Het wonder van waterstof 1: vragen

Serendipiteit bestaat. Afgelopen donderdag bedacht ik dat het leuk zou zijn om de lezers niet te laten reageren, maar proageren. D.w.z dat de lezers eigenlijk de post schrijven, althans de gegevens ervoor ophoesten. Blijkt Steeph net een post geplaatst te hebben waarin hij de lezers vraagt toepassingen van olie op te hoesten: wonderlijk toeval of toevallige wonderlijkheid?

De lezers uitnodigen om gegevens op te zoeken, dat lijkt op luiheid, waarvan ik niet gespeend ben, maar het is slimheid. Want wat je ook schrijft, er zijn altijd reaguurders die het beter weten. Het spaart dus veel van onze kostbare tijd als we direct kennis kunnen nemen van de ware feiten.

Het onderwerp is de volgens velen op handen zijnde waterstofeconomie. Het idee daarachter is werkelijk glorieus. Met hernieuwbare energie zoals wind-, waterkracht- en zonne-energie, maken we uit water waterstof. Die waterstof leiden we door een zogenaamde brandstofcel die elektriciteit opwekt door het waterstof te binden aan zuurstof, zodat er schoon water overblijft. Met die elektriciteit drijven we een voertuig aan, laten we ons hier beperken tot de auto, daar zijn er lekker veel van. Een droom mooier en realistischer dan kernfusie.

Maar kan het gaan werken op de schaal van het huidige olieverbruik? Daarvoor moeten we wat reken- en onderzoekswerk doen. En dat is dan de vraag aan de lezers. Willen jullie een of meer van de volgende vragen proberen te beantwoorden. In een vervolgaflevering van Het Wonder Van Waterstof zal ik jullie bevindingen dan trachten weer te geven op een dusdanig samenhangende wijze dat er een beeld van de toekomst ontstaat.

De vragen zijn:

1) Hoeveel olie verbruiken de auto’s op aarde nu per jaar? Probeer vrachtauto’s en bussen mee te tellen, als je daar gegevens over kunt vinden.

2) Wat is de energetische inhoud van waterstof? Hoeveel kilo waterstof heb je nodig om met een voertuig hetzelfde te bereiken als met 1 liter olie?

3) Hoeveel kg waterstof hebben we dan per jaar nodig?

4) Hoeveel elektrisch vermogen hebben we nodig om die jaarproductie te halen?

5) Omgerekend naar windenergie, hoeveel windmolens van 5 MW (van die grote) hebben we dan nodig?

Na vraag 5 heb je misschien een vermoeden dat mij visioenen van een aarde overdekt met windmolens door de geest zweven. Dat is inderdaad zo, maar is het terecht? Dat moeten we samen uit zien te vinden. Geef interessante sites door. Vat de tussenstand samen. Ik zal zelf ook op zoek gaan. Maar wees gewaarschuwd. De laatste keer dat ik dit probeerde kon ik het aantal voertuigen in 1999 achterhalen en het verbruik in 2004. Het zal dus niet simpel zijn. Aan de slag.

Voor alle zekerheid, ik ben Ippekrites, maar dit is toch een serieus onderwerp. En het gaat om absolute getallen, niet om geneuzel over voor- en nadelen. Ik heb tot nu toe niet eens kunnen vinden hoeveel liter olie we op dit moment per jaar verbruiken door met auto’s rond te rijden.

  1. 1

    @2

    volgens wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen) komt bij de verbranding van waterstof 286 kJ/mol vrij. Het gewicht van waterstof is 1,0 gram per mol, dus 1 kg waterstof is 1000 mol.
    Bij de verbranding komt dus 286 MJ per kilo vrij.

    2,2,4-trimethylpentane (iso-octaan) http://en.wikipedia.org/wiki/2%2C2%2C4-trimethylpentane voor zover ik het kan overzien het belangrijkste bestanddeel van benzine,
    verbrandt met 5461 kJ/mol, maar daar weegt een mol 114,22 g van.
    Een kilo van die meuk verbranden levert dus 47,8 MJ per kilo op.
    Aangezien een liter 688 gram weegt, zit in een liter 32,8 MJ energie.

