Analysen von echten Experten

Im Jahr 2009 kam eine Studie des Idaho National Laboratory zu einer Schätzung, dass diese Art von Kernreaktor Wasserstoff für 3,23 $/kg verkaufen könnte. Es erörterte auch die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Synthesegas anstelle von Wasserstoff und die nuklearunterstützte Vergasung.

Diese Studie von MINES ParisTech aus dem Jahr 2013 schätzte die Kosten für Synthesegas (Wasserstoff und Kohlenmonoxid im richtigen Verhältnis zur Herstellung von Methanol) aus einem Kernreaktor auf 1,30 €.

Meine Schätzungen

Diese Schätzungen handwinken eine Menge Technologie, die es noch nicht gibt, aber die Leute arbeiten aktiv daran, sie zu bauen. Ich denke, ich spiele fair nach den Regeln der harten Science-Fiction. Basieren Sie keine Anlageentscheidungen darauf!

Wenn wir die Kernreaktoren so billig bauen könnten, wie es Südkorea in der realen Welt schafft, und ihnen keine anderen Subventionen zukommen ließen, könnten wir die Kosten für den Wasserstoff in einer Gallone Methanol zwischen 72 Cent und einem Dollar senken. Die Gesamtkosten aller Rohstoffe, bei denen aufgefangenes Kohlendioxid anstelle von fossilen Brennstoffen verwendet wird, könnten 1,14 bis 1,41 US- Dollar betragen. Da der Prozess nicht perfekt effizient ist, könnten wir am Ende tatsächlich 1,34 bis 1,91 $ ausgeben.

Da eine Gallone Benzin den doppelten Energiegehalt einer Gallone Methanol hat, sollten wir diesen verdoppeln: Wenn man eine Gallone Benzin durch Methanol ersetzt, würde man Gase verbrauchen, deren Herstellung 2,67 bis 3,83 Dollar kosten würde , es sei denn, es wird ein effizienteres Verfahren gefunden. Aber die Frage spezifiziert die Wasserstoffproduktion als separaten Schritt.

Eine Menge Wasserstoff, die einer Gallone Benzin entspricht, würde 1,88 bis 2,66 US- Dollar kosten , wenn Sie sie direkt in einer Brennstoffzelle verwenden würden, anstatt daraus Methanol herzustellen.

Zum Vergleich: Der Preis für eine energieäquivalente Menge Methanol schwankte in den letzten Jahren zwischen 1,08 $ und 3,00 $ .

Ich kam zu einer niedrigeren Kostenschätzung als die von der US-Regierung finanzierte Studie, hauptsächlich weil sie billige Kernreaktoren nicht von Hand schwenkten, 70 % der Kosten die Kapitalkosten amortisierten und sie von einer Rendite von 10 % ausgingen.

Unter dem Strich wäre dieses Verfahren ohne Subventionen nicht wirtschaftlich, es sei denn, der Erdgaspreis steigt. Es ist zwar keine mehrfache Erhöhung der Kraftstoffkosten, aber eine bescheidene. Der plausibelste Weg, dies zu ändern, wäre die Entdeckung eines besseren Katalysators, um entweder Kohlenmonoxid oder Methanol aus Wasser und Kohlendioxid herzustellen.

Aufbau der Anlagen

Das Best-Case-Szenario für den Bau von Kernkraftwerken ist Südkorea, das einzige Land der Welt, in dem die Kosten für den Bau von Kernkraftwerken im Laufe der Zeit sinken. (Allerdings plant die derzeitige Regierung sogar dort, die Kernenergie auslaufen zu lassen.) Neuere Anlagen dort kosten 2.000.000 KRW/kW. Dies entspricht Baukosten „über Nacht“ von 2.000 $ /kW. Die World Nuclear Association, zugegebenermaßen keine neutrale Quelle, schätzt, dass dies bei einem Diskontsatz von 3 % Stromgestehungskosten von 29 $ /MWh entspricht. Steigt der Abzinsungssatz auf 7 % – die Investoren brauchen also eine schnellere Amortisation der Anlage – erhöht sich das auf 40 $ /MWh.(Beachten Sie, dass die hohe Bandbreite der Schätzung in der ausgezeichneten Antwort von @kingledion auf einem Strompreis von 80 USD /MWh und doppelt so hohen Kosten für die Kernenergie basierte, während das untere Ende beider Schätzungen ungefähr gleich ist.)

