energiegids.nl
Energie productie
17
Brandstofcel en elektrisch vervoer:
een slimme combinatie! De huidige ontwikkelingen op het gebied van brandstofcellen (micro-WKK) en elektrisch vervoer zorgen ervoor dat er in de nabije toekomst een omslag in de energievoorziening van woningen en woonwijken kan gaan plaatsvinden. Door een combinatie van beide technieken kunnen verschillende energiestromen lokaal met elkaar gekoppeld worden, hetgeen grote voordelen ten opzichte van de huidige energievoorziening geeft.
Figuur 1. Een Nederlands huishouden verliest op dit moment veel energie door slechte isolatie, inefficiënte elektriciteitsopwekking en autogebruik.
Tekst: Martin Horstink, Energy Matters, Arjen de Jong, Energy Matters en Hans Overdiep, GasTerra
Wat zijn de voordelen van een combinatie van brandstofcellen en elektrisch vervoer? Dat zijn: 1. Een energiebesparing tot zo’n 70% komt binnen bereik. 2. Het levert de meest efficiënte well-to-wheel keten voor vervoer op. 3. Het voorkomt verzwaring van het elektriciteitsnet (met bijbehorende kosten). 4. Het is een perfecte transitieoplossing. Deze voordelen zullen in dit artikel nader worden toegelicht.
Van energieverslindend naar energieneutraal De energiebehoefte van een gemiddeld Nederlands huishouden kan worden aangeduid als groot. We gebruiken voornamelijk benzine of diesel voor de auto, aardgas voor de CV-ketel en elektriciteit voor huishoudelijke apparaten. Een
belangrijk deel van deze energie gaat uiteindelijk verloren in de vorm van warmte; hoofdzakelijk doordat het huis niet goed geïsoleerd is, centrale elektriciteitsproductie warmte- en transportverliezen geeft en de conventionele auto(motor) inefficiënt werkt. Hierdoor gaat veel energie en geld verloren. Figuur 1 schetst de situatie. Op middellange termijn verwachten we dat deze situatie drastisch zal gaan veranderen en wel door de volgende trends: • Huizen zullen energiezuiniger worden door vergaande isolatiemaatregelen en inzet van energiezuinige apparatuur. Op dit moment vraagt een huishouden voornamelijk warmte voor ruimteverwarming. Bij woningen die tot ‘passiefhuis’ worden gerenoveerd zal de tapwatervraag dominant gaan worden. Gemiddeld zal de warmtevraag dan bestaan uit 60% voor warm tapwaterbereiding en 40% voor ruimteverwarming. • Toepassing van zonnepanelen (zonPV) wordt door
energiegids.nl
Energie productie
19
Figuur 2: Een ‘passiefhuis’ met een brandstofcel (0.5 kWe) en zonPV (3,5 kWe) waarbij gebruik gemaakt wordt van elektrisch vervoer.
technische verbeteringen en toenemend aanbod steeds aantrekkelijker. Steeds meer huishoudens zullen overgaan tot het plaatsen van PV-panelen teneinde zelf elektriciteit te kunnen opwekken. • Conventionele auto’s zullen plaats gaan maken voor elektrische versies. Nederland heeft de ambitie om in 2020 200.000 elektrische voertuigen te hebben met een mogelijke doorgroei naar 1 miljoen in 2025 (‘Elektrisch Rijden in de Versnelling’, Plan van Aanpak 2011-2015, AgentschapNL, 2010). • De ontwikkeling van de brandstofcel micro-WKK als vervangingsproduct voor de huidige CV-ketel zorgt ervoor dat elk huishouden de beschikking kan krijgen over een zeer efficiënte kleinschalige elektriciteitscentrale in huis (zie kader voor meer informatie over de brandstofcel micro-WKK).
in warmte én elektriciteit voor huishoudelijke apparaten en vervoer.
