Hydrogen
Er zijn in het verleden verschillende golven van interesse in waterstof geweest. Deze werden voornamelijk veroorzaakt door schokken in de olieprijs, bezorgdheid over de piek in de vraag naar olie of luchtvervuiling en onderzoek naar alternatieve brandstoffen. Waterstof kan bijdragen aan energiezekerheid door een andere energiedrager te leveren met andere toeleveringsketens, producenten en markten; dit kan de energiemix diversifiëren en de veerkracht van het systeem verbeteren. Waterstof kan ook de luchtvervuiling verminderen bij gebruik in brandstofcellen, zonder andere uitstoot dan water. Het kan economische groei en het scheppen van banen bevorderen, gezien de grote investeringen die nodig zijn om het te ontwikkelen als energiedrager uit een industriële grondstof.
De energietransformatie vereist een grote verschuiving in elektriciteitsopwekking van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare bronnen zoals zon en wind, een grotere energie-efficiëntie en de wijdverbreide elektrificatie van het energieverbruik van auto's tot verwarming en koeling in gebouwen.
Groene waterstof vormt een schakel tussen groeiende en duurzame duurzame elektriciteitsopwekking en de moeilijk te elektrificeren sectoren. Waterstof is in het algemeen een geschikte energiedrager voor toepassingen die ver verwijderd zijn van elektriciteitsnetten of die een hoge energiedichtheid vereisen, en het kan dienen als grondstof voor chemische reacties om een reeks synthetische brandstoffen en grondstoffen te produceren.
Bijkomende voordelen van groene waterstof zijn onder meer: het potentieel voor extra systeemflexibiliteit en opslag, die de verdere inzet van variabele hernieuwbare energie (VRE) ondersteunen; bijdrage aan energiezekerheid; verminderde luchtvervuiling; en andere sociaaleconomische voordelen, zoals economische groei en het scheppen van banen, en industrieel concurrentievermogen.
Groene waterstof is een energiedrager die in veel verschillende toepassingen kan worden ingezet (Figuur 1). Het daadwerkelijke gebruik ervan is echter nog zeer beperkt. Jaarlijks wordt wereldwijd ongeveer 120 miljoen ton waterstof geproduceerd, waarvan tweederde pure waterstof is en een derde in een mengsel met andere gassen. De waterstofproductie wordt meestal gebruikt voor de raffinage van ruwe olie en voor de synthese van ammoniak en methanol, die samen bijna 75% van de gecombineerde vraag naar zuivere en gemengde waterstof vertegenwoordigen.
De huidige waterstofproductie is grotendeels gebaseerd op aardgas en steenkool, die samen goed zijn voor 95% van de productie. Elektrolyse produceert ongeveer 5% van de wereldwijde waterstof, als bijproduct van de chloorproductie.
Figure 1, Productie, conversie en eindgebruik van groene waterstof in het hele energiesysteem
Waterstof kan worden geproduceerd met meerdere processen en energiebronnen; een kleurcodenomenclatuur wordt steeds vaker gebruikt om de discussie te vergemakkelijken (Figuur 2).
Figure 2 Geselecteerde tinten waterstof
Groene waterstof concurreert zowel met fossiele brandstoffen als met andere tinten waterstof. Het is daarom belangrijk om de factoren te begrijpen die de kosten van groene waterstof bepalen.
De productiekosten van groene waterstof zijn afhankelijk van de investeringskosten van de elektrolysers, hun capaciteitsfactor die aangeeft hoeveel de elektrolyser daadwerkelijk wordt gebruikt, en de kosten van elektriciteit geproduceerd uit hernieuwbare energie.
