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. Voor het verduurzamen van onze gasvoorziening is waterstof een optie. 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. Bijna altijd gebeurt die met een chemische reactie in een reformer, waarbij stoom en methaan bij hoge temperatuur met elkaar reageren. Naast waterstof komt ook CO2 vrij. Jaarlijks is dat 900 miljoen ton.

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. Die vraag is beantwoord in een Engels en in een Frans rapport.

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 zou kunnen zijn. Om met fossiele brandstoffen te concurreren, mag de prijs van waterstof maximaal $ 0,90 per kg zijn. Dat bedrag is aan de lage kant, maar stamt waarschijnlijk nog uit de tijd, dat de gasprijs nog laag was. De vooruitzichten voor waterstofproductie met duurzame energiebronnen zijn, dat die prijs in 2030 tussen $ 2,14 en 2,71 per kg ligt en in 2050 tussen $ 0,73 en 1,64 per kg. Als de productie in afgelegen gebieden, zoals woestijnen plaatsvindt, dan komt daar $ 1,30 per kg bij voor het transport. Met een SMR kun je waterstof vlakbij de gebruiker, de industrie, maken. De Aziatische kerncentrales kunnen waterstof produceren met een kostprijs van $ 2 per kg. Met de nieuwe generatie geavanceerde modulaire kernreactoren, inclusief de bijbehorende fabrieksmatige bouwwijze, kunnen die productiekosten omlaag naar $ 1,10 per kg en door schaalvergroting vervolgens naar $ 0,90 per kg. Daarbij is verondersteld, dat de productie nog steeds 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. Waterstof kost op dit moment € 1,60 per kg. Kennelijk is gerekend met een vrij hoge gasprijs. Om met fossiele brandstof een CO2-emissie te vermijden is CCS nodig. Ofwel het afvangen van CO2 en de ondergrondse opslag ervan. De kostprijs van de waterstof zal daardoor toenemen tot meer dan € 2,00 per kg. 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. De kosten van de groene waterstof zijn op dit moment € 4,00 tot 6,00 per kg. De gele kost thans € 3,00 per kg. Om te kunnen concurreren met de grijze moet de prijs de komende jaren omlaag naar € 2,00 per kg. In de berekeningen van de kosten van groene en gele waterstof zit het investeringskostenbestanddeel van de dure elektrolyseapparatuur. Daardoor beïnvloedt het jaarlijks aantal bedrijfsuren van die apparatuur de kostprijs van de waterstof in hoge mate. De duurzame bronnen gebruiken de apparatuur gedurende 2000 tot 4000 uur per jaar. Met kernenergie is dat bijna 8000 uur. Een jaar telt 8760 uur.

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. In de maanden april en mei 2022 lag hij tussen $ 80 en $ 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.

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, die in de chemische industriële, alsook het transport over lange afstand en mogelijk zelfs de luchtvaart. Deze activiteiten zijn verantwoordelijk voor ongeveer 30% van de wereldwijde CO2-uitworp.

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. Op termijn zal wereldwijd 70 miljoen ton waterstof nodig zijn. Dus 1 miljoen windmolens of 560 000 km2 PV-panelen of 350 kerncentrales. Het Franse rapport stelt vast dat voor Frankrijk een viertal kerncentrales volstaat. Er draaien thans 450 kerncentrales op aarde, waaronder 56 eenheden in Frankrijk. De bevinding in het rapport is, dat kernenergie het tweevoudige voordeel heeft, dat het geen CO2 uitstoot en dat de productie regelbaar en voorspelbaar is. Net als waterkracht trouwens. Het Franse rapport laat de feiten spreken en die zijn pro kernenergie.

Meer informatie over kernenergie en waterstof, inclusief eventuele 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

°) Rapporttitel van Lucid Catalyst: Missing Link to a Livable Climate – How Hydrogen-Enabled Synthetic Fuels Can Help Deliver the Paris Goals
°°) Rapporttitel van OPECST: Les modes de production de l'hydrogène (n° 25 - avril 2021)
°°°) OPECST: Office Parlementaire d’Évaluation des Choix Scientifiques et Technologiques  (Parlementair bureau voor evaluatie van wetenschappelijke en technologische keuzemogelijkheden)

Nieuws
De regering ontvouwt haar uitbreidingsplannen kernenergie
maandag 04 juli 2022

De regering ontvouwt haar uitbreidingsplannen kernenergie

Minister Jetten van Klimaat en Energie stuurde op 1 juli 2022 een brief aan de Tweede Kamer, waarin hij de te nemen stap...
Lees verder
De regering reserveert 5 miljard euro voor de bouw van 2 kerncentrales
vrijdag 24 juni 2022

De regering reserveert 5 miljard euro voor de bouw van 2 kerncentrales

Minister Jetten van Klimaat en Energie heeft begin juni 2022 het “Ontwerp Beleidsprogramma Klimaat” naar de Kamer ge...
Lees verder