Door de verschillende energiefuncties op lokaal niveau met elkaar te verbinden kunnen de energieverliezen worden geminimaliseerd hetgeen de energiehuishouding op een ingrijpende manier optimaliseert. Figuur 2 schetst deze nieuwe situatie, waarbij een ‘passiefhuis’ is voorzien van een brandstofcel en PV-panelen en men gebruik maakt van elektrisch vervoer.
Een brandstofcel zorgt niet alleen voor energiebesparing, maar maakt ook zeer efficiënt vervoer mogelijk. In figuur 5 worden verschillende typen auto’s ‘well-to-wheel’ met elkaar vergeleken. We onderscheiden de volgende opties en energiebronnen: • Benzineauto. Dit is de traditionele vervoersoptie waarbij ruwe olie wordt geraffineerd tot benzine, die door de gebruiker bij een tankstation wordt getankt. Uitgangspunt is een zuinige benzineauto met een verbruik van 1 op 20. • Waterstofauto. Een waterstofauto rijdt op (gecomprimeerd) waterstof die is geproduceerd via een reformproces met aardgas of door middel van elektrolyse waarbij duurzame elektriciteit wordt gebruikt. De gebruiker tankt waterstof bij een tankstation en de waterstof wordt vervolgens door een in de auto aanwezige brandstofcel omgezet in elektriciteit voor de aandrijving. • Elektrische auto met centrale elektriciteitsproductie. Hierbij wordt de auto door middel van één of meerdere elektromotoren aangedreven. De benodigde elektriciteit is afkomstig van batterijen die worden opgeladen vanuit het elektriciteitsnet dat een aandeel van 20% duurzame elektriciteit kent.
De combinatie van brandstofcel en elektrisch vervoer leidt tot een besparing van circa 30% op het verbruik van primaire energie. Indien isolatie tot passiefhuis-niveau en energiezuinige apparatuur met zonPV wordt meegenomen, kan dit zelfs oplopen tot een besparing van maar liefst 70%! Het lokaal verbinden van deze technieken past dus perfect in de ambities van gemeentes en woningcorporaties om op wijk- of stadsniveau vergaand te verduurzamen. Deze effecten zijn weergegeven in figuur 3, waarin het primaire energieverbruik van een gemiddeld Nederlands huishouden is opgedeeld naar de verschillende verbruiksfuncties. In de figuur is bij de passiefwoning duidelijk de afname in het verbruik voor vervoer, elektriciteit en ruimteverwarming te zien. Hier wordt met een brandstofcel aardgas lokaal omgezet
Figuur 3: Energiebehoefte van huidige en toekomstige huishoudens.
Elektrische auto en brandstofcel
20
Figuur 4. De combinatie van de brandstofcel en elektrisch vervoer is veelbelovend. Sinds enkele jaren ontwikkelen verschillende partijen brandstofcel micro-WKK’s, waardoor er veel technische vooruitgang is geboekt. Inmiddels is een aantal producenten zover dat zij een toestel op de markt kunnen brengen. De afgebeelde brandstofcel micro-WKK is de Bluegen van CFCL (www.bluegen.info/).
Energie productie
• E lektrische auto gevoed met decentraal opgewekte elektriciteit uit brandstofcel. Bij deze optie worden de batterijen van een elektrische auto opgeladen door elektriciteit vanuit een lokaal opgestelde brandstofcel (micro-WKK). Het blijkt dat, om dezelfde aandrijfenergie te verkrijgen, met de combinatie elektrisch vervoer en brandstofcel meer dan de helft aan energie bespaard kan worden in vergelijking tot een zuinige benzineauto. De winst ligt in de hoge efficiëntie van de elektromotor(en) en de hoge efficiëntie waarmee aardgas (of groen gas) in de brandstofcel kan worden omgezet in elektriciteit en bruikbare warmte. Om 100 GJ aandrijfenergie te produceren is netto slechts 128 GJ aan gas benodigd terwijl een benzine-auto maar liefst 320 GJ aan brandstof nodig heeft! Dit is ook efficiënter dan elektrische auto’s laden met elektriciteit uit het stopcontact waarbij rekening is gehouden met een aandeel van 20% duurzame elektriciteit in de productiemix.