In 2020 bedragen de investeringskosten voor een alkalische elektrolyser ongeveer $ 750-800 per kilowatt (kW). Als de capaciteitsfactor van de groene waterstofinstallatie laag is, zoals onder de 10% (minder dan 876 vollasturen per jaar), worden die investeringskosten verdeeld over enkele eenheden waterstof, wat zich vertaalt in waterstofkosten van USD 5-6/kg of hoger, zelfs wanneer de elektrolyser werkt met nulgeprijsde elektriciteit. Ter vergelijking: de kosten van grijze waterstof bedragen ongeveer 1-2 USD/kg waterstof (rekening houdend met een prijsklasse van aardgas van ongeveer 1,9 tot 5,5 USD per gigajoule [GJ]). Bij een hogere bezettingsgraad leveren investeringskosten echter een kleinere bijdrage aan de kosten per kg groene waterstof. Daarom, naarmate de belastingsfactor van de faciliteit toeneemt, neemt de bijdrage van de investeringskosten van de elektrolyser aan de uiteindelijke waterstofproductiekosten per kg af en wordt de elektriciteitsprijs een relevantere kostencomponent.
Bij een gegeven elektriciteitsprijs hangt de elektriciteitscomponent in de uiteindelijke kosten van waterstof af van de efficiëntie van het proces. Met een efficiëntie van de elektrolyser van 0,65 en een elektriciteitsprijs van 20 dollar per megawattuur (MWh), zou de elektriciteitscomponent van de totale kosten bijvoorbeeld oplopen tot 30 dollar/MWh waterstof, wat overeenkomt met 1 dollar/kg.
Gezien de huidige relatief hoge elektrolysekosten is goedkope elektriciteit nodig (in de orde van grootte van USD 20/MWh) om groene waterstof te produceren tegen prijzen die vergelijkbaar zijn met grijze waterstof. Het doel van producenten van groene waterstof is nu om deze kosten te verlagen met behulp van verschillende strategieën (IRENA, te verschijnen). Zodra de kosten van elektrolysers zijn gedaald, zal het mogelijk zijn om duurdere hernieuwbare elektriciteit te gebruiken om kostenconcurrerende groene waterstof te produceren.
Het vervoeren van waterstof brengt extra kosten met zich mee. De transportkosten zijn een functie van het vervoerde volume, de afstand en de energiedrager. Bij lage volumes bedragen de kosten voor het transport van 1.000 km gecomprimeerde waterstof in een vrachtwagen ongeveer USD 3,5/kg. Voor grote volumes is het verschepen van groene ammoniak de goedkoopste optie en voegt slechts 0,15 dollar/kg waterstof toe (zonder rekening te houden met conversiekosten, d.w.z. kraken). Soortgelijke lage kosten kunnen worden bereikt met grote pijpleidingen (ongeveer 2.000 ton per dag) over korte afstanden. Het transport van waterstof per pijpleiding kan een tiende zijn van de kosten van het transporteren van dezelfde energie als elektriciteit.
De huidige kosten en prestaties zijn niet hetzelfde voor alle elektrolysertechnologieën (zie tabel 1). Alkaline- en PEM-elektrolysers zijn de meest geavanceerde en reeds commerciële, terwijl elke technologie zijn eigen concurrentievoordeel heeft. Alkalische elektrolysers hebben de laagste installatiekosten, terwijl PEM-elektrolysers een veel kleinere voetafdruk hebben, gecombineerd met een hogere stroomdichtheid en uitgangsdruk. Ondertussen heeft vast oxide de hoogste elektrische efficiëntie. Aangezien de celstapel slechts een deel is van de voetafdruk van de elektrolyserfaciliteit, vertaalt een verminderde stapelvoetafdruk van ongeveer 60% voor PEM in vergelijking met alkaline zich in een vermindering van 20%-24% van de voetafdruk van de faciliteit, met een geschatte voetafdruk van 8 hectare (ha) -13 ha voor een faciliteit van 1 GW met PEM, vergeleken met 10 ha-17 ha met alkaline. Verwacht wordt dat de hiaten in kosten en prestaties in de loop van de tijd kleiner zullen worden, aangezien innovatie en massale inzet van verschillende elektrolysetechnologieën convergentie naar vergelijkbare kosten stimuleren.
Table 1, Key performance indicators voor vier elektrolysertechnologieën vandaag en in 2050.
