Geenstijl

GeenStijl ontving een wetenschappelijk geschreven klimaat-betoog in vijf delen. Dit is deel 4. Deel 1 staat hier, deel 2 daar, deel 3 hier.

De machine die elektriciteit in waterstof kan omzetten is al op de markt – de Siemens Silyzer 300 (36) kost per geproduceerde kWh in waterstof € 0,0147 aan machinekosten plus 1,38 kWh aan elektriciteit (37), zie berekening 6. Uitgaande van de laagste prijs in de Lazard tabel, $ 26 per MWh voor windenergie komt dit neer op € 0,0452 per kWh in geproduceerd waterstof. Ditzelfde kan gedaan worden voor alle prijzen in de tabel die betrekking hebben op CO₂-vrije energie. Geothermische energie en kernenergie hoeven niet omgezet te worden in gas want die zijn al stabiel:

Het is ook belangrijk om in te schatten hoe deze prijzen in de toekomst waarschijnlijk zullen veranderen. Technologie heeft sterk de neiging om steeds goedkoper te worden, tot die technologie tegen fundamentele grenzen aanloopt. Om deze veranderlijkheid te analyseren wordt er in eerste instantie naar het recente verleden gekeken en trekt men de gevonden trend door naar de nabije toekomst. Hieronder volgt een uitsnede uit het Lazard rapport van 2014 (31):

Om de getallen te kunnen vergelijken zijn ze hieronder samengebracht in één tabel. Ter vereenvoudiging zijn de bedragen getoond zoals ze in de tabellen staan, in dollars per MWh dus. De tabel bevat alleen de laagste bedragen voor grootschalige CO₂-vrije energieopwekking in de jaren 2014 en 2020, het percentage verandering in 6 jaar, plus de kosten per MWh die resulteren als de verandering in de volgende 6 jaren procentueel even groot is:

De kolom onder 2026? is uiteraard een indicatie, geen zekerheid. Maar het is wel de beste indicatie die op dit moment uit de gegevens gehaald kan worden. Op grond van die indicatie zou de VS zich op dit moment volledig moeten toeleggen op zon en wind. Kernenergie is duidelijk de verkeerde weg. Het verschil in prijs is momenteel ongeveer een factor 5 maar dat verschil wordt snel groter. 

Ter verduidelijking worden de vermoedelijke minimumprijzen voor 2026 in de volgende tabel nogmaals getoond, maar dan met zon- en windenergie omgezet in waterstofgas.

Overigens is de gebruikte ondergrens voor kernenergie enigszins arbitrair; noot (m) in het Lazard rapport van 2014 staat voor “Represents estimate of current U.S. new nuclear construction.” en noemt daarvoor een prijs van $ 124 per MWh, ofwel € 0,105 per kWh, en dat is goedkoper dan de prijs aangegeven in de tabel, maar men dient wel te bedenken dat dit een schatting betreft. In het verleden bleken dit soort schattingen niet erg nauwkeurig te zijn.

De situatie in Nederland is anders dan die in de VS. Over een jaar gemeten hebben de VS een gemiddelde instraling aan zonne-energie van 1800 kWh/m², in Nederland varieert de instraling van 995 kWh/m² op de Veluwe tot 1110 kWh/m²  in Zeeuws-Vlaanderen (38), met een gemiddelde van ruim 1050 kWh/m². Dat betekent dat waterstof uit zonne-energie in Nederland 70% duurder zal blijven dan in de VS. Voor wind geldt dat niet of in veel mindere mate. De gemiddelde windsnelheid in beide landen is vergelijkbaar, dus de prijs van windenergie zal ook vergelijkbaar zijn. Dat wil zeggen dat Nederland in de toekomst ver kan komen met een mix van elektriciteit en waterstof uit windparken op de Noordzee.

Geothermische energie, energie uit aardwarmte, kan in Nederland ook een bron van betekenis zijn, met name voor verwarmingsdoeleinden (39). Aardwarmte kan rechtstreeks gebruikt worden voor de verwarming van huizen en kassen, en dan is de prijs van € 0,033 per kWh misschien overkomelijk. Verwarming van huizen en gebouwen neemt in Nederland ruwweg een kwart van het totale energiegebruik. 

