Waterstof uit kernenergie
Waterstof is het lichtste chemische element. Ook is het, net als elektriciteit, een energiedrager en geen energiebron. Je kunt het maken met elektriciteit of met een energiebron, zoals aardgas. Waterstof is een optie voor het verduurzamen van onze gasvoorziening. In dat geval moet je de waterstof produceren met behulp van elektrolyse met elektriciteit uit de duurzame energiebronnen zon en wind. Of uit kernenergie. Bij die elektrolyse loopt een elektrische stroom door een waterige oplossing, waardoor het water ontleedt in waterstof en zuurstof. Voor de bouw van een elektrolyse-installatie is een grote investering nodig. De eigenaar wil daarom het liefst die apparatuur continu gebruiken. Het omzettingsrendement is ongeveer 80% en voor een kilogram waterstof is ongeveer 50 kiloWattuur nodig. Jaarlijks bedraagt wereldwijd de productie van waterstof 90 miljoen ton. De productie is bijna altijd gebaseerd op een chemische reactie in een reformer, waarbij stoom en methaan bij hoge temperatuur met elkaar reageren. Naast waterstof komt ook CO2 vrij. Wereldwijd is dat 900 miljoen ton per jaar. De apparatuur met lage temperatuur elektrolyse is zover uitontwikkeld, dat ze binnen een jaar of vijf de gehele bestaande productie kan overnemen. Voor die 90 miljoen ton zou dan 4,5 PetaWattuur ofwel 4,5 biljoen kWh aan elektriciteit nodig zijn. Ter vergelijking: Dat is ongeveer gelijk aan de jaarlijkse stroomproductie van alle kerncentrales op aarde, ofwel twee derde deel van het elektriciteitsgebruik in Europa.
Uit het rapport, dat het adviesbureau eRisk Group °) maakte in opdracht van de provincie Zeeland blijkt dat een combinatie van duurzame energiebronnen, een SMR – een kleine kerncentrale – en een elektrolysefabriek, voordelen biedt ten opzichte van een systeem zonder SMR. Zo’n combinatie heet een hybride energiesysteem. Voor Nederland is zo’n combinatie nog een theoretische optie. Engeland maakte een concreet plan voor de bouw van zo’n hybride energiesysteem. Het Engelse Shearwater Ltd en het Amerikaanse NuScale Power LLC, ondertekenden in januari 2021 daartoe een Memorandum van Overeenstemming. Het doel is, dat het systeem met een vermogen van 1400 MWe al in 2027 gereed zal zijn. Daarna vindt stapsgewijze uitbreiding plaats naar 2000 MWe in 2030 en 3000 MWe in 2036. NuScale levert de kleine modulaire kerncentrale met kleine kernreactoren, SMRs.
De vraag is of en in hoeverre waterstof kan bijdragen aan het oplossen van ons klimaatprobleem. Met waterstof zijn tal van industriële processen zo in te richten, dat ze zonder CO2-emissie verlopen. Voorbeelden daarvan zijn de productie van ijzer, staal en andere metalen, die van cement. Voorts de processen in de chemische industriële, alsook het transport over lange afstand en mogelijk zelfs de luchtvaart. Al deze activiteiten zijn tezamen verantwoordelijk voor ongeveer 30% van de wereldwijde CO2-uitworp.
Het Engelse rapport is van het onderzoek– en adviesbureau Lucid Catalyst, dat vestigingen heeft in Londen en in Cambridge, Massachusetts, VS. Allereerst stelt het rapport °), dat de oplossing van het klimaatprobleem betaalbare waterstof kan zijn. Daarbij is verondersteld, dat de productie met elektrolyse gebeurt. De opstellers van het rapport verwachten, dat er op korte termijn grote waterstoffabrieken komen. Om te bereiken, dat waterstof uit kernenergie de fossiele brandstoffen in 2050 hebben verdrongen, is een investering nodig van $ 17 biljoen. Dat ligt onder het bedrag van $ 25 biljoen, dat aan investeringen nodig is om de productie van fossiele brandstoffen tot het jaar 2050 te waarborgen. En het is veel lager dan het bedrag van $ 70 biljoen, dat nodig is om die waterstof in woestijnen te maken met duurzame energiebronnen.
