Afbeelding: Heemskerklokaal.









Van een onzer correspondenten.

Auteur: 

Dat wat ik het ‘energieopslagraadsel’ noem, is het voor de hand liggende maar grotendeels niet-erkende probleem dat elektriciteit die wordt opgewekt door intermitterende hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon, een elektriciteitsnet niet kan laten werken zonder een methode om energie op te slaan om aan de vraag van de klant te voldoen in tijden van lage productie. Deze tijden van lage productie van wind en zon komen regelmatig voor – bijvoorbeeld rustige nachten – en kunnen een week of langer aanhouden in het geval van zwaarbewolkte en rustige periodes in de winter.

Als het plan is om de hele Verenigde Staten van stroom te voorzien met wind- en zonne-installaties, en als we aannemen dat wind- en zonne-installaties voldoende zullen worden gebouwd om in de loop van een jaar energie op te wekken die gelijk is aan het verbruik, dan moeten we een berekening maken van hoeveel opslag zou er nodig zijn om de tijden van overproductie af te wegen tegen die van onvoldoende productie om het jaar zonder stroomuitval door te komen. De uitdaging om een ​​heel jaar door te komen, kan veel meer opslag vereisen dan alleen een weeklange wind/zon-droogte doorstaan, omdat zowel wind als zon seizoensgebonden zijn en in sommige seizoenen veel meer produceren dan andere.

‘…de fantasie van een volledig wind-/zonne-energie-economie, alleen ondersteund door batterijen, is gedoemd om snel tegen een ondoordringbare muur aan te lopen.’

Eerdere bijdragen op dit blog hebben verschillende doortastende berekeningen aangehaald van de hoeveelheid opslagruimte die nodig is voor verschillende gebieden om een ​​heel jaar door te komen met alleen wind en zon om de elektriciteit op te wekken. Voor het geval van de hele Verenigde Staten beschrijft deze bijdrage uit januari 2022 het werk van Ken Gregory, die op basis van het huidige elektriciteitsverbruik een opslagbehoefte berekent van ongeveer 250.000 GWH om een ​​jaar door te komen.

Als je dan als onderdeel van het decarbonisatieproject uitgaat van de elektrificatie van alle momenteel niet-geëlektrificeerde sectoren van de economie (transport, huisverwarming, industrie, landbouw, enz.), zou de opslagbehoefte ongeveer verdrievoudigen, tot 750.000 GWH. Als aan die opslagvereiste moet worden voldaan door batterijen, en we de benodigde hoeveelheid opslagruimte-prijzen tegen de prijs van de beste momenteel beschikbare batterijen (lithium-ionbatterijen van het type Tesla), krijgen we vooraf al een kostenplaatje in de orde van honderden van biljoenen dollars. Die kosten alleen al zouden een veelvoud zijn van het hele Amerikaanse BBP en zouden het hele decarbonisatieproject natuurlijk onmogelijk maken. Bovendien hebben lithium-ionbatterijen (en alle andere momenteel beschikbare batterijen) niet het vermogen om maandenlang, van zomer tot winter, stroom op te slaan zonder verlies, en daarna in de loop van extra maanden te ontladen. Met andere woorden, de fantasie van een volledig wind-/zonne-energie-economie, alleen ondersteund door batterijen, is gedoemd om snel tegen een ondoordringbare muur aan te lopen.

Dus, zou er een andere benadering van decarbonisatie zijn die zou kunnen werken? Nu kernenergie wordt geblokkeerd door dezelfde milieuactivisten die zich verzetten tegen elk gebruik van fossiele brandstoffen, zijn er maar weinig opties. Het meest plausibel zou zijn om waterstof te gebruiken als opslagmiddel om de willekeurige schommelingen van de opwekking van elektriciteit uit wind en zonne-energie te compenseren.

Het is niet alsof niemand hier tot nu toe aan heeft gedacht. Inderdaad, voor politici en activisten die vrijuit kunnen poneren over theoretische oplossingen zonder zich zorgen te hoeven maken over praktische obstakels of kosten, lijkt waterstof niet eenvoudiger te kunnen. Met waterstof kun je koolstof gewoon volledig uit de energiekringloop halen: waterstof maken uit water, opslaan totdat je het nodig hebt, en als dat nodig is, verbranden om energie te produceren met alleen water als bijproduct.