Könnten die südkoreanischen Kosten repliziert werden? Bis zu einem gewissen Grad vielleicht. Ein Hauptgrund für die Einsparungen ist, dass sie immer wieder das gleiche Design gebaut haben, und dieses Schema erfordert viele standardisierte Reaktoren. Die Reaktoren könnten auch dort gebaut werden, wo es wirtschaftlich am besten ist, und den Brennstoff in andere Länder exportieren.

Wasserstoff erzeugen

Der springende Punkt bei der Verwendung von Kernenergie dafür ist jedoch, dass sie die vom US-Energieministerium angenommene alkalische Wasserelektrolysetechnologie übertreffen und die Kosten sogar um mehr als die 50–62,5 % senken kann, die durch die einfache Verwendung der realen Kosten entstehen Kernkraft in Südkorea nahelegen würde.

Was dieser Plan tatsächlich vorsieht, ist ein Reaktor wie der Very High Temperature Reactor oder der Gas-Cooled Fast Reactor , die beide nach dem gleichen Prinzip arbeiten, außer dass ersterer den Uran-Brennstoffkreislauf nutzt und letzterer einen schnellen Brutreaktor. Beide sind versiegelte, integrale Reaktoren, die überkritisches Helium sowohl als Kühlmittel als auch als Arbeitsflüssigkeit zum Antrieb der Turbinen verwenden. Für diese Anwendung möchten Sie den Reaktor bei der überkritischen Temperatur von Helium, 850 °C, und die Hochtemperatur-Dampfhydrolysereaktion bei etwa 800 °C betreiben. Die Baukosten könnten weiter gesenkt werden, wenn wir jemals herausfinden, wie man Kohlendioxid anstelle von Helium verwenden kann.

Der aktuelle Stand der Technik in der Wasserstoffproduktion kann eine Energieeffizienz von bis zu 50 % erreichen (durch Hochtemperatur-Dampfelektrolyse oder andere Verfahren wie das Schwefel-Jod-Verfahren). Mit anderen Worten, da die Energiedichte von Wasserstoff 33.300 Wh/kg beträgt, könnte ein thermischer Reaktor, der seine Prozesswärme plus eine Spannung von etwa 1,2 V nutzt, potenziell eine Ausbeute von 1,2 V erreichen$0.5 × \left( \frac{3.330·10^{-2} \mathrm{MWh}}{\mathrm{kg}} \right)^{-1} = 15.02 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{MWh}}$.

Wenn wir naiv (entschuldigen Sie, optimistisch) mit der Hand winken, dass Sie Strom von einem GFR bekommen können, der so billig ist, wie Südkorea ihn von Reaktoren der dritten Generation in der realen Welt bekommt, d.h. 29-40 $ pro MWh, würden diese Kosten fallen 1,93–2,66 $ pro Kilogramm Wasserstoff. Der größte Teil davon kann ohne Umwandlungs- oder Übertragungsverluste als Prozesswärme genutzt werden. Es ist wahrscheinlich nicht realistisch, das durchzuziehen, aber es ist definitiv möglich, mehr als 80 US- Dollar zu erzielen , die Grundlage für die High-End-Schätzung im DoE-Bericht.

Der DoE-Bericht ging von Kosten in Höhe von 3,00 $ /kg aus.

Darin sind die Kosten für demineralisiertes Wasser nicht enthalten.

Synthese von Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid

Diese Technologie benötigt keinen Hochtemperaturreaktor und bezieht eher sauberen Strom aus dem Netz. Es wird bereits in der realen Welt verwendet, jedoch mit Kohlendioxid, das aus Quellen wie Kohlekraftwerken gewonnen wird.

