7 januari 2021 Waterstof vergroot de betrouwbaarheid van de energievoorziening

In de energietransitie staat de betrouwbaarheid en de betaalbaarheid van onze infrastructuur onder druk. We zijn gewend aan een systeem waarin energie is opgeslagen in fossiele brandstoffen, en gebruikt kan worden op momenten waarop vraag is. Nu we overstappen op duurzame bronnen, zoals zon en wind, hebben we nieuwe energiedragers nodig om vraag- en aanbod op elkaar af te stemmen.

In het SEECE-netwerk wordt veel onderzoek gedaan naar de energiedrager waterstof. Elektriciteit uit zon en wind kan gebruikt worden om waterstofgas te maken. Dat kan op allerlei manieren worden toegepast. Het kan omgezet worden in elektriciteit, maar het kan ook gebruikt worden voor verwarmingsprocessen in de industrie of als grondstof in de chemiesector.

Het lectoraat Meet- en Regeltechniek op de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen participeerde vorig jaar in een haalbaarheidsonderzoek naar waterstofproductie op de Noordzee, in een project genaamd IJvergas. Bij de kust van IJmuiden komt een windpark met een capaciteit van 4 gigawatt. ‘Dat is een enorme hoeveelheid elektrische energie, die van zee naar land getransporteerd moet worden,’ zegt lectoraatonderzoeker Hatim Mala. ‘Dat vraagt een grote investering in vermogenselektronica, transmissielijnen, enzovoorts.’

In perioden met veel wind krijgt het netwerk grote hoeveelheden elektriciteit te verduren. Daarom onderzochten de HAN, CE Delft en New Energy Coalition of een deel van de elektriciteit, op een financieel aantrekkelijke manier, omgezet kan worden naar waterstof. Daarbij keken de partijen of waterstof naar het vaste land getransporteerd kan worden via bestaande pijpleidingen, die oorspronkelijk zijn aangelegd voor het transport van aardgas.

‘De belangrijke bevinding in het project is dat de kosten van elektriciteit, die gebruikt wordt om waterstof te maken, heel betaalbaar zijn. Het omzetten van elektriciteit in waterstof is winstgevend voor de exploitanten van windparken’, aldus Mala. Dat is gunstig. Het elektriciteitsnet kan niet alleen worden ontlast door op piekmomenten waterstof te maken van elektriciteit, maar ook door energie via pijpleidingen te vervoeren.

Waterstof biedt niet alleen een uitkomst voor het windpark bij IJmuiden. ‘We hebben veel wind- en zonneparken, waar de fluctuaties heel groot worden’, zegt Ballard Asare-Bediako, tevens onderzoeker bij het lectoraat Meet- en Regeltechniek. ‘Het is alsof je in een auto op topsnelheid rijdt en dan abrupt tot stilstand komt. Dan weer rijdt. En dan weer tot stilstand komt. Je wil eigenlijk dat de auto pas remt als de gebruiker dat noodzakelijk vindt.’

‘Op het ene moment waait de wind en heb je honderd megawatt en een paar minuten later heb je misschien 10 of 5 megawatt.’ Op verschillende plekken in Nederland moet het net verzwaard worden, zodat het energiepieken kan opvangen. Maar het aanpassen van het elektriciteitsnet is een kostbare en langdurige operatie, waarvoor ook nog eens te weinig professionals zijn. Netbeheerders kampen met een tekort aan goedopgeleide technici.

Een andere manier om het elektriciteitsnet te ontzien, is curtailment. Windmolens en zonnepanelen leveren minder of soms geen energie aan het netwerk, op momenten waarop het overbelast dreigt te raken. Kortom: energie die op een bepaald moment niet gedistribueerd kan worden, gaat verloren. Maar die elektriciteit zou dus ook gebruikt kunnen worden om waterstof te genereren, zodat de energie op een later moment gebruikt kan worden.

Waterstofopslag kan ook een oplossing zijn op kleine schaal. In het project Cyrus Smith ontwikkelt het Arnhemse waterstofbedrijf en SEECE-partner HyMatters een platform, waarmee het elektriciteitsnet lokaal ondersteund wordt. ‘Als zonne-energie gevoed wordt, maken we er waterstof van. Die slaan we op in een trailer. Wanneer die vol is, kunnen we waterstof gebruiken voor het tanken van voertuigen’, zegt Edwin Tazelaar, CTO en medeoprichter van HyMatters.

Cyrus Smith zou ook een stationaire toepassing kunnen zijn, vertelt Tazelaar. Maar een mobiele unit biedt de mogelijkheid om de technologie naar mensen toe te brengen. ‘We willen demonstreren hoe dit werkt. Het is een leerplatform. We maken tastbaar wat ondersteuning door middel van waterstof inhoudt. Bijvoorbeeld voor vergunningverleners, omdat die ook moeten leren hoe dit moet.’

Dankzij waterstofprojecten, zoals Cyrus Smith, groeit de kennis over waterstof. Ook studenten werken aan het systeem en leren hiervan. ‘We hebben bijvoorbeeld met de trailer, met daarop een dummy, rondgereden met Werktuigbouwkundestudenten. Zij hebben trillingsproeven gedaan met versnellingsopnemers’, zegt Tazelaar. Ook studenten van de master Control Systems Engineering, Sustainable Energy en de bacheloropleiding Industrieel Product Ontwerpen droegen bij aan het systeem.

De studenten leren parallel aan de kennisontwikkeling in het SEECE-netwerk. En die ontwikkeling zal nog even duren, want er zijn nog veel vragen rondom waterstof en de inzetbaarheid in verschillende situaties. Er zijn tal van technologieën en methoden die gebruikt kunnen worden om energie op te slaan. Het is afhankelijk van de situatie welke energiedrager het meest gunstig is om onbalansproblemen op te lossen.

Asare-Bediako vertelt dat waterstof vooral een kanshebber is voor langetermijnopslag, om seizoenen te overbruggen. ‘Voor kortere perioden is het waarschijnlijk beter om traditionele batterijen te gebruiken; er zijn al technologieën waarmee dit kan. Maar waterstof, in termen van volume, is beter voor langere perioden. Daar zijn traditionele batterijen niet geschikt voor, dus daar heeft het gas een meerwaarde.’

Voordat waterstof op een grote schaal wordt toegepast, moet een aantal slagen gemaakt worden op het gebied van veiligheid en systeemkosten. ‘Waterstof is een gas. En veiligheid is heel belangrijk als je bedenkt dat we straks misschien honderden waterstofopslagfaciliteiten hebben’, zegt Bediako. En efficiëntie is een belangrijk onderzoeksthema. ‘De ontwikkeling van het elektrolyseproces is heel belangrijk. Als je elektriciteit omzet in waterstof, dan verlies je veel energie.’ Hoe minder verlies er is, hoe interessanter de businesscases rondom waterstoftoepassingen zijn.

Asare-Bediako ziet vooruitgang op al deze onderzoeksgebieden rondom waterstof. Dat stemt hem hoopvol. ‘Op het moment dat er veel aandacht is voor een bepaald soort energietechnologie, wordt het sneller ontwikkeld. Kijk naar zonnepanelen. Die waren duur en inefficiënt. Maar nu zijn ze wél efficiënt en een stuk goedkoper. Als we dezelfde richting opgaan met waterstof, dan zie je dat de markt openbreekt en benodigde technologie wordt doorontwikkeld.’