In 2003 stelde de toenmalige president George W. Bush precies zo’n systeem voor in zijn State of the Union-toespraak:

‘In zijn State of the Union-toespraak van 2003 lanceerde president Bush zijn Hydrogen Fuel Initiative. Het doel van dit initiatief is om samen te werken met de particuliere sector om het onderzoek en de ontwikkeling die nodig zijn voor een waterstofeconomie te versnellen. Het Hydrogen Fuel Initiative van de president en het FreedomCAR Partnership leveren bijna $ 1,72 miljard voor de ontwikkeling van brandstofcellen op waterstof, waterstofinfrastructuur-technologieën en geavanceerde autotechnologieën. Het President’s Initiative zal de commercialisering van brandstofcelvoertuigen in 2020 mogelijk maken.’

Auto’s op brandstofcellen (dat wil zeggen die op waterstof rijden) tegen 2020. Niets aan de hand!

Misschien heb je hier in 2022 nog geen groot aantal waterstofauto’s op de wegen gezien. Hoe staat het dan met het project om waterstof te produceren door middel van een koolstofvrij proces van elektrolyse uit water (ook wel bekend als ‘groene waterstof’) ? Dit komt uit de JP Morgan Wealth Management 2022 Annual Energy Paper (pagina 39):

‘De huidige productie van groene waterstof is verwaarloosbaar. . . .’

De oplossing lijkt zo verschrikkelijk voor de hand liggend, en toch doet niemand het. Wat mankeert iedereen?

Het ware antwoord is dat waterstof in de vorm van een vrij gas veel duurder is om te produceren dan het goede oude aardgas (ook bekend als methaan of CH4), en als je het eenmaal hebt, is het in elk opzicht inferieur aan aardgas als een brandstof voor de werking van het energiesysteem (behalve de kwestie van de koolstofemissies, als u denkt dat dat een probleem is). Waterstof is veel moeilijker en duurder dan aardgas om te transporteren, op te slaan en te hanteren. Het is veel gevaarlijker en kan ontploffen. Het is veel minder dicht qua volume, waardoor het met name minder bruikbaar is voor transporttoepassingen zoals auto’s en vliegtuigen.

En natuurlijk is er geen demonstratieproject op grote schaal om ons te laten zien hoe een op waterstof gebaseerd energiesysteem zou werken of hoeveel het zou kosten na het opnemen van alle extra’s en huidige onbekenden, niet alleen om het te produceren, maar ook om het te vervoeren en te hanteren veilig.

‘Gezien de enorme verliezen bij het maken van waterstof en het vervolgens weer omzetten in elektriciteit, is het bijna onmogelijk voor te stellen dat dit proces ooit kostenconcurrerend kan zijn met alleen het verbranden van aardgas.’

Hier zijn slechts enkele van de problemen die zich voordoen bij het beschouwen van waterstof als de manier om koolstofarm te maken:

  • Kosten van ‘groene’ waterstof versus aardgas. In de afgelopen jaren, voorafgaand aan de laatste paar maanden, lagen de aardgasprijzen in de VS tussen ongeveer $ 2 en $ 6 per miljoen BTU’s. De prijspiek van de afgelopen maanden heeft de prijs van aardgas tot ongeveer $ 9/MMBTU’s gebracht. Ondertussen, volgens dit artikel uit december 2020 op Seeking Alpha, ligt de prijs voor ‘groene’ waterstof geproduceerd door elektrolyse van water in het bereik van $ 4 tot $ 6 per kg, wat zich volgens Seeking Alpha vertaalt naar $ 32 tot $ 48 per MMBTU. Met andere woorden, zelfs met de zeer dramatische recente stijging van de prijs van aardgas is het nog steeds 3 tot 5 keer goedkoper om te verkrijgen dan ‘groene’ waterstof. Sommigen voorspellen dramatische toekomstige prijsdalingen voor ‘groene’ waterstof, en ook aanhoudende prijsstijgingen voor aardgas. Kan zijn. Maar met de prijzen waar ze nu zijn, of waar dan ook in de buurt, zal niemand grote aankopen doen van ‘groene’ waterstof als reservebrandstof voor intermitterende hernieuwbare energiebronnen; en zonder kopers zal niemand grote hoeveelheden van de spullen produceren.
  • Hoeveel overproductie van zon/wind-opwekkingscapaciteit zou nodig zijn om de ‘groene’ waterstof te produceren? Werkelijk adembenemende hoeveelheden zonnepanelen en/of windturbines zouden nodig zijn om genoeg ‘groene’ waterstof te maken om een ​​betekenisvolle factor te worden bij het ondersteunen van een netwerk dat voornamelijk wordt aangedreven door zon en wind. Het stuk Seeking Alpha bevat berekeningen van hoeveel zonnepaneelcapaciteit er nodig is om genoeg ‘groene’ waterstof te produceren om slechts één kleine (288 MW) GE-turbinegenerator van stroom te voorzien. Het antwoord is dat de capaciteit van het type zonne-energie om het werk te doen bijna tien keer de capaciteit zou zijn van de fabriek die de waterstof zou gebruiken: Kijk naar de wijdverbreide GE 9F.04 gasturbine, die 288 MW aan stroom produceert. Met 100% waterstofbrandstof stelt GE dat deze turbine ongeveer 9,3 miljoen CF of 22.400 kg waterstof per uur zou verbruiken. Met 80% efficiënte elektrolyse-energiekostem van 49,3 kWh/kg, zou het produceren van die ene levering van waterstof van één uur 1.104 MWh stroom vereisen voor elektrolyse. Om de waterstof te genereren om de turbine 12 uur (~ schemering tot zonsopgang) te laten draaien, zou 12 x 1.104 MWh of 13,2 GWh nodig zijn. Gezien een typische zonnecapaciteitsfactor van 20%, zou dat ongeveer 2,6 GW aan zonne-naamplaatcapaciteit vereisen die bestemd is voor het genereren van waterstof om deze generator van 288 MW ’s nachts van brandstof te voorzien. Gezien de enorme verliezen bij het maken van waterstof en het vervolgens weer omzetten in elektriciteit, is het bijna onmogelijk voor te stellen dat dit proces ooit kostenconcurrerend kan zijn met alleen het verbranden van aardgas.
  • Voldoende ‘groene’ waterstof maken om het land van stroom te voorzien, betekent de oceaan elektrolyseren. De oceaan is in feite oneindig als waterbron, maar zoetwatervoorraden zijn beperkt. Als je zout water elektrolyseert, krijg je grote hoeveelheden zeer giftig chloor binnen. Er zijn mensen bezig met oplossingen voor dit gigantische probleem, maar vanaf nu bevindt het zich allemaal in het laboratoriumstadium. Incrementele kosten om uw ‘groene’ waterstof uit de oceaan te halen, zijn een complete wildcard.
  • Waterstof is qua volume veel minder energiedicht dan benzine. Voor veel doeleinden, en met name voor transportbrandstof, is het zeer relevant dat waterstof qua volume veel minder dicht is dan benzine. Zelfs vloeibare waterstof heeft een volume-energiedichtheid die slechts een kwart van die van benzine is (8 MJ/L versus 32 MJ/L), wat betekent dat een brandstoftank veel groter is. En vloeibare waterstof moet op de belachelijk lage temperatuur van -253 ° C worden gehouden. Als alternatief kun je het gas comprimeren, maar dan heb je het meer over een 10 keer zo groot nadeel van de energiedichtheid. Het comprimeren van het gas of het omzetten in vloeistof vereist grote hoeveelheden extra energie, wat een extra kost is die nog niet in de berekeningen is verwerkt.
  • Waterstof maakt stalen pijpleidingen brozer. Waterstof is veel moeilijker te transporteren en te hanteren dan aardgas. De meeste bestaande gaspijpleidingen zijn gemaakt van staal en waterstof heeft een effect op staal dat bekend staat als ‘verbrossing’, waardoor de pijpen na verloop van tijd scheuren en lekken ontwikkelen. Scheuren en lekken kunnen tot explosies leiden. Vanwege het probleem met de ‘volumetrische energiedichtheid’ kunnen bestaande aardgaspijpleidingen veel minder energie vervoeren als ze worden gebruikt om waterstof te vervoeren.

Ik weet niet hoeveel extra onze energie zou kosten als we met geweld alle koolwaterstoffen zouden verwijderen en zouden overschakelen op wind en zon, ondersteund door ‘groene’ waterstof en niets anders. Een gefundeerde gok zou zijn dat de all-in kosten van energie zouden worden vermenigvuldigd met iets van een factor van vijf tot tien. Ja, dat zou waarschijnlijk een grote verbetering zijn ten opzichte van proberen hetzelfde te bereiken met batterijen. Maar het zou nog steeds een enorme verarming zijn van het Amerikaanse volk in de zinloze zoektocht om over honderd jaar mogelijk een paar honderdsten van een graad van de gemiddelde wereldtemperatuur te reduceren.

***

Bron hier.

En zie ook het recente artikel Vliegen op waterstof op Klimaatgek hier.

***