Het Franse rapport °) is opgesteld door het bureau OPECST °°). Het vertrekpunt is eveneens de huidige situatie, waarbij de waterstofproductie thans plaatsvindt met behulp van fossiele brandstof, waaronder aardgas. Van belang is, dat de Franse industrie over de kennis beschikt om waterstof op drie verschillende manieren te produceren met behulp van elektrolyse. Welke techniek op termijn het goedkoopste is en het beste omzettingsrendement heeft, zal de tijd leren. Elektrolyse vergt de inzet van elektriciteit. Groene waterstof kun je zonder CO2-emissie produceren met behulp van de duurzame energiebronnen wind en zon. Gele waterstof, ook zonder CO2-emissie, met kernenergie. Het rapport bevat ook cijfers over de productiekosten van waterstof. Het uitgangspunt is dat de duurzame bronnen de elektrolyseapparatuur gedurende 2000 tot 4000 uur per jaar gebruiken. Voor kernenergie is dat 8000 uur. Dat heeft grote invloed op de berekende productiekosten. Groene waterstof kost dan € 4,00 tot 6,00 per kilogram. Gele ongeveer € 3,00 per kg waterstof.
De vraag is ook of waterstof in vergelijking met aardgas commercieel wel aantrekkelijk is. De prijs van aardgas lag tot voor kort tussen $ 5 en $ 10 per MegaWattuur (MWh). De gasprijs is sinds het begin van de oorlog in Oekraïne fors gestegen. Na april 2022 ligt hij rond $ 100 per MWh. Het Internationaal Atoom Energie Agentschap (IAEA) deed onderzoek naar de goedkoopste methode om waterstof te produceren. De bevinding is, dat elektrolyse met elektriciteit, deels opgewekt met kernenergie en deels met duurzame energie, het meest economisch is. Bij een gasprijs tussen $ 35 en $ 50 per MWh zijn aardgas en waterstof in economisch opzicht ongeveer even aantrekkelijk. Boven $ 70 per MWh is waterstof in het voordeel.
Het Nucleair Energie Agentschap (NEA) publiceerde in september 2022 een rapport over de rol, die kernenergie speelt in de toekomstige waterstofeconomie °). Het bevat tevens de productie– en transportkosten van waterstof en het geeft inzicht in de mate, waarin kernenergie concurrerend is met andere productiemethoden. Er zijn drie fasen te onderscheiden om wereldwijd met elektrolyse waterstof zonder CO2-emissie te produceren. De komende periode tot 2030 kan de omschakeling plaatsvinden van methaan of aardgas naar elektriciteit, die zonder of met een heel kleine CO2-emissie is opgewekt. Na 2025 moet de productie fors omhoog, terwijl na 2035 de industrie en een deel van het transport grootschalig moeten overschakelen op waterstof. In 2050 moet het waterstofverbruik wereldwijd meer dan 500 miljoen ton zijn om klimaatneutraal te zijn. De energiebronnen, die in aanmerking komen voor waterstofproductie via elektrolyse, zijn zon, wind en kernenergie. Voor een min of meer continue productie is voor zon en wind elektriciteitsopslag nodig. Temeer omdat elektrolyseapparatuur een hoge investering vergt en derhalve veel uren per jaar moet draaien. Voor de kostenvergelijking zijn in de berekening de kosten voor elektriciteitsopslag en de extra kosten van de elektrische infrastructuur meegenomen. Net als de transportkosten van de waterstof als ze met zonne-energie in het Midden-Oosten is geproduceerd. Voor de productie met reformers zijn de kosten voor de ondergrondse CO2-opslag (CCS) in rekening gebracht. Voorts is uitgegaan van een hoge gasprijs, namelijk $ 100 per MWh. De aldus door NEA berekende leveringskosten voor waterstof, dat zijn de productiekosten plus die van de genoemde bestanddelen, komen uit op:
● $ 1,90 per kilogram waterstof voor kernenergie gemiddeld over de levensduur van de kerncentrale en $ 3,60 voor nieuw te bouwen kerncentrales;
● $ 3,50 per kg voor wind;
● $ 4,20 – 4,30 per kg voor zon in Europa en het Midden-Oosten;
● $ 8,60 per kilogram voor de productie uit methaan of aardgas met een reformer.