De elektrolyser is samengesteld uit de schoorsteen (waar de eigenlijke splitsing van water in waterstof en zuurstof plaatsvindt) en de rest van de installatie, die bestaat uit stroomvoorziening, watervoorziening en zuivering, compressie, eventueel elektriciteit en waterstofbuffers en waterstofverwerking. Beide componenten zijn belangrijk voor de kosten, omdat ze vergelijkbare kostenaandelen hebben. Het grootste potentieel voor kostenreductie op korte termijn zit in deze balans van de fabriek, terwijl RD&D nodig is om de stackkosten te verlagen en de prestaties en duurzaamheid te verhogen, aangezien de afwegingen hiertussen aanzienlijk zijn.
De flexibiliteit van alkaline- en PEM-stacks is voldoende om fluctuaties in wind en zon te volgen. De flexibiliteit van het systeem wordt echter beperkt door de balans van de installatie (bijvoorbeeld de compressoren) in plaats van de stapel. Bovendien is flexibiliteit in de betrokken tijdschalen op zeer korte termijn (d.w.z. minder dan een seconde) niet de belangrijkste waardepropositie voor elektrolysers, aangezien hun belangrijkste systeemwaarde ligt in bulkopslag van energie. Dit ontkoppelt effectief de variabiliteit van de opwekking van de stabiliteit van waterstof en stroom tot de vraag naar X (PtX) door waterstofopslag in gasinfrastructuur (bijv. zoutcavernes, pijpleidingen) en opslag van vloeibare e-brandstoffen.
Er is geen enkele elektrolysertechnologie die beter presteert in alle dimensies. De toekomstige technologiemix zal afhangen van innovatie en concurrentie tussen sleuteltechnologieën en fabrikanten, wat zal leiden tot technologische verbeteringen en een betere aansluiting op verschillende technologieën en systeemontwerpen in elke specifieke toepassing.
Water- en landgebruik vormen geen belemmering voor opschaling. Op plaatsen met waterstress moet de bron van water voor waterstofproductie expliciet worden overwogen in de strategieën en verder worden uitgewerkt in de projectplanning. Waar toegang tot zeewater beschikbaar is, kan ontzilting worden gebruikt met een beperkte impact op de kosten en efficiëntie, waarbij mogelijk multifunctionele ontziltingsfaciliteiten kunnen worden ingezet om lokale voordelen te bieden. Een fabriek van 1 GW zou ongeveer 0,17 vierkante kilometer (km2) land in beslag kunnen nemen, wat betekent dat 1000 GW aan elektrolyse een oppervlakte zou beslaan die gelijk is aan die van Manhattan (New York).
Waterelektrolysers zijn elektrochemische apparaten die worden gebruikt om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof door een elektrische stroom door te laten. Ze kunnen worden gefragmenteerd in drie niveaus (zie figuur 4):
De cel is de kern van de elektrolyser en hier vindt het elektrochemische proces plaats. Het is samengesteld uit de twee elektroden (anode en kathode) ondergedompeld in een vloeibare elektrolyt of grenzend aan een vast elektrolytmembraan, twee poreuze transportlagen (die het transport van reactanten en de verwijdering van producten vergemakkelijken), en de bipolaire platen die mechanische ondersteuning bieden en verdeel de stroom.
De stapel heeft een breder bereik, waaronder meerdere in serie geschakelde cellen, afstandhouders (isolatiemateriaal tussen twee tegenover elkaar liggende elektroden), afdichtingen, frames (mechanische ondersteuning) en eindplaten (om lekken te voorkomen en vloeistoffen op te vangen).
Het systeemniveau (of de balans van de installatie) gaat verder dan de stapel en omvat apparatuur voor koeling, verwerking van de waterstof (bijv. voor zuiverheid en compressie), omzetting van de elektriciteitsinvoer (bijv. transformator en gelijkrichter), behandeling van de watervoorziening (bijv. deïonisatie) en gasafgifte (bijv. van zuurstof).