    Als de verbranding verder even efficient verloopt kom je met een kilo waterstof dus 8 x zo ver als een liter benzine.
    Maar goed, de vraag is natuurlijk hoeveel liter een kilo waterstof is.
    Hier moet je echter al wat mee kunnen lijkt me.
    Alle info voor de berekeningen komt van wikipedia.

  2. 2

    Ik weet het, ik val in herhaling want ik heb dit hier al minstens 100 keer geroepen, maar een waterstof energie-infrastructuur is dermate duur en inefficient dat het gewoon een ronduit belachelijk idee

    http://www.physorg.com/news85074285.html

    Niet dat je met genoeg subsidie niet ieder belachelijk idee van de grond krijgt…

  3. 3

    Mooi en zeer interessant initiatief Ippekrites. Ik (als de tijd het toe laat) ga zeker proberen een steentje bij te dragen alhoewel de abjecte tegenstanders (zie treurneus zmc) van de waterstofeconomie als vliegen op de stront zullen trachten dit karretje in de poep te rijden. Maar je vraagt nogal wat (waar we hier dus ook niet uit zullen komen)

    Desalniettemin hoe-dan-ook: Let the games begin.

  4. 5

    @Yevgeny Podorkin, #2: In plaats van mij een treurneus te noemen zou u natuurlijk ook een poging kunnen doen om de argumenten op de link die ik noemde te weerleggen zodat we ook nog daadwerkelijk ergens komen… het is maar een idee.

    Overigens ben ik evenmin een abjecte tegenstander als uberhaupt een tegenstander van de waterstofeconomie. Maar ik ben wel tegenstander van het verspillen van mijn belastinggeld aan subsidie voor een futiel project. Verder mag iedereen zelf weten hoe hij zijn geld weggooit.

  5. 7

    Wat gebeurt hier nou in godsnaam? Er wordt een reactie (nu #1) aan het begin ingevoegd die een reactie is op een latere reactie (#2)?! En dat terwijl de auteur van reactie #1 niet eens de moeite heeft genomen om #2 te lezen. #5 was dus een reactie op wat nu #3 is maar wat eerst #1 was.

  6. 10

    Ai, kijk naar de vragen en: vraag 1??, vraag2a zou kunnen, 2b?, en vragen 3,4, en 5 borduren daarop voort? Lastig, en niets is onmogelijk maar ik zit bijkans te wippen op m’n stoel of hier sluitende resultaten op volgen…

  7. 11

    @Lord Flasheart, (@1) niet te verwarren met @ vraag 2 ;-).

    Er zit een kleine rekenfout in je berekening. Je hanteert namelijk het molaire gewicht van van het atoom waterstof (H) 1 gram per mol. Maar je hebt het over het molecuul (H2) bij de berekening van de verbranding.

    2 H2(g) + O2(g) => 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[11]

    Oftewel de energie in 1 kilo waterstof is gelijk aan 140 MJ/kg. Bij gelijkblijvende aannames komt dit dus op 4 x zo ver als met benzine.

  8. 15

    De vraag is of het wel waterstof wordt: http://www.technologyreview.com/Energy/20813/

    Bovendien is zonne-energie waarschijnlijker dan windenergie: http://www.technologyreview.com/Biztech/20737/
    Dit is slechts een van de vele gigantische rendement- en prijs verbeteringen die voor zonne-energie worden gedaan. (ik weet alleen niet in hoeverre dit geintegreerd kan worden.)
    http://www.technologyreview.com/special/solar/
    http://www.tnw.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=57a34f6f-02a2-4b5e-a2e7-cd79fe17d294&lang=en
    Windenergie aan de andere kant doet volgens mij niet zo heel veel, qua ontwikkeling, de laatste tijd.

    Bij zonne-energie zal je ook veel meer opslag nodig hebben. Het is tenslotte veel efficienter om het in de woestijn op te wekken en de zon schijnt alleen overdag. (ik denk niet dat we elektriciteit over de hele wereld gaan verplaatsen) Bij windenergie kan je deze problemen veel beter opvangen door een groot netwerk op te zetten.