Jede (US-Flüssigkeit) Gallone Methanol enthält

$$\begin{align*} \frac{3.785·10^3 \mathrm{cm}^3}{\mathrm{gallon}} &× \frac{0.7920 \text{g CH₃OH}}{\mathrm{cm}^3} \\ &× \frac{1 \text{ mol CH₃OH}}{32.04 \text{g CH₃OH}} \\ = \frac{93.56 \text{ mol CH₃OH}}{\mathrm{gallon}} \end{align*}$$

Die Hydrierung von Kohlendioxid zur Herstellung von Methanol erfordert zwei Mol H&sub2; und ein Mol CO&sub2; pro Mol CH&sub3;OH. ( Wenn Sie das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umwandeln. )

In der Praxis wäre die Reaktion komplizierter: Entweder würde sie 50 % mehr Wasserstoff verbrauchen (die Reaktion 3H₂ + CO₂ → CH₃OH + H₂O verwandelt den überschüssigen Wasserstoff wieder in Wasser, das zumindest wieder zu Wasserstoff recycelt werden kann) oder sie würde ersetzen ein Teil der Wasserstofferzeugung mit einem Prozess, der Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus Wasser und Kohlendioxid erzeugt, je nachdem, was effizienter war.

Da die Molmasse von H₂ 2,014 g/mol beträgt, benötigt jede Gallone Methanol 0,5654 kg Wasserstoff als Input, wenn wir 3 Mol Wasserstoffgas pro Gallone Methanol verwenden. Unter Verwendung der Zahlen im vorherigen Abschnitt würde der Wasserstoff, der zur Herstellung einer Gallone Methanol verwendet wird, zwischen 1,09 und 1,50 US-Dollar kosten .

Die Molmasse von CO₂ beträgt 44,0095 g/mol mal 93,56 Mol, also benötigen wir 4,118 kg CO₂, um eine Gallone Methanol herzustellen. Die Idee ist, statt fossiler Brennstoffe abgeschiedenes Kohlendioxid zu verwenden, beispielsweise aus der Verbrennung von Biomasse oder der direkten Luftabscheidung. Die bestehende Anlage der Climeworks AG in Zürich fängt Kohlendioxid aus der Luft zu einem Preis von 600 $ /Tonne auf. Wenn eine hypothetische Technologie die Kosten auf 60 $ /Tonne senken könnte, was viele Quellen für möglich halten, würden Kohlenstoff und Sauerstoff in einer Gallone Methanol 24,7 Cent kosten. Eine konservativere Schätzung von 100 $ /Tonne würde 41,2 Cent kosten.

Dies ergibt unter optimistischen, aber einigermaßen plausiblen Kostenannahmen Kosten von 1,34 bis 1,91 $ für die Rohstoffe. Da eine Gallone Benzin so viel Energie enthält wie zwei Gallonen Methanol, verdoppeln Sie diese, um eine Schätzung von 2,67 bis 3,83 US- Dollar pro Gallone Benzin zu erhalten. Dies dient nur dazu, die Rohstoffe zu produzieren; es würden auch Kosten für die Synthese des Methanols, das Mischen und den Vertrieb entstehen.

Subventionen

Dies setzt jedoch voraus, dass die Regierungen der Welt nichts unternehmen, um grüne Kraftstoffe zu subventionieren oder Kohlendioxidemissionen zu besteuern. Wenn sie anfangen, den Klimawandel – und die Energieunabhängigkeit – so ernst zu nehmen, dass sie bereit wären, den Kurs der Kernenergie vollständig umzukehren, erscheint das unwahrscheinlich. Irgendjemand muss die Energieproduzenten dazu bringen, die externen Kosten der von ihnen verursachten Umweltverschmutzung zu bezahlen, sonst wird es immer billiger sein, denselben Kernreaktor zu verwenden, um Methanol aus fossilen Brennstoffen herzustellen.

Wenn eine Regierung bereit wäre, einfach die Kosten einer Wasserstoffanlage zu tragen, die Megatonnen saubere Haushaltsenergie produzieren könnte, so wie sie bereit wäre, die Kosten eines Krieges im Nahen Osten zu tragen oder ihn zu subventionieren, wie sie Öl und Biokraftstoffe subventionieren , würden die Grenzkosten zur Herstellung von Wasserstoff drastisch sinken. Wenn der Wasserstoff nicht die Kapitalkosten des Reaktors zurückzahlen müsste, sondern nur die Kosten für die Betriebskosten decken müsste, wären die Grenzkosten zur Herstellung von Wasserstoff winzig.