Gezuiverd water wordt in het systeem gevoerd met behulp van circulatiepompen, of ook door zwaartekracht. Het water bereikt dan de elektroden door door de bipolaire platen en door de poreuze transportlagen te stromen. Bij de elektrode wordt het water gesplitst in zuurstof en waterstof, waarbij ionen (meestal H+ of OH-) door een vloeibaar of vast membraanelektrolyt gaan. Het membraan of diafragma tussen beide elektroden is ook verantwoordelijk voor het gescheiden houden van de geproduceerde gassen (waterstof en zuurstof) en het vermijden van hun vermenging. Dit algemene principe is eeuwenlang hetzelfde gebleven, maar de technologie is geëvolueerd sinds William Nicholson en Anthony Carlisle het voor het eerst ontwikkelden in 1800.
Figure 3, Basiscomponenten van waterelektrolysers op verschillende niveaus
ELEKTROLYSER TECHNOLOGIEN
Het principe van waterelektrolyse is eenvoudig, maar het maakt het mogelijk om verschillende technologische variaties te construeren op basis van verschillende fysisch-chemische en elektrochemische aspecten. Elektrolysers worden doorgaans onderverdeeld in vier hoofdtechnologieën. Deze worden onderscheiden op basis van het elektrolyt en de bedrijfstemperatuur, die op hun beurt de selectie van verschillende materialen en componenten zullen bepalen.
De principes van alle in de handel verkrijgbare typen elektrolysecellen worden weergegeven in figuur 6. Er bestaan veel variaties binnen elke technologie, waarbij de meest radicale verschillen verband houden met celontwerp, variatie binnen componenten en mate van technologische volwassenheid.
Vast oxide en anionenuitwisselingsmembraan (AEM) hebben een groot potentieel, maar zijn veel minder volwassen technologieën, met slechts een paar bedrijven en originele apparatuurfabrikanten (OEM's) die betrokken zijn bij de productie en commercialisering ervan. Deze zijn meestal gevestigd in Europa.
Er zijn vier soorten elektrolysers: Alkaline en polymeer elektrolytmembraan (PEM) zijn al commercieel, terwijl anionenuitwisselingsmembraan (AEM) en vast oxide, nu op laboratoriumschaal, een grote stap voorwaarts beloven
Figure 4, Verschillende soorten commercieel beschikbare elektrolysetechnologieën.
Tabel 2 vat de bedrijfsomstandigheden en de belangrijkste componenten voor de vier typen elektrolysers samen. De gekleurde cellen vertegenwoordigen omstandigheden of componenten met aanzienlijke variatie van verschillende fabrikanten of R&D-instellingen. In dit opzicht geeft het ook een beeld van de minder volwassen technologieën, wat duidelijk is voor de AEM- en vaste oxide-types.
Watergebruik voor groene waterstofproductie
De productie van groene waterstof gebruikt water als een belangrijke grondstof en hernieuwbare elektriciteit als energiebron om waterstof en zuurstof uit water te scheiden in een elektrolyser.Water, zo zuiver mogelijk, is daarom een belangrijke input. Hoewel het vereiste zuiverheidsniveau varieert afhankelijk van de technologie, zijn de kosten van waterzuivering marginaal, te beginnen met ontzilt zeewater (ruim onder USD 1/kubieke meter (m3) water). Onzuiverheden in het water zullen echter een grote impact hebben op de levensduur van de elektrolyser-stack, wat op zijn beurt de waterstofkosten kan beïnvloeden door de annuïteit van de elektrolyser in de kosten van waterstof te verhogen. Naast de ontziltingskosten, vereist de noodzaak van een waterbehandeling in de elektrolyser-stack extra kosten (bijv. deionisator). Deze kunnen mogelijk aanzienlijk worden, afhankelijk van het vereiste zuiverheidsniveau, maar hebben nog steeds een lage impact op de totale kosten van waterstof, aangezien ze over het algemeen rond de USD1/m3 blijven, of minder dan USD0,01/kg H2.
