Waterstof uit Vlaamse lucht is prachtig, maar meer ook (nog) niet
Onderzoek aan de Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven) heeft een paneel opgeleverd dat uit lucht en zonlicht direct waterstof produceert. Op een gemiddelde dag in België produceert het Solar fuel-prototype 250 liter duurzame waterstof.
De Vlaamse omroep VRT maakte een mooi verslag over het waterstofpaneel en plaatste daar de aansprekende kop “Belgische wetenschappers kraken de code voor betaalbare groene waterstof” boven.
Dit stuk kreeg ik vandaag vanuit alle hoeken en gaten toegestuurd, vermoedelijk omdat ik de afgelopen maanden een en ander geschreven heb over de kansen van waterstof in de energietransitie. Een kort blogje om de twee meest gestelde vragen over dit Vlaamse concept en enkele voor de hand liggende vervolgvragen te beantwoorden.
1.Wat vind ik ervan?
Top natuurlijk. Dit is onderzoek dat prikkelt en misschien daadwerkelijk uitgroeit tot een aantrekkelijke route om waterstof te produceren. Waterstof behoort in 2050 welhaast zeker tot de belangrijkste energiedragers ter wereld. Elke innovatie die de schaalbare productie van CO2-vrije waterstof in potentie dichter bij brengt is knoepertje welkom.
2.Is dit een doorbraak?
Nee. Hoe het paneel van de KU Leuven precies werkt maakt het verslag van de VRT niet duidelijk maar waterstof direct uit zonlicht is op labschaal niets nieuws. Ook productie van waterstof uit lucht, met zonlicht, is geen nieuw idee. Het Nederlandse kennisinstituut Differ presenteerde nog geen twee weken eerder een sterk vergelijkbaar concept.
Hoewel de VRT spreekt van een wereldrecord is ook het genoemde rendement van 15% geen doorbraak. Het Amerikaanse onderzoeksinstituut NREL bereikte in 2017 een rendement van 16,2% voor het direct splitsen van water met zonlicht. Het Duitse Fraunhofer behaalde in 2018 19,3% en ook elders op de wereld werken vele onderzoeksgroepen al jaren aan dit concept. Allemaal nog op laboratorium- of prototypeschaal.
3.Is waterstof direct uit zonlicht kansrijk?
Lastig te zeggen. Het idee is dat deze directe ‘Solar Fuel‘ route efficiënter en/of goedkoper is dan eerst met een gewoon zonnepaneel elektriciteit maken en met die elektriciteit in een gewone elektrolyser waterstof te produceren. Vooralsnog is dat vooral een idee. Als je een hoogwaardig maar standaard zonnepaneel neemt met een rendement van 20% en een standaard elektrolyser van 75% dan haal je net als de KU Leuven al een totaalrendement van 15%. Met het belangrijk verschil dat je vandaag de spullen kunt kopen en op serieuze schaal kunt bouwen.
Als je net als de Solar Fuel-onderzoekers de vrijheid neemt om het beste uit het lab te gebruiken dan kun je gaan voor een (misschien alweer gedateerd) recordzonnepaneel van 24,1% en een elektrolyser van zo’n 80%. Daarmee evenaar je dan het totaalrendement van de directe route door Fraunhofer.
Voordeel van gescheiden zonnepanelen en elektrolyse is dat je op basis van de marktprijs kunt kiezen om de zonnestroom direct aan het net te leveren of om te zetten in waterstof. Ook kun je met losse zonnepanelen en losse elektrolysers het systeem als geheel optimaliseren, bijvoorbeeld met een elektrolyser die half zoveel capaciteit heeft als de zonnepanelen kunnen leveren, aangevuld met een accupakket om de pieken in zonnestroom op te vangen.
4.Wat kun je met 250 liter waterstof?
Het prototype van de KU Leuven produceert gemiddeld 250 liter waterstof per dag. Normaal gesproken reken je met waterstof in kilo’s. Een kilo waterstof staat onder gewone druk en temperatuur gelijk aan 12 kuub. Met 1 kilo waterstof produceer je via een aangepaste CV-ketel (100% HHV) ongeveer evenveel warmte als met 4 kuub aardgas. Via een brandstofcel (55% LHV) levert 1 kilo waterstof ongeveer 20 kilowattuur aan stroom.
De dagproductie van het Vlaamse prototype staat dus gelijk aan ruwweg 22 gram waterstof per dag en 8 kilo per jaar. De claim dat een huishouden met 20 van deze panelen zelfvoorzienend kan zijn voor elektriciteit of warmte, vergt dus veel fantasie. Met 160 kilo waterstof mag je blij zijn als je alleen je elektriciteitsverbruik dekt.