Obwohl Sie in einem Kommentar sagten, dass das Methanol als Kraftstoff für den Transport gedacht ist, würde es, wenn es in etwas umgewandelt würde, das nicht verbrannt wird, wie Olefine oder Formaldehyd, große Mengen an Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernen und binden.

Die Reaktoren würden auch andere gewinnbringende Produkte wie Strom produzieren. Oder zum Beispiel, da die Elektrolyse von Wasser halb so viele Moleküle heißen Sauerstoffs wie Wasserstoff erzeugt, könnte sie diesen mit Phosphor reagieren, um Phosphorsäure in Lebensmittelqualität zu erzeugen.

Alternativen

Wenn Sie bereits über Wasserstoff und abgeschiedenes Kohlendioxid (aus einer Verbrennungsanlage oder einer anderen Quelle) verfügen, können Sie Methanol bei relativ niedrigen Temperaturen herstellen. Eine Alternative wäre, die Wasserstoffmenge um 50 % zu erhöhen und einen Katalysator wie Ni-Ga bei 200 °C zu verwenden . Eine andere ist die Co-Elektrolyse von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid und Wasser. Eine andere ist die Spaltung von Kohlendioxid und Wasser durch einen thermochemischen Kreislauf.

Ein weiterer möglicher Weg ist die Umwandlung von Kohlendioxid in Methan mit Wasserstoff . Wir könnten dann den Sauerstoff, den wir auch aus der Wasserelektrolyse gewonnen haben, verwenden, um das Methan zu Methanol zu oxidieren – falls jemand dafür ein gutes Verfahren findet. (Obwohl das Methanol aus Erdgas am Ende noch billiger machen würde.)

Sowohl die Vergasung von Biomasse als auch die Pyrolyse von Biomasse wurden als Teil eines Systems mit einem Strom, Wasserstoff und Sauerstoff erzeugenden Kernreaktor vorgeschlagen.

Die Kosten der Inputs könnten auch gesenkt werden, wenn das abgeschiedene Kohlendioxid aus Emissionen stammt, die andernfalls in die Atmosphäre gelangt wären, wie in der kommunalen Müllverbrennungsanlage in Oslo, die ihr Kohlendioxid zur Verwendung durch die Ölindustrie auffängt.

$3-6 pro Gallone Benzinäquivalent (gge)

Im Jahr 2009 stellte das National Renewable Energy Laboratory ein Gremium zusammen, um 80 % Konfidenzintervalle für die zukünftigen Kosten der Wasserstoffproduktion zu generieren. Der Bericht ist da . Dieses Gremium nutzte die im Jahr 2005 verfügbare Technologie, die jedoch mit einer vollständigen industriellen Infrastruktur ausgestattet war, um den Produktionsmaßstab optimal zu nutzen (dies ist das im Bericht erörterte „zentrale Produktionsmodell“). Das Panel konzentrierte sich auf zwei Technologien: die alkalische Wasserelektrolyse und die Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse .

Ein kg Wasserstoff wird als Gallone Benzinäquivalent bezeichnet, da es ungefähr die gleiche Energiemenge wie eine Gallone Benzin hat.

Die durchschnittlichen Kosten waren stark von den Stromkosten abhängig. Der angenommene „hohe“ Preis für Strom lag bei 80 $ pro MWh, wobei die Wasserstoffkosten bei 4,78 $ pro gge liegen. Allerdings liegen die Stromgestehungskosten für Atomstrom derzeit bei etwa 120 $ pro MWh. Wenn wir diese Erhöhung der Stromleistung einführen, erhalten wir eine Annahme von eher 6 $ pro ggE an Kosten.

Die niedrigen Stromkosten von 0,03 $ pro kWh und alle anderen Faktoren minimiert würden etwa 1,70 $ pro ggE betragen.