Watergebruik vormt geen belemmering voor opschaling van elektrolyse. Zelfs op plaatsen met waterstress kan ontzilting van zeewater worden gebruikt met beperkte boetes voor kosten of efficiëntie
Vanuit een puur, stoichiometrisch perspectief heeft 1 kg waterstof 9 kg water als input nodig. Vanwege enkele inefficiënties in het proces, kan de verhouding echter, rekening houdend met het proces van demineralisatie van water, met een typisch waterverbruik, variëren tussen 18 kg en 24 kg water per kilo waterstof. Het grootste waterverbruik is eigenlijk bovenstrooms en het hoogst wanneer de elektrolyser gekoppeld is aan PV. Het waterverbruik voor groene waterstof uit PV kan variëren tussen 22 en 126 kg water per kg waterstof, afhankelijk van de zonnestraling, levensduur en siliciumgehalte. De waterschaarste is zeer specifiek voor een regio, aangezien het watergebruik wordt vergeleken met de aanvulling van water in het gebied, dus lokale effectbeoordelingen zijn nodig wanneer er waterstof wordt geproduceerd in gebieden met waterschaarste. Een van de methoden om de impact van watergebruik op het middenniveau te beoordelen, is de Available WAter REmaining (AWARE)-methode die is ontwikkeld door een werkgroep van het UNEP-SETAC Life Cycle Initiative.
Voor wat betreft de impact van waterstofproductie op de waterbeschikbaarheid is dit duidelijk geen issue, zolang de aanname is dat ontzilt zeewater wordt gebruikt. Als zoetwater de voorkeurswaterbron is, kan een vergelijking worden gemaakt met het huidige zoetwaterverbruik voor thermische centrales. Rekening houdend met een zeer grote elektrolyser van 1 GW, die 8.000 uur per jaar met een efficiëntie van 75% werkt, zou de jaarlijkse waterstofproductie 0,15 miljoen ton waterstof en 3 miljoen ton water bedragen (uitgaande van 20 kg waterverbruik per kilo waterstof) . Dit komt overeen met het waterverbruik van een kleine stad (ongeveer 70 000 inwoners) met een verbruik van 45 m³ per inwoner. De aanvaardbaarheid hiervan zal afhangen van de beschikbaarheid van water op de locatie van de installatie, waarbij ontzilting een belangrijke optie blijft om deel uit te maken van het ontwerp van de installatie, vooral in gebieden met waterschaarste. De waterbron voor grootschalige waterstofproductie moet expliciet worden meegenomen in waterstofstrategieën, aangezien de volumes aanzienlijk kunnen zijn voor gebieden met waterschaarste. Ontzilting kan echter gezamenlijk worden ingezet voor de productie van waterstof en voor andere toepassingen (bijvoorbeeld menselijke consumptie en landbouw), waarbij de productie van waterstof helpt om de watervoorziening te vergroten door de inzet van multifunctionele ontziltingsinstallaties in gebieden met waterschaarste te stimuleren.
Voor de verwachte 19 exajoule (EJ) groene waterstof (ongeveer 160 megaton [Mt]) in het Transforming Energy Scenario van de IRENA Global Renewables Outlook, zouden we in 2050 ongeveer 3 miljard m3 water per jaar nodig hebben. Dit is 0,08% van de huidige wereldwijde consumptie van zoet water. Aangezien zoet water wordt gebruikt voor een groot aantal niet-energetische toepassingen (bijv. landbouw), is een betere vergelijking het huidige verbruik van thermo-elektrische centrales, dat aanzienlijk hoger is: bijvoorbeeld het geschatte waterverbruik van thermische centrales in de Verenigde Staten in het referentiegeval voor 2030 was 5,8 miljard m3. Zelfs voor ambitieuzere scenario's, waar decarbonisatie sneller is en waterstof een grotere rol speelt, zou de totale vraag naar water relatief klein zijn in vergelijking met het wereldwijde waterverbruik. Bovendien zal elke geproduceerde groene waterstof die in brandstofcellen wordt gebruikt voor transportdoeleinden, of uiteindelijk voor her-elektrificatie, ultrazuiver water produceren dat kan worden teruggewonnen waar economisch haalbaar, met name in stationaire toepassingen.
Productie van ultrazuiver water voor elektrolyservoedingswater voor groene waterstof