OOK MET eSMR ALS H2-VOEDING EEN HOGER RENDEMENT VOOR DE H2LinkedHBrFlowbattery DAN EEN STEG-CENTRALE.

 Een aan een H2-net gekoppelde HBr-flowbatterij kan tijdens stroomoverschotten met een rendement van 84 % zeer efficiënt werken als elektrolyser. Maar in de brandstofcelfase moet dan wel weer waterstof van een andere bron worden terug geleverd. Zolang er geen waterstof kan worden opgeslagen of het H2-net niet gevoed wordt met geïmporteerde waterstof (bijvoorbeeld in de vorm van weer terug om te zetten ammoniak) en gezien andere elektrolysers tijdens een stroomtekort natuurlijk ook stil liggen rest alleen de mogelijkheid om voorlopig de dan benodigde waterstof te produceren middels Steam Methane Reforming uit aardgas. Gezien de energietransitie lijkt dat negatief. Maar uitgaande van de hoge omzettingsrendementen (75 % voor SMR en 84 % voor de HBr-flowbatterij in de brandstofcelfase) komt het rendement van SMR gecombineerd met een HBr-flowbatterij (0,75 x 0,84 x 100 % = 63 %) als elektriciteitscentrale zelfs 13 % hoger uit dan het rendement (bovenwaarde) van een moderne STEG-aardgascentrale. En dat terwijl tijdens het laden van de H2netLinked HBr-flowbatterij er met weersafhankelijke stroomoverschotten waterstof geproduceerd wordt.

 SMR-waterstof moet wel voldoende gezuiverd kunnen worden voor het gebruik in de HBr-flowbatterij. Nu kan Steam Methane Reforming ook gedeeltelijk geëlektrificeerd worden door de tinnen katalysator elektrisch te verhitten (eSMR). Door de lagere procestemperatuur is er minder warmteverlies en zal door de betere benutting van het gebruikte aardgas het rendement van de gebruikte elektriciteit zelfs 45 % hoger uitkomt dan bij een gewone elektrolyser (115 % tegenover 70% dus een hogere opbrengst aan H2 van 64%) waarbij de eSMR dus ook geschikt is als elektrolyser. Maar behalve tijdens stroomoverschotten zou de eSMR-reformer tijdens stroomtekorten uit aardgas en elektriciteit ook beter te zuiveren waterstof terug kunnen leveren aan de HBr-flowbatterij. Door het benodigde elektriciteitsverbruik zal, ondanks de betere benutting van het aardgas, zal het rendement van de H2netLinked HBr-flowbatterij wel lager komen te liggen. Volgens mijn berekening van 63 naar 57½ %. En derhalve nog steeds hoger dan de modernste aardgasgestookte STEG-centrale.

 Een voldoende lange bedrijfstijd is de voorwaarde voor elke rendabele investering. Of het nu gaat over het uitbreiden van je restaurant om voor enkele topdagen geen nee te hoeven verkopen of de aanschaf van een elektrolyser of batterij. Een Electrified Steam Methane Reformer (eSMR) geeft als gevolg van een efficiënter gebruik van aardgas, voor de gebruikte elektriciteit 64 % meer H2-opbrengst dan een elektrolyser. Als een elektrolyser vergeleken met gewone SMR, waar met een rendement van 75 % uit aardgas grijze waterstof geproduceerd wordt, voor H2-productie alleen rendabel kan draaien bij een stroomprijs van bijvoorbeeld minder dan 3 cent per kWh kan een eSMR dus al rendabel draaien bij een stroomprijs van 3 / 0,64 = 5 cent per kWh. Dat werkt ook nog eens dubbel op want bij hoger worden stroomprijzen langer door kunnen blijven draaien houdt ook relatief minder verliezen aan opstarttijden in. Ook een aan een H2-net gekoppelde HBr-flowbatterij kan tijdens overschotten aan weersafhankelijke elektriciteit zeer efficiënt werken als elektrolyser. Maar in de brandstofcelfase moet dan wel weer waterstof van een andere bron worden terug geleverd. Waterstof gekraakt uit groene import ammoniak of gezuiverde grijze SMR-waterstof zou daarvoor noodzakelijk zijn. Maar zou een eSMR zelfs ook rendabel door kunnen draaien tijdens een stroomtekort wanneer het uit, een dan geringere hoeveelheid, aardgas en een deel van de eigen elektriciteitsproductie H2 zou kunnen leveren aan de brandstofcelfase van een H2netGekoppelde HBr-flowbatterij?

 Maar waarom zou je een, ondanks dat hogere rendement, stroomslurpende eSMR-reformer tijdens een stroomtekort door laten draaien om in plaats van met gewone SMR waterstof terug te kunnen leveren aan een H2LinkedHBr-flowbattery?