De opslag van waterstof kan plaatsvinden in de vorm van een metaalhydride, een chemische verbinding van een metaal met waterstof. Uraniumhydride, UH3, dat gebruik maakt van verarmd uranium is een geschikt metaal daarvoor.
Een innovatie zou zijn om waterstof niet met elektriciteit, uit een lichtwaterreactor (LWR), maar met warmte uit een Hoge Temperatuur Reactor (HTR) te maken. De waterstofproductie met elektrolyse bij lage temperatuur en met elektriciteit uit een LWR heeft, uitgaande van de warmteproductie in de reactorkern, een rendement van minder dan 30%. Bij hoge temperatuur elektrolyse (HTE) en de inzet van een HTR gaat dat rendement omhoog naar rond 50%. Zonder elektrolyse, maar met een thermochemisch proces in combinatie met een HTR is een soort chemisch kraken van water mogelijk vanaf een temperatuur van ongeveer 700 Celsius. Het bijbehorende omzettingsrendement kan nog iets hoger uitkomen dan dat van de HTE. Er bestaan tientallen van zulke thermochemische processen. Het mogelijke rendement is afhankelijk van het desbetreffende proces. Ruim 70% is wel het maximum. De HTR is nog niet op commerciële schaal beschikbaar en die katalytische kraakinstallatie ook niet. Het is een ontwikkeling, die zeker nog meer dan tien jaar op zich zal laten wachten, maar ze biedt wel hoop op een succesvolle oplossing van het klimaatprobleem op lange termijn. Japan en China hebben een prototype HTR in bedrijf. De VS heeft HTRs in ontwikkeling. Het rendement is echter niet maatgevend. Wel de kostprijs, de economie.
De doelstelling van de Europese Unie is om in 2024 een vermogen van 6 000 MegaWatt aan elektrolyseapparatuur te doen opstellen voor de productie van 1 miljoen ton waterstof. Daarvoor zouden 15 000 windmolens nodig zijn of een oppervlakte van 8 000 km2 voor PV-panelen. In plaats daarvan zouden ook vijf kerncentrales die hoeveelheid kunnen produceren. De doelstelling voor 2030 is 10 miljoen ton waterstof. Dus 150 000 windmolens of 80 000 km2 PV-panelen of 50 kerncentrales.
De bevinding, die uit de rapporten blijkt, is, dat kernenergie voordelen heeft ten opzichte van de duurzame bronnen, omdat de productie regelbaar en voorspelbaar is, zodat een grootschalig industrieel gebruik vanwege de noodzakelijke continue levering mogelijk is.
°) Meer informatie over kernenergie en waterstof, inclusief de onderliggende rapporten, is te vinden in de onderstaande KernVisie nieuwsberichten, door te klikken op de titel:
● Studie in opdracht van Zeeland naar de rol van kernenergie in Nederland van 22 december 2020;
● Engels plan voor combinatie windmolenpark en kleine kerncentrale van 2 februari 2021;
● Waterstof uit kernenergie is optie voor hoognodige vergaande CO2-reductie van 9 februari 2021;
● Frans parlementair bureau ziet voordelen kernenergie bij waterstofproductie van 8 juni 2021;
● IAEA ontwikkelt roadmap voor commerciële waterstofproductie met kernenergie van 6 juni 2022
● De rol van kernenergie in de toekomstige waterstofeconomie van 31 oktober 2022
● Verarmd uranium was afval maar is nu ook grondstof voor waterstofopslag van 12 december 2022
°°) OPECST: Office Parlementaire d’Évaluation des Choix Scientifiques et Technologiques (Parlementair bureau voor evaluatie van wetenschappelijke en technologische keuzemogelijkheden)
