Nieuwe Nuts

Toekomst van de elektriciteitsvoorziening

Laatst geactualiseerd in 2007

De gebruikelijke energieomzetting in motoren is een woest fysisch proces. Verbranding en ontploffing creëren druk- en temperatuurverschillen. Op mechanische wijze wordt hieruit de gewenste energie verkregen. Daarbij gaat echter veel energie verloren. Dat kan veel beter. Reeds lang is bekend dat elektriciteit en warmte ook direct uit chemische reacties kunnen worden betrokken. Dit gebeurt in een brandstofcel (i).

Brandstofcellen

Schematische weergave van verschillende typen brandstofcellen, en de reacties/reactietemperaturen waarop ze werken. Van koud (onder) naar heet (boven). (bron: Cambridge)

De brandstofcel

De inzet van brandstofcellen is te vergelijken met de komst van de stoommachine, de wisselspanning en de computer. Het legt een fundament voor een andere manier van werken. Het rendement van een brandstofcel is hoog en de uitstoot van de cel kan zelfs volledig schoon zijn. Hierdoor kunnen afgassen, zoals water en zuivere CO2, nuttig worden gebruikt. Twee systeemtypen voor brandstofcellen zijn voor Nieuwe Nuts van belang: de systemen die lokale reststromen in energie omzetten, en de systemen die zon- en windenergie goed hanteerbaar maken. Beide laten niet lang meer op zich wachten.

Brandstofcel in nutsbedrijf

Sinds 2001 doet men in Duitsland op diverse plaatsen ervaring op met het gebruik van brandstofcellen voor decentrale elektriciteits- en warmtevoorziening. Voorbeelden zijn het ziekenhuis in Bad Neustadt a/d Saale en Deutsche Telekom in München.

De gebruikte brandstofcel (type MCFC – molten carbonate fuel cell) wordt gevoed met  aardgas. Het elektrisch rendement is hoog: 50% (ii). Daarbij komt warmte op hoge temperatuur beschikbaar die voor allerlei doeleinden kan worden gebruikt. Sinds 2006 lopen er ook pilotprojecten voor brandstofcellen op biogas (iii).

SOFC-GT

Een verdere ontwikkeling is de combinatie van brandstofcel met gasturbine (GT). Hiervoor wordt een hetere brandstofcel gebruikt (type SOFC - solide oxide fuel cell). De afgassen van deze brandstofcel hebben voldoende druk om een gasturbine aan te drijven. Het elektrisch rendement van deze combinatie is hoog. Schattingen voor de eerste generatie SOFC-GT  liggen rond de 75% (iv). Voor latere generaties worden nog hogere rendementen verwacht. De SOFC hoeft geen waterstof te worden gevoed. Hij is omnivoor en kan ook koolwaterstoffen aan, zoals biogas en biodiesel. Een dergelijke combinatie is bij uitstek geschikt om reststromen te verwerken en basislast te leveren voor de elektriciteitsvoorziening. De afgassen zijn zuiver en toepasbaar voor andere functies (v).

De koudere brandstofcellen worden met waterstof gevoed. Dit zijn de brandstofcellen waarover in de pers het meest wordt geschreven. De ontwikkelhorizon van deze cellen ligt ver in de toekomst. De hetere cellen worden in de praktijk al toegepast, onder andere voor decentrale nutsvoorziening. De heetste brandstofcel (SOFC) kan worden ingezet als aandrijving van een gasturbine. Dit geeft een zeer hoog elektrisch rendement. Gestookt kan worden op organische reststromen. De afgassen zijn zuiver en bruikbaar.

Redox flow

Een complementaire techniek is de redox flow batterij. Deze slaat elektrische energie uit bijvoorbeeld zon (vii) en wind op waardoor deze als zelfstandige en stabiele elektriciteitsbronnen kunnen gaan fungeren. In Ierland werkt men inmiddels aan de inzet van windmolens in combinatie met redox flow batterijen (viii). De techniek levert op termijn mogelijk ook een ‘portable’ energiebron voor volkomen emissieloze voertuigen.      

Vanadium redox flow

Windmolenpark (32 MW, J-Power, Sapporo, Japan) gecombineerd met redoxflowbatterijen (4MW 1,5 uur - 6 MW piek VRB) voor uitvlakking van fluctuaties in het aanbod van windenergie. Linksonder: redoxflowbatterijen (proefopstelling van Sumitomo Electric, 1,5 MW 1 uur - 3 MW 1,5 seconde). Rechts: elektrolyttanks. 

Decentrale opzet van elektriciteitsvoorziening

De technieken om de elektriciteitsvoorziening integraal te verduurzamen liggen binnen  handbereik. Op termijn van vijf tot tien jaar kunnen lokale duurzame bronnen (reststromen, zon, wind en water) een substantieel deel van de elektriciteitsvoorziening op zich nemen. De productie wordt dan decentraal van opzet. Warmte is beschikbaar daar waar het nodig is, de transportkosten zijn relatief gering en de integrale elektriciteitsvoorziening raakt ongevoelig voor terreur en geopolitiek.