1. Een eSMR-reformer produceert als gevolg van het efficiëntere proces (een lagere proces temperatuur) minder vervuilde waterstof. Die voor de teruglevering aan de HBr-flowbatterij dus beter te zuiveren is.
2. Een eSMR-reformer kan bij teruglevering van H2 aan een HBr-flowbatterij langer door blijven draaien en dus sneller rendabel worden als elektrolyser.
3. Een HBr-flowbatterij werkt als (zeer efficiënte) elektrolyser alleen tot zolang er in de bromidetank(s) nog voldoende HBr aanwezig is (2HBr --> H2 + Br2). In de verre toekomst wanneer er na een zomerse zonnige middag ook 's avonds en 's nachts voldoende groene stroom door lithiumionbatterijen e.d. teruggeleverd of als baseload geproduceerd wordt (kerncentrales) zal de H2gekoppeldeHBrbatterij als elektrolyser toch een keer ontladen/geregenereerd moeten worden. eSMR i.p.v. gewone SMR verbruikt dan minder aardgas.
4. Gezien alle nieuwe langetermijncontracten blijft aardgas noodzakelijk. Een HBr-flowbatterij die tijdens een stroomoverschot kan werken als een elektrolyser en dankzij (e)SMR tijdens het ontladen waterstof terug geleverd krijgt bespaart aardgas. Geïmporteerde groene NH3 dat terug omgezet wordt in waterstof (wat volgens de berichten dan ook zeer zuiver is) kan later de grijze eSMR waterstof vervangen.
5. H2netGekoppeldeHBrflowbatterijen en eSMR-reformers, ook al draaien ze voorlopig op aardgas, versnellen juist de energietransitie. Een toenemend aantal wind- en zonneparken moeten hun stroom natuurlijk wel kwijt kunnen.

 De Elektrified Steam Methane Reformer gebruikt voor de productie van waterstof natuurlijk wel een grote hoeveelheid elektriciteit. Voor elke m3 waterstof (3 kWh energieinhoud) wordt naast 2,6 kWh aan aardgas 1,0 kWh aan elektriciteit verbruikt die de HBr-flowbatterij tijdens het ontladen dus op het elektriciteitsnet moet leveren. Ik kom daarbij op de volgende berekening:

1. Roundtriprendement HBr-flowbatterij is 70 %. Dus voor elke 100 kWh (aan overschotstroom uit wind en of zon) dat tijdens het laden in de HBr-flowbatterij gaat, zal er tijdens de brandstofcelfase 70 kWh terug uit moeten komen.
2. Een roundtriprendement van 70 % houdt in een rendement van 84 % voor de laad- oftewel elektrolyserfase en 84 % voor de brandstofcelfase. ( 0,84 x 0,84 is immers 0,7).
3. Tijdens de elektrolyserfase wordt uit de HBr H2 geproduceerd en gezien de HBr-flowbatterij gekoppeld wordt op een waterstofleidingnet wordt deze H2 verbruikt in bijvoorbeeld een kunstmestfabriek voor de productie van ammoniak ect.
4. Dezelfde hoeveelheid H2 (vanwege de omkeerbare reactie  2 HBr --> H2 + Br2 ) dat tijdens de elektrolyserfase de flowbatterij verlaat moet tijdens het ontladen, de brandstofcelfase dus, weer worden terug aangevoerd. Voor elke 100 kWh dat tijdens het laden gebruikt is dat dus 84 kWh aan waterstof.
5. Die 84 kWh aan H2 zal middels eSMR uit aardgas en elektriciteit geproduceerd kunnen worden.
6. Bij eSMR is voor elke m3 waterstof 2,6 kWh aan aardgas nodig en 1,0 kWh aan elektriciteit, dus samen 3,6 kWh. Die m3 waterstof bevat 3 kWh. Het rendement van eSMR is dus 3 / 3,6 x 100 % = 83,3333 %
7. Een rendement van 83,3333 % houdt in dat voor elke 84 kWh aan H2 er in totaal  84 / 0,83333 = 100,8 kWh aan aardgas en elektriciteit nodig.
8. De verhouding tussen verbruikt aardgas en elektriciteit is 2,6 : 1 .
9. Derhalve is het verbruik aan aardgas voor elke 84 kWh aan benodigde H2 dus  100,8  x (2,6/3,6) = 72,8 kWh equivalent.
10. En derhalve is het benodigde verbruik voor elke 84 kWh aan terug geleverde H2 dus 100,8 x ( 1,0/3,6) = 28 kWh.
11. Deze verbruikte 28 kWh gaat dan dus af van de 70 kWh opbrengst van HBr-flowbatterij. De netto opbrengst van HBr-flowbatterij in de brandstofcelfase is daarmee gezakt van 70 kWh naar 42 kWh.
12. Het rendement van de 72,8 kWh aan aardgas in de eSMR c.q. H2netGekoppeldeHBr-flowbatterij ingevoerd is dus  42 / 72,8  x `100 % = 57,7 %.
13. Een rendement van 57,7 % is dus 7,7 % hoger dan het 50 % elektrisch rendement (bovenwaarde) dan wanneer dezelfde hoeveelheid aardgas gebruikt zou zijn in een Stoom En Gasturbine.

Leon Nelen.