Brandstofcel maakt zelfvoorzienende wijk mogelijk Door de voortgaande ontwikkeling van elektrische vervoer zullen ook steeds meer mensen hun auto thuis ‘voltanken’. Figuur 6 laat een gemiddeld belastingprofiel zien van een huishouden met en zonder elektrisch vervoer in een woonwijk in 2010 en 2030. Het blijkt dat er door elektrisch vervoer Figuur 5. Energetische vergelijking verschillende vervoersopties middels het well-to-wheel principe. Voor de berekening van de vervoersopties is mede gebruik gemaakt van ‘Well-to-wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context’, EC JRC, July 2011.
energiegids.nl
energiegids.nl
Energie productie
Brandstofcel als micro-WKK
in 2030 ongeveer 50% meer (piek)vermogen per huishouden gevraagd zal worden ten opzichte van 2010. Ook de inpassing van warmtepompen zal extra netcapaciteit vragen. Netbeheerders zijn daarom al bezig met het ontwikkelen van scenario’s voor netverzwaringen ter voorkoming van lokale capaciteitstekorten. Met lokale, flexibele elektriciteitsopwekking kan dit probleem voorkomen worden. PV-panelen produceren elektriciteit waarvan de productiepieken vooral in de zomermaanden liggen. De productie is niet flexibel aanpasbaar, maar valt wel redelijk goed van te voren in te schatten. Brandstofcel microWKK’s daarentegen leveren elektriciteit wanneer de vraag naar warmte groot is, dus vooral in de winter. Daarnaast kunnen brandstofcellen flexibel worden aangestuurd. De geproduceerde warmte kan namelijk in een buffervat worden opgeslagen. Zo kan de productie van elektriciteit en warmte ontkoppeld worden en ontstaat de mogelijkheid om tijdelijk meer of juist minder elektriciteit te produceren, al naar gelang de behoefte in de woning of de wijk. Ook zouden in een wijk alle opwekkers met elkaar kunnen worden verbonden zodat
In een brandstofcel vindt geen verbranding plaats maar elektrochemische omzetting van aardgas of groen gas naar elektriciteit en warmte. Hiermee zijn zeer hoge elektrische rendementen mogelijk en zijn er geen schadelijke emissies. Er wordt, met uitzondering van enkele pompen, geen gebruik gemaakt van bewegende onderdelen bij de elektriciteitsopwekking. Een brandstofcel werkt hierdoor geruisloos. De bij het proces vrijkomende warmte kan direct gebruikt worden, zodat vrijwel alle vrijkomende energie wordt benut. Het systeem wordt ook wel micro-warmtekrachtkoppeling genoemd, kortweg micro-WKK. Een micro-WKK kan gebruik maken van verschillende opwektechnieken, zoals een gasmotor of een Stirlingmotor, maar veelbelovend voor de woningbouw is de ontwikkeling van de brandstofcel (SOFC) micro-WKK. Dit type brandstofcel kenmerkt zich door een hoog elektrisch rendement van circa 60%. Dit is hoger dan het rendement van een moderne gasgestookte elektriciteitscentrale! De warmte die bij de elektriciteitsproductie vrijkomt is van hoge temperatuur en kan daarom voor tapwater en bestaande afgiftesystemen in huizen worden gebruikt. Door het relatief kleine aandeel warmte is het gebruik van een buffervat voor de geproduceerde warmte wenselijk. Daarmee ontstaat tevens de mogelijkheid om flexibel te produceren. Een groot voordeel van micro-WKK is dat elektriciteit lokaal wordt opgewekt, zodat grote energiecentrales minder elektriciteit hoeven te produceren en netwerkverliezen worden geminimaliseerd. De geproduceerde elektriciteit kan gebruikt worden voor huishoudelijke apparaten en voor het opladen van een elektrische auto.