5.Code voor betaalbare groene waterstof gekraakt?
Waterstof gemaakt uit aardgas (grijze waterstof) kost € 1 à 2 per kilo. De dagproductie van 22 gram per waterstofpaneel is in dat licht dus 2 tot 4 cent waard. Als we aannemen dat het ‘betaalbaar’ uit de titel betekent ‘niet duurder dan het fossiele alternatief’ dan zou de code voor betaalbare groene waterstof gekraakt zijn als de panelen maximaal € 400 per stuk kosten en zeker 25 jaar meegaan. Het zou fantastisch zijn als dat lukt.
Als de onderzoekers al enig gevoel voor een prijspunt bij schaalproductie hadden gehad, was dat vast genoemd in het VRT-artikel. Dat deze info ontbreekt maakt dat ik nog niet kan meefeesten over deze misschien-wel-doorbraak.
Hoe graag ik dat ook zou willen.
Imagecredit: Maxime Bhm, via Unsplash Public Domain
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.
Ontdek meer van WattisDuurzaam.nl
Abonneer je om de nieuwste berichten naar je e-mail te laten verzenden.
Beste Thijs,
Bedankt voor je bedenkingen. Hierbij geef ik graag mijn antwoord op je aangehaalde punten:
– 2) Is dit een doorbraak? => Het is een doorbraak in die zin dat we een volledig autonoom waterstofpaneel hebben met een hoge efficiëntie, dat buiten het lab werkt en op een praktische schaal. Waterstof produceren met zonlicht is inderdaad niet nieuw. Waterstof produceren uit licht en lucht is wel vrij uniek. In 2014 hebben wij dit voor het eerst gedemonstreerd. Wat DIFFER vandaag doet, borduurt verder op die publicatie van vijf jaar geleden. Het genoemde wereldrecord dat we vandaag halen, geldt voor ‘abundante’ materialen. De rendementen die je aanhaalt, zijn allemaal behaald met edelmetalen katalysatoren en/of dure III-V halfgeleiders.
– 3) Is waterstof direct uit zonlicht kansrijk? => Om het kort te houden: elektrolyse is absoluut noodzakelijk, maar onvoldoende. Wat we hier aanbieden is een technologie die op elke schaal overal ter wereld waterstof produceert, tegen een betaalbare prijs. Elektrolyse is typisch enkel betaalbaar op zeer grote schaal, in industriële omgeving en liefst met een netaansluiting. Wat wij doen is dus complementair. We willen niet concurreren met andere duurzame technologieën, dat zou onze doelstelling ondergraven: minder verbruik van fossiele energie.
– 4) Wat kun je met 250 liter waterstof? => Onze 20 panelen werden berekend als aanvulling op een klassieke PV installatie. Opnieuw: wat wij doen is complementair, we zijn niet tegen zonnepanelen uiteraard. Waterstof kan je vervolgens best gebruiken in een brandstofcel, die je dan weer koppelt met een warmtepomp. Dure installatie? Wel als je dit huis per huis aanpakt, daarom bekijken wij het op wijkniveau.
– 5) De prijs => wij doen uitgebreide analyses in verband met de kostprijs en toekomstige evoluties ervan. Op basis daarvan kunnen we zeggen dat dit op korte termijn betaalbaar is, en op middellange termijn zelfs competitief kan zijn met fossiele energie. Wij willen hiermee een ontbrekende technologie toevoegen aan de energiemix die kan ingezet worden om de transitie te maken, zonder de maatschappij op kosten te jagen. Wij zijn blij over waar we staan, maar ook wij zullen pas meefeesten als onze panelen effectief overal liggen, tot dan blijven we even kritisch voor onszelf als jij.
Beste Jan,
Goed te horen, bedankt voor de uitgebreide reactie en aanvullingen. Wetenschapscommunicatie blijft toch een beetje koorddansen, het moet prikkelen om op te vallen maar als het teveel opvalt schiet het weer door in een al te rooskleurig beeld. Hoe dan ook gefeliciteerd met alle aandacht. Verdiend en maak er een succes van! 🙂
250 liter waterstof op atmosferische druk heeft een energieinhoud van ongeveer 750 Wh. Eén modern zonnepaneel kan op 21 december met een potdicht wolkendek ook reeds 790 Wh per dag genereren. In welke omstandigheden haalt men die 250 liter ( directe instraling , diffuus licht , aantal uren ) ?
