Bij de pagina over de salderingsregeling staat uitgewerkt dat een batterij als stroomopslag volstrekt onbetaalbaar en onhaalbaar is. In dit artikel wordt ingegaan op waterstof als alternatief.
ELECTRICITEIT VAN ZONNEPANELEN OPSLAAN ALS WATERSTOF
Kun je onafhankelijk worden van het electriciteitsnet door alle Zonnestroom van zonnepanelen om te zetten in waterstof, op te slaan en weer om te zetten in stroom op het moment dat dat nodig is?
Of kun je de nadelen van de nieuwe salderingsregeling die in 2023 ingaat gedeeltelijk compenseren door waterstofomzetting en -opslag? Of kan het allebei?
En wat kost dat dan?
Dit artikel is een uitwerking van die vragen. Het duitse bedrijf Home Power Solutions (HPS) heeft daar inmiddels ook al een product voor ontwikkeld: de Picea (klik hier voor meer info). Als voorbeeld wordt hierna een huishouden gebruikt met een jaarverbruik van 5496 kWh en met 28 zonnepanelen die 7.490 kWh per jaar opwekken. De totale kosten van een systeem met waterstofopslag zijn tenminste 19.000 euro exclusief de kosten van de waterstof opslag zelf.
GEGEVENSANALYSE
In de tabel hieronder is te zien dat 91% (6840kWh) van de totale jaarlijkse opgewekte elektriciteit in de 7 zomermaanden maart t/m september wordt opgewekt. Het verbruik is ongeveer constant gedurende het jaar; gedurende de 7 zomermaanden wordt 61% (3332kWh) van het jaarverbruik gebruikt.
Gedurende de 7 zomermaanden is geen waterstof opslag nodig, want het opgewekte vermogen is in die maanden 3508kWh hoger dan het verbruik. Een batterij is voldoende als buffer om ’s avonds en op minder zonnige dagen de opgeslagen stroom te leveren. zie ook deze pagina.
Die 3508kWh overproductie kan omgezet worden in waterstof, netto blijft er dan 1578kWh (45%) over voor de wintermaanden. Door de omzetting gaat dus 55% van de energie verloren.
In de tabel hieronder is te zien dat het netto verbruik in de wintermaanden 1514kWh is. Dat is net iets minder dan de 1578 kWh die er netto als overschot beschikbaar is vanuit de zomermaanden. Dat betekent dat er het hele jaar geen elektriciteit meer uit het net nodig is, maar zelfs in de wintermaanden er voldoende energie beschikbaar is met waterstofopslag.
WATERSTOFOMZETTING
De wintermaanden vereisen 1514 kWh aan netto elektriciteit uit waterstof. De brandstofcel en compressor hebben een rendement van circa 68%, dus is 1514/68% = 2260kWh aan waterstof nodig. Waterstof heeft een energiedichtheid van 34.72 kWh/kg, dus is er 2260/34.72 = 64kg waterstof nodig. Dat is bij kamertemperatuur zo’n 0.77 mln liter.
Er is theoretisch 592 liter gedestilleerd zuiver water nodig voor het maken van de 0,77 miljoen liter waterstof. In de praktijk wat meer; ruim 600 liter. De electrolyser heeft een rendement van 85%, dat betekent dat er niet 2260kWh maar 2623kWh aan vermogen nodig is om de 770 m3 waterstof te maken. Ook de batterij verliest nog 5%, dus uiteindelijk moeten de zonnepanelen 2623/97%=2763kWh aan elektrische energie leveren. Het rendement van de hele keten is daarmee 1514kWh/2760kWh = 55%. Zie de figuur hieronder en de tabel met de kengetallen die gebruikt zijn.
.
TECHNISCH CONCEPT
Het technisch concept ziet er uit zoals in onderstaande figuur:
De 2761kWh overschot aan elektrische energie die de zonnepanelen opwekken in de zomer wordt eerst opgeslagen in een batterij. Dat is dezelfde batterij die in de zomer ook gebruikt wordt om ’s avonds en als de zon niet schijnt stroom te leveren zodat de nieuwe salderingsregeling geen geld kost. Doordat de batterij als buffer gebruikt wordt is er geen zware hoogvermogen elektrolyser nodig, dat scheelt in de kosten. De elektrolyser haalt de elektriciteit uit de batterij en zet die om naar waterstof die onder druk wordt opgeslagen. De brandstofcel (fuel cell) zorgt er voor dat de batterij ook in de winter opgeladen blijft.