Echter, vergeleken met de toekomst van zonne-energie blijven wind en geothermische energie sterk achter. Er zijn ontwikkelingen gaande die er toe zullen leiden dat zonnepanelen in de niet zo verre toekomst rechtstreeks waterstof kunnen produceren, dus zonder dat daarvoor de dure Siemens Silyzer nodig is. In hoofdstuk 4 wordt daar dieper op ingegaan, hier wordt alleen aangegeven dat de prijs van groen waterstof op redelijk korte termijn richting € 0,01 per kWh zal gaan. En dat is de hoofdprijs, want dan worden de fossiele brandstoffen gewoonweg te duur om nog te gebruiken.

Maar hoe kan daar door Nederland van geprofiteerd worden? Dat kan door gebieden te zoeken met een hoge instraling die niet of nauwelijks voor andere doeleinden gebruikt kunnen worden, en die dus redelijk goedkoop gehuurd kunnen worden. Vervolgens kunnen die gebieden met langlopende contracten gehuurd worden. Zulke gebieden moeten naast de hoge instraling nog aan een aantal voorwaarden voldoen, zoals politieke stabiliteit, want de contracten zullen zeer langdurig zijn, en nabijheid, want de energie zal ofwel met pijpleidingen (waterstof) ofwel per kabel (elektriciteit) naar Nederland moeten worden gebracht. Per schip is te duur – hoewel dat voor LNG een prima oplossing zou zijn zal transport van waterstof per schip pas tegen het einde van 2021, en dan in zeer kleine volumes, toegepast worden (40). Het is veel lastiger om waterstof vloeibaar te maken (bij 20,28 Kelvin) dan om LNG vloeibaar te maken (bij 111,6 K), en als het gas niet vloeibaar is dan is het transport per schip te duur. Met pijpleidingen en kabels houdt het na een paar duizend kilometer ook wel op, zodat het zoekgebied er ongeveer zo uitziet:

De kleuren op deze kaart (41) geven de opbrengst van zonnepanelen weer. Deze is uitgedrukt in de eenheid kWh per kWp en per jaar, waarbij Wp een eigenschap van zonnepanelen is – het is het vermogen dat een paneel van 1 m² levert bij een loodrechte instraling van 1000 W/m2 aan zonnestraling. Bij de huidige stand van de techniek bedraagt Wp voor goede panelen ruim 200 W. 1 kWp is dus equivalent aan bijna 5 m² aan moderne zonnepanelen.

In de gebieden op de kaart die blauw gekleurd zijn leveren die 5 m² zonnepanelen 800 tot 900 kWh elektriciteit per jaar op, en dat loopt in stapjes van 100 kWh op tot ze in de paars gekleurde gebieden 2000 tot 2100 kWh opleveren. 

De paarse gebieden op de kaart zijn ofwel nogal bergachtig, niet ideaal voor zonnepanelen op grote schaal, ofwel erg ver van Nederland, maar in het noordwesten van Afrika (Marokko, Algerije, Mauritanië) zijn een aantal grote vlakke gebieden met instraling van de orde van 1900 – 2000 kWh/kWp en per jaar. Die zijn zeker een nadere bestudering waard. Zonne-energie kan in deze gebieden nog efficiënter gewonnen worden dan in de VS vanwege de grotere instraling, en is dus in principe goedkoper. De afstand tussen deze gebieden en Nederland is ongeveer 3500 km, dus is het de vraag hoe duur het transport van energie over deze afstand zal zijn.

In eerste instantie denkt men dan aan hoogspanningsleidingen. Over deze afstand zijn er al wel leidingen gelegd. Het dichtst in de buurt komt de “Changji-Guquan ultra-high-voltage direct current (UHVDC)” leiding (2018) (42). Die transporteert energieoverschotten uit het dunbevolkte verre westen van China naar het dichtbevolkte oosten, op een spanning van 1,1 miljoen volt om de stroomsterkte te minimaliseren, zodat de energieverliezen beperkt zijn. Het vermogen dat deze lijn transporteert bedraagt 105 miljard kWh per jaar en de afstand is 3324 km. Interessant zijn de verliezen: door gebruik te maken van 8 parallelle kabels van 1250 mm² doorsnede (~40 mm dikte) is de weerstand over de volle lengte beperkt tot 5 Ω en de verliezen tot 5%. De kosten van deze verbinding bedroegen € 5 miljard. Voor de aanleg werd 1,5% van de mondiale productie aan koper van één jaar gebruikt. Uitgaande van een levensduur van 50 jaar kost de aanleg van deze verbinding ongeveer € 0,0010 per getransporteerde kWh (plus kapitaalkosten) waarbij 5% van de getransporteerde elektriciteit verloren gaat, wat nog eens een kostenpost van € 0,0005 tot € 0,0015 per kWh is (zie berekening 7). En er moet natuurlijk wel rekening mee gehouden worden dat de Straat van Gibraltar overgestoken moet worden; daarvoor is nieuwe technologie vereist, want onderzeese kabels die meer dan 600 kV spanning voeren zijn nog niet ontwikkeld.

