie
is; dat de kosten van de distributie van waterstof nogal
hoog zijn; en dat er betere onderdelen zullen moeten worden
ontwikkeld, zoals compressors en andere materialen voor
pijpleidingen. Uit dat laatste maak ik op dat de vrees dat
de leidingen lekken en/of raken aangetast niet geheel
ongegrond is.

Opslag van waterstof
--------------------

Waterstof moet ook opgeslagen worden - bijvoorbeeld in de
brandstoftank van een auto.

* Je kunt waterstofgas in een tank stoppen, maar dat is niet
erg efficient want het is een ijl gas. Dus je moet het
onder druk zetten. De roadmap stelt voor 5000 tot 10.000
psi. Daarvoor zullen nieuwe tanks moeten worden ontworpen
en nieuwe materialen ontwikkeld.
* Waterstof kan vloeibaar worden gemaakt en opgeslagen.
Daar heb je een soort grote thermosflessen voor nodig;
het kost veel energie; en volgens de roadmap verliest
waterstof er eenderde van de energie-inhoud door.
* Ook is opslag in metalen of koolstofstructuren mogelijk.
Onder bepaalde druk en temperatuur kan de waterstof weer
worden vrijgemaakt. De opslagvaten zijn massief, en zijn
daardoor nogal zwaar. Ook moet veel materiaal worden gebruikt.
* Tot slot is opslag in bijvoorbeeld een alkaline-oplossing
mogelijk.
Volgens de roadmap brengt dit allerlei uitdagingen - lees:
problemen - met zich mee die nog moeten worden opgelost.

Conclusie: er bestaat geen goede en energiezuinige manier
om waterstof op te slaan. Dit hoeft natuurlijk geen probleem
te zijn. Volgens Joost is de produktie zo ongeveer gratis
- namelijk uit zeewater, door middel van elektriciteit die
met zonne-energie of windmolens wordt opgewekt - dus er mag
best een hoop verlies zijn, lijkt me.

Maar het geeft toch te denken. De roadmap meldt ook dat het
huidige onderzoek naar -, en de huidige ontwikkeling van
opslag onvoldoende is.
Op dit moment kan de energie niet compact genoeg worden
opgeslagen om waterstof aantrekkelijk te maken voor de
consument. Er moet nog veel onderzoek worden gedaan, en de
massaproduktie van waterstofopslagmedia moet nog geheel op
gang komen.

Binnen 1 a 2 jaar gaat dat niet lukken, vrees ik.

Vooral de waterstof-auto levert grote problemen op.
Volgens de roadmap wordt in eerste instantie gedacht aan het
op waterstof laten rijden van auto's die vanuit een centraal
punt worden getankt en 160 tot 240 kilometer afleggen -
bijvoorbeeld bedrijfsvoertuigen.

Maar consumenten zullen 500 tot 650 kilometer willen kunnen
rijden op 1 tankinhoud en zullen overal willen kunnen tanken.
Daarvoor moet nog veel worden ontwikkeld.

Brandstofcellen
---------------

Waterstof kan worden verstookt in een automotor, maar dat
levert milieu-verontreiniging op.
Het is beter om waterstof te gebruiken in brandstofcellen.
De efficientie van brandstofcellen loopt van 40 a 50 procent
op vol vermogen tot 60 procent op een kwart vermogen, en
tot 80 procent bij warmtekrachtkoppeling, aldus de roadmap.

* Fosforzuur-cellen worden op dit moment commercieel gebruikt.
* Cellen van polymeer-elektrolyten worden nog ontwikkeld.
* Alkaline brandstofcellen worden in militaire toepassingen
gebruikt en bij bemande ruimtevaart (waarbij elektriciteit
en drinkwater wordt geproduceerd).
* Twee andere types zouden kunnen worden gebruikt voor het
opwekken van elektriciteit in warmtekrachtkoppelingcentrales.

Op dit moment zijn brandstofcellen nog in ontwikkeling. Ze
kunnen geen energie en/of elektriciteit tegen aanvaardbare
kosten leveren, aldus de roadmap.
En alleen van fosforzuur-brandstofcellen staat vast dat ze
lange tijd meegaan, maar ze zijn erg duur. Van alle andere
typen moet nog worden bepaald hoe ze zich over langere tijd
zullen houden.

Verder moet volgens de roadmap nog worden gezocht naar:
* betere katalysatoren voor elektrolyse, ondermeer omdat
koolmonoxide wordt gevormd
* minder kostbare katalysatoren
* membraan brandstofcellen die beter tegen hoge temperaturen
kunnen (voor warmtekrachtkoppeling)
* oxyde-ion geleiders die bij lagere temperatuur werken

De roadmap wijdt ook wat woorden aan het mixen van waterstof
en normale gassoorten, maar dat is voor verbrandingsmotoren
bedoeld, en zal wel niet de instemming van Joost hebben.

Tot zover het rapport op een Amerikaanse overheidssite.

In de Volkskrant van 2 september wordt nog eens duidelijk
uitgelegd dat we op een enorme crisis afstevenen. Vanaf de
jaren vijftig zou er een direct verband bestaan tussen de
groei van de olieproduktie en de economische groei. Verwacht
wordt dat binnen enkele jaren de olieproduktie niet meer zal
groeien, en vervolgens zal afnemen. Dit zal grote gevolgen
hebben voor de economie. De schrijver roept op de grondslagen
van de economie - en vooral het naieve geloof daar in - nog
eens tegen het licht te houden.
(Philip Smith - Luchtvaart is meer een olieprobleem)

Ik maak er uit op dat er wellicht helemaal geen tijd meer is
om de kostbare olie die we nog hebben te gaan verspillen aan
het omzetten in waterstof. Alle zegen zal dus moeten komen
van elektrolyse; een techniek die nog in de kinderschoenen
staat en duurder is - maar daar zal de stijgende olieprijs
wellicht iets aan veranderen - dan steam reforming.

Maar dat dit allemaal lukt binnen 1 a 2 jaar, zoals Joost
hier herhaaldelijk beweerde, dat lijkt me uitgesloten.

Erik vdMb

**********
Dit bericht is verzonden via de informele D66 discussielijst (D66 at nic.surfnet.nl).
Aanmelden: stuur een email naar LISTSERV at nic.surfnet.nl met in het tekstveld alleen: SUBSCRIBE D66
Afmelden: stuur een email naar LISTSERV at nic.surfnet.nl met in het tekstveld alleen: SIGNOFF D66
Het on-line archief is te vinden op: http://listserv.surfnet.nl/archives/d66.html
**********