Verandering van de energievoorziening

Het landschap van de energievoorziening kan zo drastisch veranderen. Fossiele afhankelijkheid wordt beëindigd en energie wordt vooral lokale business. Voor nieuwkomers zijn succesvolle investeringen in deze decentrale energievoorziening snel terugverdiend. Voor de gevestigde belangen zijn deze investeringen - zonder aanpassing van het businessmodel - minder interessant. Het ondergraaft de huidige winstpotenties. Realisatie van een duurzame decentrale elektriciteitsvoorziening vergt dan ook gedurfd ondernemerschap en bestuurlijke doortastendheid. Het zet ontwikkelingen in gang die bestaande machtsstructuren ondergraven, wat ongetwijfeld stuit op weerstand en ondermijnende strategieën.

Brandstofcel voor kolengas en reststromen

Brandstofcel voor zon en wind

Voorbeeld: SOFC-gasturbine
SOFC = Solide Oxide Fuel Cell

Voorbeeld: VRB
VRB = Vanadium Redox Battery (ix)

De SOFC werkt op hoge temperatuur (ca 1000°C). De SOFC hoeft niet te worden gevoed met waterstof. Hij is omnivoor en kan uiteenlopende koolwaterstoffen aan, ook biogas en biodiesel. Deze brandstofcel is geschikt om als verbrandingskamer te fungeren voor een gasturbine (GT). In diverse landen (o.a. Duitsland en de VS) worden deze gecombineerde systemen ontwikkeld. Nederlandse experts en ondernemers beschikken over belangrijke octrooien waarop deze gecombineerde technologie (SOFC-GT) kan worden gebaseerd (x).

De VRB werkt met opgeslagen elektrisch vermogen verkregen uit zon en wind.

Het biedt een volkomen emissieloos alternatief voor de ‘koude brandstofcel’ op waterstof, en kan bovendien sneller op de markt komen. In principe is het ook te gebruiken voor vervoer (o.a. personenauto’s). De infrastructuur voor tanken kan laagdrempelig en bottom-up ontstaan. (xi) Bij de pomp wordt verbruikte brandstof ingeruild voor nieuw ‘opgeladen’ elektrolyt.

Geen waterstof onder hoge druk, maar compacte opgeladen vloeistof (het elektrolyt).

Toepassing: Basis-electriciteitsvoorziening (decentraal) / Omzetting van reststromen in elektriciteit, warmte en zuivere CO2 / CO2-bemesting / reststroom verwerking / koolstofkringloop.

Toepassing: inzet van zon en wind als zelfstandige  elektriciteitsbron zonder haperingen of ontregeling van het net / peak shaving / netstabilisatie / vervoer (portable elektriciteitsvoorziening).

Typische kwaliteit: schone omzetting van reststromen / levering van basislast in de elektriciteitsvoorziening.

Typische kwaliteit: opslag van zon- en windenergie voor vraaggestuurde beschikbaarheid / levering van pieklast.
 

Vergelijking van twee complementaire brandstofceltechnieken waarmee de elektriciteitsvoorziening ingrijpend kan worden verduurzaamd.

Een toekomst in waterstof?
In de media wordt veelvuldig het beeld geschetst van een duurzame toekomst in waterstof. Het beeld is inderdaad fotogeniek: Uit je uitlaat komt alleen nog maar water. Maar het ligt ook vrij ver in de toekomst en hopelijk wordt het nooit de toekomst. De waterstofeconomie hoort meer bij de marketing en psychologie dan bij een duurzame wereld. Waarom?

Waterstof is geen energiebron en een slechte energiedrager. Het kost energie om waterstof te maken. Veelal wordt het nu uit aardgas gewonnen. De stookwaarde van waterstof is 1/3 van de stookwaarde van aardgas en 1/10 van butagas. Voor opslag van waterstof zijn grote volumes of hoge druk nodig. Waterstof vraagt een hoogwaardige infrastructuur, en die is bij uitstek monopoliseerbaar.

Koolwaterstoffen zijn de eigenlijke stabiele energiedragers die door de natuur worden aangeboden. Een kubieke meter stookolie levert een stookwaarde die ca 3700 keer groter is dan die van een m3 waterstof (bij luchtdruk). De olie is handzaam en kan uit uiteenlopende bronnen worden verkregen, bijvoorbeeld uit agrarische reststromen. 

