Waterstof?

Waterstof?
Friday, June 29 2007 - Dossier: Algemeen

Waterstof wordt gehyped als de oplossing voor al onze problemen. Zeer schoon, geen emissies, milieuvriendelijk en een onuitputtelijk voorraad in onze oceanen..

Helaas moet er een flinke ballon lekgeprikt worden:
Waterstof is slechts een energiedrager, geen energiebron. Om één energie-eenheid waterstof op te wekken is veel meer dan één energie-eenheid fossiele brandstof nodig.

Opwekking uit water met electrolyse
Via electrolyse van water is waterstof op te wekken, maar dan zijn 4 energie-eenheden fossiele brandstof nodig om één energie-eenheid waterstof te produceren.

Opwekking uit methaan
Waterstof is ook te produceren uit methaan (fossiele brandstoffen), maar de omzetting van fossiele brandstof naar methaan levert al een verlies van 32 tot 44% op. De navolgende stoombehandeling zorgt voor nog een verlies van 35% (bron).

Lage energiedichtheid per volume
De energiedichtheid per gram waterstof is zeer hoog, maar de dichtheid van waterstof is extreem laag: 1 liter benzine is 10x zo zwaar als 1 liter waterstof. Netto is de energiedichtheid per volume dus erg klein (bron). Je hebt dus in je auto een vele malen grotere tank nodig om eenzelfde afstand af te kunnen leggen. Daarnaast moet waterstof onder hoge druk gecomprimeerd worden om tot zo'n 1/15e energiedichtheid te komen (onder normale druk is de energiedichtheid 1/3000e), waarbij nog eens 15% energieverlies optreedt. Om waterstof vloeibaar te krijgen, is zelfs 30-40% extra energie nodig (bron). De tank moet tevens bestand zijn tegen de hoge druk, waardoor deze weer extra zwaar wordt en meer grondstoffen en energie kost om te produceren.

Netto rendement bij productie waterstof
Na compressie 10.000 psi (15% extra verlies)
Vanuit electrolyse: 25% * 85% = 21,3% rendement
Vanuit fossiele brandstof/methaan (gunstigste geval): 68% * 65% * 85% = 39,3% rendement
Vanuit fossiele brandstof/methaan (ongunstigste geval): 56% * 65% * 85% = 30,9% rendement
Vanuit fossiele brandstof/methaan (gemiddelde): 35,1% rendement

Na compressie tot vloeibare waterstof (35% extra verlies)
Vanuit electrolyse: 25% * 65% = 16,3% rendement
Vanuit fossiele brandstof/methaan (gunstigste geval): 68% * 65% * 65% = 28,7%
Vanuit fossiele brandstof/methaan (ongunstigste geval): 56% * 65% * 65% = 23,6%
Vanuit fossiele brandstof/methaan (gemiddelde): 26,1%

Netto rendement van productie waterstof inclusief omzetting tot electriciteit in brandstofcel en aandrijving wielen via electromotor
Rendement normale brandstofcel is slechts 30% (bron)
Rendement van een electromotor is ongeveer 80% (bron)
Vanuit electrolyse (10.000 psi) : 21,3% * 30% * 80% = 5,1%
Vanuit methaan (gemiddeld, 10.000 psi): 35,1% * 30% * 80% = 8,4%
Vanuit electrolyse (vloeibaar) : 16,3% * 30% * 80% = 3,9%
Vanuit methaan (gemiddeld, vloeibaar): 26,1% * 30% * 80% = 6,3%

Ter vergelijking:
Rendement benzinemotor 25%
Rendement dieselmotor 40%
Bron: Natuurwetenschappen.nl.

Waterstof goede vervanger voor loodaccu
Het voordeel van waterstof is dat het een goede buffer is voor onregelmatige energieproductie zoals bij zonne- en windenergie. Een liter geproduceerde vloeibare waterstof bevat een jaar later nog exact evenveel energie. Een accu is na een jaar een flink deel van zijn capaciteit verloren. Helaas is ook dit voordeel zeer betrekkelijk omdat je slechts 25% effectieve energie overhoudt bij de electrolyse-productie van waterstof uit water (en na compressie/opslag nog minder, 16%-21%).

Een extra (overkomelijk, maar energie-intensief) nadeel van waterstof is dat het onder hoge druk opgeslagen moet worden waarbij het extreem koud wordt en de omgevende lucht doet bevriezen (en zo ook energie lekt), terwijl het tevens direct kan ontploffen als het in contact komt met zuurstof uit de lucht (knalgas).

Verplaatsing van luchtvervuiling
Het allergrootste voordeel van auto's op waterstof, net als op electriciteit, is dat het slechts H2O (waterdamp) als reststof heeft na verbranding. Geen fijnstof, geen NOx (stikstofoxides) en geen CO2. Maar in feite gaat het slechts om een verplaatsing van de luchtvervuiling, omdat bij het aanmaken van het waterstof wel fossiele brandstoffen (kolen, gas, olie) gebruikt zijn die wel emissies hebben. Maar het is uiteraard een voordeel om de emissies te verschuiven van de stad naar gebieden waar minder mensen wonen en de emissies minder schadelijk zijn (althans voor de mens).

Conclusie: Waterstof is een mythe
Waterstof zal nagenoeg geen bijdrage leveren aan het oplossen van het energieprobleem of aan de broeikasgassenproblematiek (als dat uberhaupt al als problematiek te bestempelen zou zijn). Sterker nog: alle energie en tijd die in waterstof gestoken wordt, zal het energieprobleem slechts groter maken.

Er is ook een goed boek verschenen over dit onderwerp: The Hype about Hydrogen.

Referenties

ChemieForum.nl
Theoretisch rendement opwekking waterstof uit water met electrolyse, zonder naar warmteverlies te kijken: 62%.

Transport and the Hydrogen Economy
Werkelijk rendement 25-40%
Hydrogen production by electrolysis is about 80% efficient considering only the electricity, but the thermal efficiency of producing that electricity ranges from about 34% in light water reactors to 50% in advanced systems, giving overall efficiencies of 25-40%

Rendement brandstofcel in waterstofauto's
30% in koude systemen, tot max 46% in "higher-temperature solid oxide fuel cells"

De vijf mythes van waterstof-auto's
The Five Myths of the Hydrogen Fueled Vehicle