Dag Christiaan, die 250 liter is een jaargemiddelde, berekend voor België. Het komt ruwweg neer op 5 kWh instraling per paneel per dag, en 15% efficiëntie.
Als een klassiek zonnepaneel 790 Wh produceert in december, zal dat toch met zeer veel zon zijn. Op de zonnigste dag in december 2018 hebben mijn eigen PV panelen op ons dak thuis ongeveer 500 Wh geproduceerd per paneel. Op de andere dagen in december lag dat op 10-300 Wh per paneel.
Beste Jan, ik geef neerbuigend toe dat 790 Wh op 21 december ietsje overdreven is. Een zonnepaneel van een wel bekend merk kan bij een instraling van 200 Watt/m2 toch al eventjes 55 Wh produceren. Bij acht uur licht is dat dus een dagproductie van 440 Wh op 21 december. Wat produceert uw waterstof paneel bij 200 Watt/m2 lichtinstraling per uur ?
Jaargemiddelden zijn voor mij waardeloos als je niet over opslagcapaciteit beschikt om overproductie tijdens de zomer voor de winter op te slaan. Gemiddeld verbruik in Belgie voor verwarming is 20.000 kWh aan fossiele brandstof en ongeveer 5000 kWh bij gebruik van een warmtepomp ( COP=4 ) en dat verbruik strekt zich slechts uit over pakweg vier maanden. Als ik hiervoor waterstof op atmosferische druk wil stockeren met zijn energiewaarde van 3 kWh/m3 heb ik hiervoor respectievelijk een tank nodig van 6666 m3 ( afgerond 6,7 miljoen liter ) en 1666 m3 ( 1,6 miljoen liter ). Het staat u vrij om hierop verder te borduren hoe zinvol de inzet van een dergelijk waterstof-zonnepaneel is, zelfs met het idee dat er tijdens de wintermaanden ook nog steeds kleine hoeveelheden waterstof zullen aangemaakt worden. Terloops vermeld : het is helemaal geen probleem om 100 kWh aan lithium-ion batterijen in 1 m3 onder te brengen, en die zijn in verhouding superveilig in vergelijk met de stockage van waterstof. Maar ook met batterijen is het praktisch niet doenbaar om overcapaciteit tijdens de zomer voor de winter op te slaan.
Beste Jan, wat is de verwachtte levensduur van jullie huidige prototypes? Zijn jullie economische analyses aangaande de toekomst openbaar?
Bedankt Jan voor deze verheldering en wat een pracht van ontwikkeling, zeer hoopgevend, dankjewel en proficiat!!
Beste Jan, begrijp ik dat ik bij de goeie persoon ben die mee werkt aan het project van dit paneel?
Ik zou graag in contact komen.
Kunnen wij op één of andere manier met elkaar bellen?
Voor mij gaat waterstof nooit een waardige energiedrager worden. De gevaren met de behandeling ervan zijn te groot en het rendement is te laag in vergelijking met andere buffermogelijkheden zoals batterijen en/of buffering via stuwmeren of “valmeren” ( donuts ) in zee.
Persoonlijk verbruik ik alles tezamen 25.000 kWh per jaar aan verwarming en electriciteit ( EV verbruik incluis ). Ik kan dit reduceren tot 10.000 kWh met 48 klassieke zonnepanelen + batterijen + WKK + warmtepomp , en hierbij nog eens voor 100 % off-grid gaan ( geen toegang tot het openbaar electriciteitsnet ) . Voor die resterende 10.000 kWh moet ik beroep doen op aardgas , 1000 liter stookolie of biodiesel ( “blauwe diesel” ).. Dit is zowat de helft van de fossiele brandstof die ik nu verbruik voor de verwarming.
Bizar, waterstof is compacter, lichter, energierijker en makkelijk te transporteren en ook efficient weer om te zetten in electriciteit. De brandstofcellen in auto’s bijvoorbeeld. Het is zelfs zo dat de bestaande aardgas-voorzieningen vrij eenvoudig zouden kunnen omgezet/aangepast worden voor bv waterstof te leveren. In Nederland is er al sprake van windmolenparken die eigenlijk alleen gebruikt zouden worden om waterstof te produceren. Dat is volgens mij net de toekomst. Waterstof zou ook zeer interessant zijn om gebruikt te worden in bv scheepvaart en vliegtuigen (want lichter en energie genoeg).
