Door Mara Wustmans. Wutsmans is Consultant Building Services bij RoyalHaskoningDHV. Als inginieur is zij gespecialiseerd in ventilatie, verwarming en koeling.
Even om de juiste kaders te scheppen. Wanneer is waterstof interessant? Waterstof heeft twee grote voordelen: het is relatief eenvoudig op te slaan en goed te transporteren via gasleidingen. Deze twee kenmerken zijn van belang op het moment dat we energie in Nederland vooral uit duurzame bronnen halen. Zo veel, dat we last krijgen van de onvoorspelbaarheid van deze bronnen. Namelijk, als we geen fossiele energiecentrales meer hebben om bij te springen als de zon niet schijnt of de wind niet waait. Willen we naar een fossielvrije toekomst, moeten we fluctuaties in uur-, dag-, en seizoensopbrengsten anders opvangen. Pas als dit niet meer gaat door onderling energie via het elektriciteitsnet uit te wisselen, wordt waterstof een interessante optie als opslagmedium. Ook voor transport over grote afstanden is waterstof geschikter dan elektriciteit.
Twee voorbeeldcases
Om gevoel te krijgen bij de concrete getallen rondom waterstof in de bebouwde omgeving, heb ik twee cases uitgerekend:
- Een stadsdeel met 6.900 huizen, gekenmerkt door een grote warmtevraag in de winter en een relatief veel kleinere elektriciteitsvraag
- Een bestaand theater met juist een hoge elektriciteits- en koelvraag .
Beide cases zijn zo gemodelleerd, dat ze zelfvoorzienend zijn. Geen uitwisseling met de omgeving. Op het moment dat heel Nederland op duurzame bronnen moet draaien, hebben we deze luxe immers ook niet. Dan heeft heel Nederland namelijk tegelijk last van overschotten of tekorten aan duurzaam opgewekte elektriciteit.
Brandstofcel of WKK?
De twee verschillende scenario’s leveren interessante resultaten op. Het stadsdeel, gekenmerkt door de grote warmtevraag, is het meest gebaat bij een opstelling met opwek via een windmolen. Omzet van waterstof is het gunstigste via een warmte-krachtkoppeling (WKK). Laatstgenoemde verbrandt de waterstof en genereert hieruit elektra en warmte. De rendementen zijn daarbij respectievelijk 30% en 60%. Wind is ook in de winter aanwezig, op het moment dat de energie van de zon beperkt is.
Het theater, gekenmerkt door de grote elektra- en koudevraag, is juist gebaat bij een combinatie van windmolens en PV-panelen. De zonnepanelen leveren namelijk veel energie als deze ook nodig is: tijdens het koelen in de zomer. Om zo veel mogelijk elektriciteit uit de waterstof te halen, is een brandstofcel in dit geval een betere keuze dan een WKK. Met een elektrisch rendement van 56% levert deze namelijk relatief meer elektriciteit. Het thermische rendement is met 24% lager, maar in het theater is ook maar weinig warmte nodig.
In beide gevallen geldt: warmte komt vrij in relatief hoge temperaturen, rond 70-80°C. Perfect voor de verwarming van oudere gebouwen.
Opslagvolumes
In beide cases vindt geen uitwisseling van energie met de omgeving plaats. Een elektrolyser maakt daarom waterstof van overschotten groene energie. Vervolgens wordt het opgeslagen onder 700 bar (de gangbare druk voor opslag in auto’s).
- Voor het stadsdeel is ongeveer 10.000 m³ aan tankvolume nodig. Dit is minder dan 1% van de inhoud van de huizen in het stadsdeel.
- Voor het theater geldt een opslagvolume van ca. 140 m³ (een kubus met zijden van 5 meter).
Slaan we dezelfde energie in accu’s op, is ongeveer 20-30 keer zo veel volume nodig. Daarnaast is de opslag in accu’s zo’n 8 maal duurder dan via waterstof compressie. Hierbij geldt wel de kanttekening dat opslag in accu’s efficiënter is, en daardoor ook minder opslagvolume nodig is.
Conversierendementen
Nu de keerzijde van de toepassing van waterstof: matige conversierendementen.
- Het rendement van een elektrolyser is maximaal 75% (en in de praktijk vaak nog lager). Zo gaat er dus al ruim een kwart van de opgewekte energie verloren bij de productie van waterstof.
- Vervolgens wordt de waterstof gecomprimeerd tot 700 bar, waarbij opnieuw een deel van de energie nutteloos verdwijnt.
- Last-but-not-least: bij de omzetting van waterstof naar warmte en elektriciteit verliezen we weer 10-25%. Dat percentage ligt zelfs veel hoger als we de vrijkomende warmte niet nuttig gebruiken.
Afhankelijk van de combinatie van warmte- en elektravraag met opwekkers (wind en/of zon) en conversie apparatuur (WKK of brandstofcel), verliezen we 42-73% (!!) aan energie. Maar het leert ons ook: optimaliseren heeft nut, want een slimme keuze scheelt zo maar 50% in energieverliezen.
Grafiek door Mara Wustmans
Vergeleken met opslag en verwarming in een all-electric variant met een warmtepomp:
- Geen conversieverliezen tijdens opslag
- Een rendement van opslag van ca. 90%
- Een rendement van de omzetting van elektriciteit naar warmte (via een warmtepomp) van meer dan 350%
Dat scheelt veel in opgesteld vermogen duurzame energie. Opslag in accu's is echter duur, er zijn veel schaarse grondstoffen nodig en per kWh opslag is veel meer volume nodig. En dus geldt: combineren en optimaliseren!
Concluderend: waar ligt het potentieel van waterstof in de bebouwde omgeving?
Concluderend is waterstof een goede manier om grote energie hoeveelheden gedurende langere tijd op te slaan. Bij de omzetting van waterstof komt warmte op hoge temperatuur vrij, die goed matcht met de benodigde temperaturen in bestaande bouw of industrie. Conversierendementen zijn echter slecht, waardoor veel duurzaam opgewekte energie verloren gaat. Daarom geldt wat mij betreft het volgende stappenplan:
- Altijd eerst zo veel mogelijk energie besparen
- Vraag en aanbod op elkaar afstemmen, en daarmee de noodzaak van opslag reduceren. Bij voorkeur dus een energiecentrale op (minimaal) wijkniveau, en geen zelfvoorzienende variant op huisniveau.
- Overschotten zo efficiënt mogelijk omzetten in en opslaan als waterstof
- Vrijkomende warmte zo goed mogelijk gebruiken door de juiste installatie te kiezen (brandstofcel, WKK of ketel afhankelijk van verhouding warmte-/elektravraag) en deze op te stellen op een locatie waar hoge temperatuur warmte gewenst is.
- Slim combineren met andere duurzame technieken: opwek (wind en/of zon), warmtepompen, geothermie, biomassa, accu’s etc.
.jpg)