  9. 16

    Ben niet zo technisch maar dit lijkt mij de oplossing:

    BlackLight Power (BLP) heeft een nieuwe primaire energiebron – het BlackLight-proces – uitgevonden met toepassingen voor verwarming, decentrale krachtopwekking, centrale krachtopwekking, en drijfkracht op basis van een nieuw chemisch proces waarbij de latente energie van het waterstofatoom wordt vrijgemaakt. Het bedrijf heeft met succes een prototype van een krachtcentrale ontwikkeld welke 50.000 Watt aan thermische energie op aanvraag genereert.

  10. 19

    zucht, de spamfilter… Mijn uitgebreidere antwoord zit vast, maar ik verzeker je dat een lagere energietoestand van waterstof electronen niet mogelijk is en dat een “GUT of classical physics” alleen maar de wetten van newton kunnen zijn. Met classical physics kan je helemaal niks op het niveau van electronen.

  11. 21

    Mogge. Zo. Weer lekker uitgeslapen dus laat ik mezelf eens met een wat positievere insteek in de discussie plaatsen:-)

    @Ippekrites: Je noemt waterstof een wonder en ik begrijp niet helemaal waarom. Het is just another energiedrager, wel de energiedrager met de hoogste energiedichtheid per kilo, maar gezien de lage dichtheid van waterstof is dat afgezien van de ruimtevaart nogal irrelevant.

    Ik zie zelf bijvoorbeeld veel meer heil in elektriciteit en accu’s of hypercondensators voor het wat duurdere segment en perslucht waar dat mogelijk is aangeziend daarmee een aanmerkelijk efficientere keten is op te zetten op basis van precies diezelfde duurzame energiebronnen die jij graag voor waterstofproductie, compressie en transport wil gebruiken. Bovendien is voor waterstof een totaal nieuwe infrastructuur nodig; waterstof valt zo door bestaande pijpleidingen en tanks heen en zonder actieve koeling kookt je tank in een paar dagen over. Zie ook deze link voor wat na tientallen jaren research nog steeds onopgeloste en zeer belangrijke problemen:

    https://sargasso.nl/archief/2006/11/14/testrit-bmws-hydrogen-7/

    Dus misschien kun je me kort uitleggen waarom je op waterstof aanstuurt? Ik vind dit namelijk nogal een belangrijk vraagstuk aangezien onze overheid daar ook op aanstuurt en daar allerlei belastinggeld heenstuurt zonder dat duidelijk is waarom men waterstof nou zo’n goed idee vind terwijl het altijd aanmerkelijk duurder zal zijn dan haar grootste concurrent: elektriciteit.

  12. 24

    @21 Waarom? Tja, daar valt op zich weer zo veel over te vertellen, dat ga ik hier niet doen. Maar wel is het grote voordeel van waterstof dat het analoog werkt aan olie (portabiliteit van de energiedrager), geen directe vervuiling met zich meebrengt en hernieuwbaar is. Ik beweer echter helemaal niet een voorstander te zijn van waterstof. Sterker nog, ik vraag me af of een volledige waterstofeconoie wel mogelijk is. Maar zonder cijfers weet je niks. Dus als je echt een bijdrage wilt leveren ga dan eens op zoek naar cijfers.

  13. 25

    @ 1, 11, 12 Vraag 2
    Moet ik uit het verhaal tot nu toe de conclusie trekken dat je 250 gram waterstof per liter olie nodig hebt? Gaarne nog even over doordenken c.q. verder spitten, dan hebben we misschien al één antwoord te pakken.

  14. 26

    @21 En dan dat verhaal van BMW. Te zielig voor woorden om waterstof te gaan verstoken in een klassieke verbrandingsmotor. Zulke projecten doen me vrezen dat de Duitse autoindustrie over 10 jaar weggevaagd wordt door China.

  15. 27

    @Ippekrites, #24: Ik wilde me wat cijferbijdrage betreft even beperken tot de efficientieanalyse op de link in #2. Mijns inziens is dat de belangrijkste beperkende factor en zijn dat de interessantste cijfers.