Ik vrees dat u zich vergist wat de eigenschappen van waterstof betreft. Een gegeven volume waterstof op atmosferische druk heeft zelfs een lagere energieinhoud dan hetzelfde volume aan aardgas onder dezelfde druk. De Toyota Murai op waterstof heeft twee kleine tanks aan boord waarin waterstof tot 700 maal de atmosferische druk is samengeperst, en die heeft ook nog maar een actieradius van ongeveer 500 km. Als er een scheurtje in de ontspanner of in een ventiel zou komen, gaat die wagen uiteenspatten. Het kost ook nog eens heel wat energie om waterstof tot een aanvaardbaar volume voor transport samen te persen. Laat u informeren door echte wetenschappers, a.u.b.
Energieinhoud ( afgerond ) op atmosferische druk :
waterstof : 3 kWh/m3
methaan ( aardgas ) : 10 kWh/m3
Dergelijke initiatieven draaien meestal uit op teleurstellingen omdat de energiedichtheid te laag is (meer ruimte nodig dan er ruimte is) en de ERoEI (energy return on energy investment) onvoldoende om economisch haalbaar te zijn. De Nederlandse ingenieursvereniging KIVI heeft dit hardnekkige probleem van duurzame energieopwekking uitgebreid gedocumenteerd in haar publicatie “De Rekening Voorbij” (2014). Zolang energiedichtheid en ERoEI niet drastisch verbeteren blijft het bij wensdenken en leuke projecten die vooral media-aandacht genereren.
Neem een doorsnee NL-woning op een perceel van 200m², gasverbruik 1500m³ en stroomverbruik 3500 kWh. Het gasverbruik is omgerekend is ca. 13.500 kWh warmte of (via een WP met COP 3,0) 4.500 kWh stroom. Doe daar voor 13.000 autokilometers per jaar met een stroomverbruik van 16 kWh/100km geeft 2000 kWh verbruik. Alles bij elkaar heeft een gemiddeld huishouden dus 10.000 kWh per jaar aan stroom nodig voor huishouden en transport.
Met 20 kWh brandstofcelstroom uit 1 kg waterstof moet er jaarlijks dus 500 kg waterstof geproduceerd worden. Met een jaarproductie van 8 kg per waterstofpaneel van 1,6 m² heeft een gemiddeld gezin dus 63 panelen nodig met een oppervlakte van 100m². Het dak van een gemiddeld woning (50m²) ligt dan helemaal vol met waterstofpanelen die allemaal ideaal georiënteerd zijn op de zon en nog eens 50m² van de tuin bedekt wordt met panelen. Aangezien de dakpanelen normaal gesproken niet allemaal gunstig liggen zullen er meer panelen in de al dichtgebouwde tuin gelegd moeten worden.
Men rekent doorgaans met 10 KWh/m3 voor aardgas. Jouw 1500 m3 komt dus overeen met 15.000 kWh . De eindrekening is nog ongunstiger dan wat jij hebt berekend. .
Aangezien de productie van het waterstof afhankelijk is van het aantal uren licht en haar intensiteit, is een continue levering al niet te garanderen. Wil men hier de opslag van het waterstof uitsparen in ofwel reuzegrote volumes of onder bijzonder hoge druk, dan rest er alleen nog dat het geproduceerde gas meteen kan verbruikt worden waarbij uiteraard de vraag ernaar ook niet gegarandeerd hoeft te zijn. Er bestaat een procédé om CO2 uit de lucht te halen en samen met waterstof om te vormen tot methanol. Dat methanol is dan te beschouwen als een “groene brandstof’ met een zelfs veel kortere CO2-cyclus zoals die aan het verbranden van hout en pellets wordt toegeschreven.
Ik heb het verslag op de website van onderzoeksinstelling Differ even nagelezen:
” Current photoelectrochemical cells that are able to produce hydrogen
are very small, around a square centimeter in size. In order to become
economically viable, their size must be scaled up by at least two to
three orders of magnitude.”
Ik begrijp hieruit dat ze tot heden enkel met die kleine cellen werken. Of niet ?
De KULeuven gebruikt al volledige testpanelen (ze noemen het “waterstofpanelen”), en in reële situaties (op daken).
Dat lijkt me dan toch één (of meerdere) stappen verder…
Ook is een rendement van een practische, reële setup niet rechtstreeks vergelijkbaar met het rendement van een experiment op laboschaal.:
Indien cijfermatig gelijkaardig dan blijft het toch een wereld van verschil.
In elk geval hoop doet leven en het zal hard nodig zijn.
mvg,
ddbacker