Waterstofproductie

Efficiency elektroloyse: Efficiency elektrolyse gecorrigeerd

Kleuren waterstof: de energiebron en de CO$_2$ emissies

Waterstof komt niet als zodanig voor in de natuur en is daarmee niet vergelijkbaar met een fossiele of duurzame energiebron. Waterstof kan worden geproduceerd op diverse manieren. Een belangrijke hoofdindeling is die in de volgende kleuren:

• (Grijze Waterstofw) is waterstof die wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen. De huidige productie van waterstof valt grotendeels in deze categorie, de statistieken wereldwijd in 2008 waren 48% van aardgas, 30% van olie, 18% van steenkool (Kothari et al. 2008). Met stoomreforming (steam reforming) of met vergassing (gasification) kan waterstof uit fossiele dragers worden gemaakt.
• (Blauwe waterstofw) is grijze waterstof waarbij gebruik wordt gemaakt van CO$_2$-afvang en opslag. Hiermee worden dus nog steeds fossiele bronnen ingezet, maar vindt veel minder CO$_2$ emissie naar de atmosfeer plaats. Meer over CO$_2$-afvang en opslag op de pagina CO2.
• ( Groene waterstofw) wordt geproduceerd uit een duurzame energiebron. Vanuit (duurzame) elektriciteit kan met elektrolyse waterstof worden gemaakt.

Elektrolyse

Een van de belangrijke processen om waterstof te produceren is met behulp van elektrolyse. Deze zet water met behulp van elektriciteit om in waterstof en zuurstof (zie figuur 1).


Figuur 1. Elektrolyse

Elektrolysers zijn flexibel in het op en af schalen van hun productie, en dat is erg belangrijk voor waterstofproductie gevoed door elektriciteit van wind- en zonneparken. De opbrengst uit deze bronnen kan sterk fluctueren, bijvoorbeeld wanneer het hard waait of juist wanneer het een dag windstil is. Elektrolysers zijn dus goed in staat met deze opwek mee te bewegen. Als er veel duurzame energie opgewekt wordt, past dat soms niet op het elektriciteitsnet. De opwek van elektriciteit kan dan hoger zijn dan het daadwerkelijke gebruik van elektriciteit. Een stroomoverschot leidt soms al tot negatieve elektriciteitsprijzen en dat maakt het aantrekkelijk (je wordt er dan zelfs voor betaald) om te voorkomen dat stroom het elektriciteitsnet op komt.

Voor dergelijke momenten kan een elektrolyser worden gebruikt, deze omstandigheden maken waterstof dus een aantrekkelijke optie. En dat kan wel eens belangrijk zijn voor de haalbaarheid, want investeren in elektrolysers brengt aanzienlijke kosten met zich mee. De kapitaalkosten zijn tussen de €1860 en €2320 per kW vermogen aan elektriciteit (Few et al., 2017w) . Het moet zich dus lonen om in elektrolyse te investeren.

De geproduceerde waterstof kan vervolgens worden opgeslagen en op momenten dat er juist een tekort is aan elektriciteit kan de waterstof weer reageren met zuurstof tot water, waarbij elektriciteit wordt gegenereerd (denk aan de brandstofcel). Een opslagcyclus (waarbij waterstof wordt gebruikt om energie (elektriciteit) op te slaan en later weer elektriciteit te genereren) heeft een relatief lage (round-trip) efficiency. Dit is het percentage elektriciteit dat gewonnen kan worden van wat eerder werd opgeslagen. Bij de conversiestap waarin elektriciteit wordt gebruikt om waterstof te produceren met behulp van een elektrolyser is deze ongeveer 35% (Few et al., 2017w). Wanneer waterstof wordt gebruikt om elektriciteit te genereren in een brandstofcel is de efficiëntie gelijk aan 50-70%. Ter vergelijking, voor pumped hydro storage is deze efficiency (zie energie-opslag) ongeveer gelijk aan 77% en voor een vliegwiel zelfs 89%. De totale systeemefficiëntie (dus van winning tot gebruik) van waterstof wordt geschat op ca. 25%.

Andere productieprocessen

Waterstof kan ook op andere manieren worden geproduceerd. Een van de mogelijkheden is de directe productie van waterstof uit koolwaterstoffen, denk aan aardgas of steenkool. Voor commerciële toepassingen wordt waterstof op het moment vaak geproduceerd door middel van reforming van aardgas. Hierbij reageert stoom (water) op zeer hoge temperaturen (700-1100°C) met methaan. Hierbij ontstaan vervolgens synthesegas en waterstof. Dit proces heeft een rendementw van ca. 75%.

Waterstof uit steenkool kan worden geproduceerd door steenkool door middel van vergassing om te zetten in synthesegas (een mengsel van waterstof en koolstofmonoxide) (Waterstofproductiew).

In de onderstaande tabel is een overzichtje weergegeven van de diverse, eerder genoemde, efficiënties.

Proces Efficiëntie
Conversie van elektriciteit naar waterstof (elektrolyser) 75%
Conversie van waterstof naar elektriciteit (brandstofcel) 50-70%
Conversie van steenkoolw naar waterstof 45%
Conversie van aardgasw naar waterstof 75%
Tabel 1. Overzicht van efficiënties


De systeemefficiëntie van waterstof is volledig afhankelijk van de routes die waterstof aflegt. Wordt de waterstof bijvoorbeeld geproduceerd uit fossiele, of hernieuwbare bronnen? Van welk type elektrolyser wordt er gebruik gemaakt? En waarvoor wordt de waterstof uiteindelijk gebruikt? De systeemefficiëntie hangt af van dergelijke keuzes en dus van welke processen er in een route worden gecombineerd. De efficiënties van de processen die in de tabel hierboven genoemd zijn, zijn een gemiddelde schatting. De exacte efficiëntie is afhankelijk van de exacte technologie die wordt gebruikt. Voor elektrolysers zijn er bijvoorbeeld veel verschillende typen beschikbaar, die ieder een eigen efficiency hebben.

Bronnen

Few et al., 2017w, O. Schmidta, A. Gambhira, I. Staffell, A. Hawkes, J. Nelsona, S. Few.Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study. Laatst geraadpleegd: 6/12/2021
Few et al., 2017w, O. Schmidta, A. Gambhira, I. Staffell, A. Hawkes, J. Nelsona, S. Few. Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study. Laatst geraadpleegd: 6/12/2021
Kothari et al. 2008, Richa Kothari, D. Buddhi, R.L. Sawhney, Comparison of environmental and economic aspects of various hydrogen production methods, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 12, Issue 2, 2008

Bronnen-check

Few et al., 2017w, O. Schmidta, A. Gambhira, I. Staffell, A. Hawkes, J. Nelsona, S. Few. Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study. Laatst geraadpleegd: 6/12/2021

Laatste wijziging: 25-03-2024
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.