De tweede mogelijkheid is een pijpleiding voor waterstofgas. Dit is bekende technologie, ook onderzees. Een recente pijpleiding is de Sila Sibiri (Macht van Siberië) (43), die sinds november 2019 aardgas van de gasvelden ten noorden van het Baikal Meer naar de Chinese grens transporteert over een afstand van 3968 km. De aanlegkosten bedroegen (bij een levensduur van 50 jaar) € 0,0012 per getransporteerde kWh plus kapitaalkosten (zie berekening 8).

Beide oplossingen zijn economisch haalbaar. De prijs van die energie zal van dezelfde orde van grootte zijn als de prijs in de VS. Dat betekent dat Nederland zich net als de VS volledig kan toeleggen op zon en wind om zijn concurrentiepositie te handhaven.

Wordt (nog eenmaal) vervolgd.

36) https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/renewable-energy/hydrogen-solutions.html
37) https://www.hypos-eastgermany.de/fileadmin/content/downloads/HYPOS-Dialog_8/09_HYPOS_Dialog_Wag ner.pdf
38) https://zonnepaneel-info.nl/nl/opbrengst4.html
39) https://geothermie.nl/images/bestanden/Masterplan_Aardwarmte_in_Nederland_ENG.pdf
40) https://www.bloomberg.com/news/articles/2019-12-12/world-s-first-liquid-hydrogen-ship-debuts-in-green-eco nhtomy-boost
41) https://globalsolaratlas.info
42) https://www.nsenergybusiness.com/projects/changji-guquan-uhvdc-transmission-project
43) https://en.wikipedia.org/wiki/Power_of_Siberia

Berekening 6. De prijs van een kWh in waterstof geproduceerd met de Siemens Silyzer
Er wordt uitgegaan van de berekening in de grafiek op pagina 16 van (37). De prijs per kg H₂ convergeert daar naar € 2,37, bestaande uit € 1,63 stroomkosten, € 0,34 kapitaalkosten, € 0,16 compressie kosten en € 0,24 overige kosten, waarbij wordt uitgegaan van stroomkosten ten bedrage van € 0,03 per kWh. 

Daaruit kan afgeleid worden dat er voor de productie van een kg H2 € 1,63 / € 0,03 = 54,3 kWh stroom gebruikt wordt met dit apparaat.

De verbrandingswarmte van waterstof bedraagt 39,4 kWh per kg (zie berekening 9 voor een nadere precisering van dit getal). Daarmee kan de efficiency bepaald worden: 39,4 / 54,3 = 72,6%. Als compressie niet nodig is bedragen de kosten van 1 kWh in waterstofgas € 0,58 (0,24+0,34) voor 39,4 kWh, dus 0,58/39,8 = € 0,0147 per kWh voor de Silyzer plus 1,38 kWh in elektriciteit. 

**Berekening 7. Kosten van transport van elektriciteit over 3500 km
**Uitgangspunt zijn de kosten van de “Changji-Guquan ultra-high-voltage direct current (UHVDC)” leiding (42). Deze bedroegen € 5 miljard voor een lengte van 3324 km. De getransporteerde energie bedraagt 105 miljard kWh per jaar. De ohmse verliezen bedragen 5%. De levensduur is niet gepubliceerd op internet, die wordt hier geschat op 50 jaar maar die is waarschijnlijk veel groter dan 50 jaar.

Per getransporteerde kWh bedragen de kosten van het transport dus: € 5*10⁹*3500 / (3324*50*105*10⁹) = € 0,001, waarbij 5% verliezen optreden. Die verliezen kosten € 0,0005 bij een elektriciteitsprijs van € 0,01 tot € 0,0015 bij een prijs van € 0,029. De totale kosten bedragen dus € 0,0015tot € 0,0025 per getransporteerde kWh.