Dimensionering en kosten
De belangrijkste componenten zijn
– de batterij (die heeft een capaciteit van 14kWh)
– de elektrolyser
– de compressor
– de opslag
– de brandstofcel.
Wat moet de grootte/capaciteit zijn van die componenten? Dat is hieronder uitgewerkt.
De Batterij
De batterij kan bijvoorbeeld een Tesla Powerwall model 2 zijn van ca. 8.000,- euro, 10 jaar garantie. Als hij na 10 jaar ook stuk gaat zijn de kosten dus 800,- per jaar.
De elektrolyser
capaciteit 1: het vereiste elektrische vermogen
Op een piekdag wekken de 28 zonnepanelen 7,5 kW aan vermogen op op een piekmoment (13:00), en gedurende de hele dag 59kWh aan energie. Zie de figuur hieronder.
Die 59kWh wordt voor een deel in de batterij opgeslagen en moet in 24 uur omgezet zijn in waterstof, dat is gemiddeld 2.5 kWh per uur, dus de electrolyser moet 2.5kW aan vermogen hebben. Helaas is dat nog niet voldoende want die 59kWh wordt niet evenredig gedurende de dag opgewekt, zie de figuur hieronder. In de figuur staat het verloop van de energie in Wh per kwartier voor 28 zonnepanelen die 7.500W op het piekmoment opwekken, (in totaal 59kWh op één dag), de lading van een batterij van 13kWh, en de lading die door de electrolyser per kwartier wordt omgezet in waterstof.
Om te voorkomen dat de batterij zijn maximum lading van 13kWh overschrijdt en we de opgewekte zonnestroom dus niet kunnen opslaan, is een electrolyser nodig met een vermogen van 4.400W (=1075Wh per kwartier, de rode lijn in de grafiek). Een twee keer zo grote battterij (26kWh) vereist een electrolyser van 2700W.
Een kleinere (=goedkopere) batterij vereist een grotere (=duurdere) electrolyser, en omgekeerd. De meest economische combinate wordt bepaald door de prijs per Wh van de electrolyser en batterij.
capaciteit 2: de vereiste productie van waterstof.
Voor de wintermaanden is 0.96 miljoen liter (960 m3) waterstof nodig, die in de 7 zomermaanden geproduceerd moet worden. Die 7 maanden zijn 302.000 minuten. Dat betekent dat er minstens 3 liter waterstof per minuut geproduceerd moet worden om op tijd 0.96 mln liter te hebben. De electrolyser moet dus een capaciteit van tenminste 3 L/min hebben. Die 3 liter staat gelijk aan 32kJ/min, ofwel 0,54kWh/uur. Stel dat het rendement van de electrolyser 75% is, dan moet de electrolyser minstens 0.71kWh/uur omzetten naar waterstof, en dus een vermogen van minstens 710W hebben. Dat is veel minder dan de 4400 W die nodig is om de overtollige zonnestroom van de zonnepanelen op zomerse dagen om te zetten. De bepalende factor voor het vermogen van de electrolyser is dus die 4400W en niet de 710W.
De Kosten van de electrolyser
In ons voorbeeld is 770 m3 in totaal nodig die in de 7 zomermaanden gemaakt moet worden. Die 7 zomermaanden tellen 7x30x24 =5040 uur, dus zou de electrolyser 770/5040 = 0.15 m3 per uur = 3,7 m3 per dag ofwel 0,29kg/dag moeten produceren.
Op de website van enapter is te zien dat hun standaard product de EL2.1 electrolyser 1m3 per dag kan produceren. Dat is dus meer dan voldoende. Deze unit kost $9.000,- (7.500,- euro) per stuk en gaat 30.000 uur mee en produceert dus tijdens zijn levensduur 30.000 m3 waterstof. Een 1m3 waterstof kost daarmee 0,25 euro. We hebben per jaar 770m3 nodig, dat kost dus 770 * 0,25 = 192 euro voor1514kWh; dat is 0,13 euro per kWh.
Deze unit gebruikt 4,8kWh per m3 waterstof; voor 770 m3 waterstof is dus 2.623 kWh aan electriciteit nodig.
De brandstofcel
De brandstofcel moet in de vier wintermaanden 1514 kWh produceren; dat is 13kWh per dag, ofwel 0,53kWh per uur. Dus moet het vermogen minimaal 0,53kW = 530W zijn. Een fuel cell van bijvoorbeeld 600W kost circa 4.000,- euro.