    @Ippekrites, #25: Je vergelijkt liters met kilos, dat is lastig:-) 3.05 kilo benzine is qua energiedichtheid vergelijkbaar met 1 kilo vloeibare waterstof. Voor autos is het gewicht echter niet de beperkende factor in deze maar vooral het volume. En dat pakt wat minder mooi uit.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

    @Ippekrites, #26: Het waterstof-in-verbrandingsmotor idee is inderdaad stom, maar daar doelde ik ook niet op met mijn link naar het BMW-artikel. Wat ik vooral interessant vond zijn de problemen met het opslaan van waterstof; dat is een techniek waar we al ruim een halve eeuw druk mee zijn (zie o.a. NASA maar ook de oorspronkelijke ontwikkeling van de SR-71 Blackbird) en die BMW-tank is zo’n beetje het beste wat we tot nu toe hebben kunnen bereiken maar dat is nog volstrekt onacceptabel. Precies hetzelfde probleem zal zich voordoen bij tankstations, in pijpleidingen en zo’n beetje overal in de infrastructuur.

  16. 28

    Opzetje antwoord vraag 1:
    Wereldwijd nog niet kunnen achterhalen, voor Nederland wel via het CBS
    Dat is iig een begin.
    Volgens mij hebben we met de onderstaande gegevens de hoeveelheid olie en aantal auto’s niet nodig, ervan uitgaande dat ander verbuik dan vervoer niet significant is.

    In 2006 geleverd in Nederland

    5.562.771.000 liter Motorbenzine
    9.316.719.000 liter Gas- en dieselolie
    277.711.000 kg LPG

    Benzine: 32 MJ/liter
    Diesel: 38,6 MJ/liter
    LPG: 45,20 MJ/kg
    Liquid H2: 8,4 MJ/liter
    1kWh =3,6 MJ
    (Bron en Bron)

    Eerst even de honden uitlaten, dan eens verder gaan zoeken :-)

  17. 29

    Ik denk dat mn vorige reactie in t spamfilter vast zit.
    Wat NL betreft nog dit gevonden. (PDF alert)
    Zie pagina 16:

    “Alleen al voor het wegvervoer is nodig :
    Personen en vrachtverkeer: 230 PJ*

  18. 30

    Als ik met mijn gegevens van #28 reken kom ik op 550 PJ uit
    Volgens ECN (#29) zou dit 230 PJ zijn.

    CBS: 550 PJ =65.498.400.310 liter LH2 = 3.667.910.417
    kg =153 PWh
    ECN: 230 PJ =27.380.952.381 liter LH2 =1.533.333.333
    kg =64 PWh

    5MW turbine levert ongeveer 15000000 kWh/ jaar.
    (Zwaar afhankelijk van de locatie, maar goed je moet ergens mee rekenen.)

    CBS: 10.190 Windturbines
    ECN: 4.260 Windturbines

    *oeps*
    En dan ben ik nog het omzetverlies electriciteit -> H2 -> Electriciteit nog vergeten.
    *kuch*
    Dit was Nederland, wie o wie doet de rest van de wereld? ;-)

  19. 31

    @Lachesis.
    Wauw, indrukwekkend staaltje rekenwerk. Vind je het goed dat ik van het ongunstigste geval uitga (CBS). Dan hoeven we verder geen rekening te houden met alle, volgens mij niet onaanzienlijke omzettingsverliezen.
    Er is dan afgerond 150 PWh nodig. Daarvoor zou je dan pakweg 10.000 van die grote windmolens extra nodig hebben. Of reken ik nu te simpel?

  20. 32

    Als je daar het conversieverlies bij rekent (ongeveer een factor 4 voor de optimisten), kom je dus op 40000 van die windmolens.

    Maar! In de berekeningen werd uitgegaan van een 100% efficientie van de verbrandingsmotor maar dat is eerder gemiddeld 25% ofzo (tot dik 40% voor motoren die continu op het ideale toerental draaien zoals in hybride autos). Het energieverlies in een verbrandingsmotor is dus ongeveer gelijk aan het energieverlies in de waterstofconversie dus dan kom je alsnog op 10000 windmolens oftewel 1 per 4km2 Nederland. Of bijvoorbeeld 1 per 20 meter kustlijn.

