Waterstof

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. Als voorbeeld wordt een huishouden gebruikt met een jaarverbruik van 5496 kWh en met 28 zonnepanelen die 7.490 kWh per jaar opwekken.

In de tabel hieronder is te zien dat 91% (6840kWh) van de 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 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 batterij hebben een rendement van circa 57%, dus 1514/57% = 2656kWh aan waterstof nodig. Waterstof heeft een energiedichtheid van 34.72 kWh/kg, dus is er 2656/34.72 = 76kg waterstof nodig. Dat is bij kamertemperatuur zo’n 0.96 mln liter.

Er is 695 liter gedestilleerd zuiver water nodig voor het maken van de 1 miljoen liter waterstof. Voor de berekening zijn de volgende kengetallen van waterstof gebruikt:

.

TECHNISCH CONCEPT

Het technisch concept ziet er uit zoals in onderstaande figuur:

De 3500kWh 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

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 elektrolyser

capaciteit 1: elektrisch 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, 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 Productie van waterstof.

Voor de wintermaanden is 0.96 miljoen liter 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 om te zetten. De bepalende factor voor het vermogen van de electrolyser is dus die 4400W en niet de 710W.

Opslag van waterstof

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.

weblinks:
nederlandse fuel cells : https://www.h2planet.eu/nl/products/professional/Hydrogenfuelcellgenerators
fuel cell store

https://www.installatieprofs.nl/nieuws/duurzame-energie/energieopslag/duurzame-drentse-aannemer-bouwt-woningen-met-eigen-waterstofopslag