Opslag van waterstof
Een betaalbare en praktisch werkbare geautomatiseerde opslag van waterstof is de grootste uitdaging. Er bestaat nog geen goede oplossing voor onze toepassing voor een particulier huishouden.
De 62kg waterstof die nodig is zou in normale drukcylinders opgeslagen kunnen worden. De firma NPROXX bijvoorbeeld levert carbon drukvaten die 6,2kg waterstof per stuk onder 500bar druk kunnen bevatten; daar zouden er dus 10 van nodig zijn.
Metaalhydride
Stel we gebruiken een zeer compacte opslagmethode met metaalhydride opslagcylinders, bijvoorbeeld de MyH2 3000 opslagcyilinder:
Deze methode is heel compact, als we de cylinders tot 2 meter hoogte opstapelen (13 stuks in één kolom), dan is er slechts 1 m2 vloeroppervlak nodig. De 417 cylinders bij elkaar nemen 4 m3 in beslag. Maar deze methode is nog veel kostbaarder dan de 100 Tesla batterijen die eerder berekend waren, en volstrekt onbetaalbaar. Bovendien wegen de cylinders 22kg per stuk, bij elkaar zouden ze 9000 kg wegen.
Opslaan onder hoge druk in gewone cylinders
In onderstaande grafiek is te zien dat waterstof bij kamertemperatuur en 300bar 20kg/m3 in beslag neemt. Bij 700 bar wordt dat 40kg/m3. De 76kg die we nodig hebben voor de winter zou dus idealiter respectievelijk 4 of 2 m3 in beslag nemen bij 300 en 700bar.
In de praktijk is het volume veel groter: zie de figuur hieronder:
Bij het huren van deze cylinders zou dat voor 1514kWh in totaal 180 tot 200 cylinders vereisen en 9.590,- euro kosten en 10 m3 in beslag nemen bij een druk in de cylinders van 300bar. Bij een druk van 700 bar daalt dat met de helft tot ca. 5 m3.
BOORHYDRIDE als opslagmethode van waterstof
- Het poeder is natriumboorhydride (NaBH4);
- Natriumboorhydride bevat per molecuul 4 waterstofatomen (4H);
- Water (H2O) bevat per 2 moleculen ook 4 waterstofatomen (2H2);
- Ultra puur water is water waaruit alle verstorende elementen zijn gefilterd;
- Een deel van het benodigde water komt uit de brandstofcel en wordt gefilterd;
- Alle basisstoffen en filterinstallaties zijn commercieel verkrijgbaar;
- 1 m3 poeder bevat 9 MWh aan energie; voor ons doel (1500kWh = 1,5 MWh) is dus slechts 0,17 m3 = 166 Liter poeder nodig.
MIERENZUUR ofwel HYDROZINE ALS OPSLAGMEDIUM
De firma DENS heeft een aggregaat op hydrozine (mierenzuur, HCOOH) ontwikkeld dat 20kW nominaal kan leveren en 37L/h aan hydrozine gebruikt uit een tank van maximaal 6000L (standaard 1000L). En bovendien standaard een 60kWh buffer-accu aan boord heeft. Hydrozine bevat bij 1 bar en normale temperatuur 53gram waterstof per liter (=1,84kWh/L , vergelijkbaar met waterstof bij 700Bar, voor benzine bij 1 bar is dat ruim 4x zoveel nl. 9kWh/L); de tank kan dus maar liefst 210kg waterstof bevatten (met 1000L tank 35kg).
Het systeem gebruikt 37L/h = 1,96kg waterstof/h = 68kWh aan energie. Daarvan wordt kennelijk 20kWh netto geleverd, dus de efficiency is 32%. Dat is laag. Bovendien kost ook de aanmaak van hydrozine nog energie, dus het totale rendement zal nog veel lager zijn dan 32%. Methanol (CH3OH) kan op soortgelijke wijze als mierenzuur gemaakt worden en heeft een veel betere energiedichtheid ( 4,4-5kWh/L), maar methanol is weer erg brandbaar.
weblinks:
– nederlandse fuel cells : https://www.h2planet.eu/nl/products/professional/Hydrogenfuelcellgenerators
– fuel cell store
https://www.deingenieur.nl/artikel/test-met-tankbare-waterstof
https://h2-fuel.nl/werking-van-h2fuel/
https://www.staad-groep.nl/nieuws/wat-is-hydrozine/
artikel “intelligent transport”; bus op hydrozine/mierenzuur
https://pv-magazine-usa.com/2020/
https://energies.airliquide.com/resources-planet-hydrogen/how-hydrogen-stored