  21. 33

    @Ippekrites:
    Dank.
    Neuh, volgens mij reken je niet te simpel. Ik kon niet zo snel omzetverlies vinden, maar mij stond iets bij van dat je uiteindelijk weer 50% elect. terug krijgt en de rest wordt omgezet in warmte.(kun je met WKK ook wel weer wat mee)

    Investeringskosten alleen al de Windturbines:
    60 miljard euro op land (€1.200,00 per kW)
    105 miljard euro off-shore (€2.100,00 per kW)
    Bron

    BTW
    Voor #15 @Tim:
    Zonne-energie ongeveer in NL:
    1 kWp = 0,7 m2 =850 kWh/j
    Uitgaande van CBS kom je op 18 miljoen hectare uit (Of zit ik er een nulletje naast…hmh, geloof dat t klopt.;-))

    Ik denk toch dat we ook 2de en later 3de generatie biobrandstof nodig zullen hebben.
    (Oeps, sorry, mochten het niet over de haalbaarheid hebben)

  22. 34

    @zmc
    Das een goede. die efficiëntie was ik nog vergeten. Scheelt toch weer een factor 4 aan turbines.

    Is de effiëntie van een brandstofcel op dit moment echt nog zo slecht? hmh.
    Maar goed wat je al aangeeft, verbrandingsmotor is ongeveer het zelfde, dan gaan we er iig niet op achteruit.

  23. 35

    @Lachesis, #34: Nee, de efficientie van een brandstofcel is ongeveer 90% of meer. Het probleem zit hem in het transport; zie mijn link in #2, daarin wordt de efficientie van iedere stap in het proces duidelijk uitgedrukt (en vergeleken met elektrische auto’s op accus).

    In die keten zijn overigens de onvermijdelijke fysieke transportverliezen niet meegerekend; waterstof zal onherroeppelijk uit vaten, tanks en pijpleidingen sijpelen. Wat ook niet meegerekend wordt, zijn de energiekosten voor de koelinstallaties die nodig zijn om te voorkomen dat de vloeibare waterstof gaat koken.

    Qua vergelijking met de verbrandingsmotor zal waterstof milieutechnisch dus prima kunnen concurreren met niet-al-te moderne motoren mits de waterstof uit duurzame energie wordt opgewekt. De strijd met hybrides wordt milieutechnisch al lastig en de strijd met elektrische autos is kostentechnisch bij voorbaat al verloren.

  24. 36

    Die laatste alinea ging in de soep; waar ik zeg “milieutechnisch” bedoel ik “qua energie-efficientie”, want je kunt natuurlijk geen appels met peren vergelijken.

  25. 37

    Shit, heb ik een rekenfout gemaakt? Een 5MW turbine levert pakweg 15 GWh/jr. En er is 150 PWh nodig? Peta toch? 7 nullen meer dus dan 15 Giga. Dan zijn er 10 miljoen van die molens nodig. Dat kan toch niet kloppen? Wie rekent het nog eens na, want mijn kennis van al die vermogens is aardig weggezakt.

  26. 38

    Ok, vooruit.

    CBS zegt: 489 petajoule aardolieproducten voor transport oftewel 135833 miljoen kilowattuur per jaar (2007)

    Lachesis zegt: 5MW molen levert 15000000 kilowattuur per jaar en dat lijkt me juist.

    135833 miljoen kwh / 15000000 kwh = 9055 windturbines

    Uw initiele calculatie was correct. Ik heb nu wel luchtvaart, scheepvaart en uw elektrische grasmaaier meegerekend dus het valt nog wat lager uit, bovendien kun je met een elektrische auto op veel eenvoudigere wijze dan met een verbrandingsmotorauto energie besparen en terugwinnen. Tel daarbij de mate waarin de rijstijl de efficientie van verbrandingsmotoren beinvloed en trek de luchtvaart en scheepvaart er met een natte vinger weer vanaf en u kunt toe met een stuk of 5000 5MW molens. Maar dan moet wel eerst iemand een waterstofdicht materiaal uitvinden en bedenken hoe we al die waterstof gaan koelen.

    Bovendien, als je die elektriciteit uit die windmolens direct in accu’s stopt in plaats van er eerst waterstof van te maken, heb je ineens nog maar iets meer dan 1000 van die windmolens nodig. Wellicht dat u nu begrijpt waarom ik geen heil zie in een waterstof-economie:-)