 

 

Nieuwe Nuts

Download het rapport

 
Achtergronden van Nieuwe Nuts
Alternativenergiedorf GŁssing
Nieuwe Sanitatie in Sneek
Bioenergiedorp Jühnde
De Gouden Leeuw
De Zonneterp
Het Carrť

Waarom Nieuwe Nuts?
Duurzaamheid
Eindige hulpbronnen
De kringloopeconomie

Ontwikkelingen in NL
Lokale vlechtwerken
Individueel en collectief

Drijvende krachten
Rol van het net
IndustriŽle revolutie
Procesintensificatie

Belemmeringen
Gevestigde belangen
Nieuwe schaarste
Internationalisatie en marktwerking

Belang van elektriciteit
Elektriciteit en warmte
Decentrale elektriciteistvoorziening
Toekomst van de elektriciteitsvoorziening

Ruimtelijke orkestratie
Duurzaamheid als sturend principe
Centraal of decentraal
Innovatie in de Nieuwe Nutszone

Ruimtelijke sturing
Nutsvoorzieningen
Rol van de gemeente
Duurzaamheid en exploitatieplan

Betrokken bewoners
Bewonersparticipatie
Bewonersinitiatief
Keuzevrijheid en zelfwerkzaamheid

Ontwikkeling en dienstverlening
Waardecreatie door doelgroeporiŽntatie
Service en prestaties
Waar te beginnen?

Het Nieuwe Nutsbedrijf
Transparantie
Participatie
Levensloop

Tarieven
Prijsvorming
Prijsontwikkeling
Maatschappelijke functies

Vermogen
Fondsvorming en risicokapitaal
Maatschappelijk kapitaal
Welvaart in de Nieuwe Nutszone

Archief
 

(i) De brandstofcel is in 1839 uitgevonden door Sir William Grove.

(ii) Dit verslaat de meeste industriële elektriciteitscentrales, en zeker voor kleinschalige productie is het buitengewoon hoog. Het totale rendement wordt bovendien verder opgevoerd naarmate de restwarmte wordt benut. Het rendement van warmte en stroom gezamenlijk ligt rond de 90%.

(iii) Zie bijvoorbeeld het project van MTU CFC Solutions GmbH (DaimlerChrysler) te Leonberg.

(iv) Gecombineerd thermisch (32%) en elektrisch (75%) rendement komt op 107%.

(v) De SOFC kan vrijwel alle asloze brandstof omzetten, tot vergaste steenkolen aan toe. De zuurstof uit de lucht gaat door het membraan van de brandstofcel heen; het verbrandingsproduct is zuiver CO2, op druk, zonder stikstof of andere gassen.

(vi) De SOFC kan vrijwel alle asloze brandstof omzetten, tot vergaste steenkolen aan toe. De zuurstof uit de lucht gaat door het membraan van de brandstofcel heen; het verbrandingsproduct is zuiver CO2, op druk, zonder stikstof of andere gassen.

(vii) Zonnestroom is voor vele toepassingen al ingeburgerd. Toch laat grootschalige toepassing op zich wachten. Dat heeft te maken met de prijs. Zonnecellen kunnen nog niet concurreren met de kolencentrales en het elektriciteitsnet. De kostprijs voor zonnestroom ligt momenteel op 50 cent per KWh. InnovatieNetwerk deed onderzoek naar de ontwikkeling van een flexibele zonnefolie. Akzo Nobel ontwikkelde de techniek en Nuon neemt deze nu in productie. Bij opschaling van het productieproces is de verwachting dat de zonnestroom concurrerend kan worden. Tegen 2010 zal deze nieuwe zonnefolie – Helianthos – beschikbaar komen. A.PM. ter Beek, Helianthos-zonnecellen in de landbouw; De economie van een doorbraaktechnologie, InnovatieNetwerk, oktober 2006.

(viii) Wind farm Sorne Hill te Buncrana in de Ierse regio Donegal (Noord West Ierland).

(ix) De VRB voldoet aan de definitie van een brandstofcel. Toch is er een belangrijk verschil. In normale brandstofcel is de elektrolyt onderdeel van de cel, terwijl in de VRB de (meeste) elektrolyt extern wordt aangevoerd en door de reactor heen stroomt.

(x) Zie onder andere: application 08/039,261 van Ankersmit, Hendriks en Blomen en application 08/039,204 van Jaspers en Van Dongen. 

(xi) In een nog te verschijnen publicatie van InnovatieNetwerk over de VRB wordt het beeld geschetst van tankpunten die ontstaan op plaatsen waar de duurzame energie kan worden geoogst, zoals bij windparken en boerenbedrijven. 

 

Nieuwe Nuts
Informatie op deze website wordt niet geactualiseerd. Ze is met de nodige zorgvuldigheid tot stand gekomen. Ze is echter geen alternatief voor gedetailleerd advies in specifieke omstandigheden. Alle teksten zijn geschreven op persoonlijke titel van de auteur(s) en reflecteren niet noodzakelijk de zienswijze van de site-eigenaar of van welke andere natuurlijke of rechtspersoon dan ook. Eventuele onjuistheden zijn niet uit te sluiten. Vragen en reacties zijn welkom op info@nieuwenuts.nl. NieuweNuts.nl is mede mogelijk gemaakt door Elannet BV en InnovatieNetwerk.
Nieuwe Nuts