Berekening 8. Kosten van transport van waterstof over 3500 km
Uitgangspunt zijn de kosten van de Sila Siberi. De capaciteit van deze pijpleiding bedraagt 61 miljard m³ per jaar, de diameter is 1422 mm en de kosten bedroegen 1100 miljard roebels van april 2018, ongeveer € 15 miljard. Een standaard kubieke meter waterstofgas bevat 3,53 kWh energie, zodat deze pijpleiding 215 miljard kWh per jaar kan aanvoeren. De levensduur van pijpleidingen kan geschat worden op minimaal 50 jaar.

Per getransporteerde kWh bedragen de kosten van het transport met een pijpleiding van 3500 km lang dus € 15*10⁹*3500 / (3968*50*215*10⁹) = € 0,0012 per kWh.

Dit verhaal is geschreven om in het tijdperk van corona iets zinnigs te doen te hebben. Tijdverdrijf. Waarom warmt de aarde op? Is dat erg? Waarom wordt daar zo hysterisch over gedaan? Zijn er nog andere gevaren? Ik ben ooit opgeleid tot kernfysicus en deze materie speelt al een tijdje, dus ik zou dit eigenlijk allemaal moeten weten. Maar nee. Daarom ben ik op nul begonnen en heb ik geen verhalen gebruikt of overgenomen die ik niet begreep. Gelukkig zijn wetenschappelijke publicaties tegenwoordig vaak gewoon op internet te vinden, zeker als het doorbraken zijn. 

Maar toen werd het een verhaal met een verrassend positief einde, en nu wil ik het met iedereen delen. Er is een probleem, maar dat kan worden opgelost en veel eenvoudiger dan je zou denken. Bovendien kon het wel eens heel lucratief zijn. 

Eerst iets over mijzelf ter introductie. Lang geleden, in 1970, werd het door het Rapport van de Club van Rome zonneklaar dat er Grenzen aan de Groei zijn, en vooral grenzen aan het gebruik van fossiele brandstoffen. Maar er was in die tijd een lichtpunt: kernfusie zou een onuitputtelijke energiebron zijn. Het leek mij prachtig om daar mijn leven aan te wijden, en dat betekende een studie natuurkunde, specialiseren in kernfysica en verder specialiseren in de fysica van lichte kernen. 

Je moet nogal wat weten voordat je aan de finesses van deze processen toekomt dus pas na een jaar of vijf, zes werd het mij langzamerhand steeds duidelijker dat kernfusie op aarde een doodlopend spoor is. In kernsplijting geloof ik niet; omdat dat zo verschrikkelijk gevaarlijk is, is het ook verschrikkelijk duur. 

Na mijn promotie heb ik dan ook een heel ander beroep gekozen: programmeur. Per slot van rekening had ik tijdens mijn studie en promotie honderden programma's geschreven voor heel veel verschillende processoren en in een stuk of tien verschillende programmeertalen.

Vanwege mijn achtergrond heb ik me gespecialiseerd in technische en – af en toe –  wetenschappelijke programmatuur. Dat heeft geleid tot veel werk in het buitenland, voor tientallen bedrijven in Europa en Azië. Het is een goede keuze geweest - ik ben in mijn leven geen dag tegen mijn zin naar mijn werk gegaan.

Na mijn pensionering hebben we heel veel gereisd, maar toen corona kwam was er tijdenlang niets leuks te doen. Dat was het moment om terug te gaan naar een oude liefde. En wat blijkt? Kernfusie is toch de oplossing voor de problemen van de aarde, maar dan wel op de zon, op aarde gebruiken we alleen het product van de fusie – zonlicht.

Er moet nog één opmerking gemaakt worden over het verhaal. Alles is naar beste kunnen berekend, maar er is geen peer review geweest zoals bij echte wetenschappelijke artikelen altijd wel het geval is. Ik ben benieuwd of iemand fouten kan vinden en dat zou ik dan graag willen weten.

Dit verhaal is veel belangrijker dan ik ben. Ik ben een oude man die niet zit te wachten op publiciteit, daarom schrijf ik dit verhaal anoniem. Maar als er dan toch een naam gebruikt moet worden, noem me dan maar Optimist.

(Echte naam bij redactie bekend)