21
Figuur 6. Ontwikkeling belastingprofiel woonwijk, 2010 en 2030. Laadstrategie Elektrisch Wegvervoer, Netbeheer Nederland, 16 januari 2013.
energiegids.nl
een grote, flexibele centrale (virtual power plant) ontstaat waarbij het aantal ingezette brandstofcellen afhankelijk wordt gemaakt van het aanbod aan zonnestroom. Op deze manier is het mogelijk om netverzwaringen en -investeringen te voorkomen. Om dit te illustreren is een computersimulatie gemaakt van een wijk van 100 woningen met een maximum opgesteld vermogen aan zonPV (Gemiddeld 2 kWpeak per woning. Ontwerpregel voor de netcapaciteit is in Nederland 1,2 kW per huishouden. Het belastingprofiel laat een vermogen zien van 0,8 kW per huishouden op momenten dat zonPV maximaal zou leveren, zodoende is het mogelijk 2 kW zonPV per huishouden te plaatsen. Bij deze hoeveelheid zonPV zijn zodoende geen netver-zwaringen nodig). In deze wijk wordt gebruik gemaakt van 50 elektrische auto’s en van brandstofcellen waarbij het gemiddelde brandstofcel vermogen 0,5 kWe per woning is. Hiermee kan een woonwijk het gehele jaar door in de eigen elektriciteitsbehoefte voorzien (zie figuur 7). Het verbruik van de woonwijk laat een duidelijke dip in de zomer zien. Dit komt doordat in de winter meer elektriciteit in de woning nodig is voor verlichting. Ook verbruikt de elektrische auto in de wintermaanden extra elektriciteit om de auto te verwarmen. De figuur toont dat het lokale verbruik en de lokale opwekking van elektriciteit volledig op één lijn liggen. Dit is het resultaat van het feit dat in de simulatie de brandstofcel als flexibele eenheid wordt gebruikt in een elektriciteitsvraagvolgende modus; met andere woorden de brandstofcel wordt afgeschakeld op het moment dat meer elektriciteit wordt geproduceerd dan benodigd. In de simulatie kan de wijk al in zijn eigen elektriciteitsbehoefte voorzien. De wijk zou ook netto-exporteur van elektriciteit kunnen zijn. Het is namelijk nog mogelijk om meer brandstofcelcapaciteit in WKK-bedrijf te plaatsen omdat nog niet de volledige warmtebehoefte wordt afgedekt. Een netkoppeling blijft waarschijnlijk toch wenselijk. Bijvoorbeeld om de invoer van duurzame windstroom mogelijk te maken. Of om verschillen tussen wijken en steden op te kunnen vangen. Duidelijk is dat er door het gebruik van micro-WKK netoptimalisaties mogelijk zijn waarmee kostbare aanpassingen aan het elektriciteitsnet vermeden kunnen worden. Kosten die uiteindelijk door de maatschappij moeten worden opgebracht. Momenteel is er nog geen prikkel voor de consument of de netbeheerder om naar een optimale netconfiguratie toe te werken. Hiervoor zullen nieuwe kaders ontwikkeld moeten worden die duurzaamheid faciliteren en tevens de maatschappelijke kosten beperken. De uitdaging voor de netbeheerders is om de optimale mix te vinden tussen lokale vraag, opslag en opwekking. De benodigde lokale flexibele elektriciteitsopwekking kan worden geleverd door de brandstofcel micro-WKK.
Conclusie De combinatie brandstofcel en elektrisch vervoer is een logische combinatie, die aanpassing van het elektriciteitsnet nagenoeg overbodig maakt en ervoor zorgt dat een zeer efficiënt vervoerssysteem ontstaat. Het vormt een aantrekkelijk perspectief waarmee op wijkniveau tot zo’n 70% energie bespaard kan worden. Het besparingspotentieel is dermate groot dat de combinatie perfect past in het streven naar de ontwikkeling van energieneutrale wijken en steden.
Energie productie
Verbruik woonwijk Waarvan EV Totale opwek woonwijk Opwek brandstofcel Opwek zonPV
23
MWh/jaar 375 125 375 205 170
Figuur 7: Simulatie van een zelfvoorzienende woonwijk.
Toekomstmuziek of realiteit? Voor een impressie van de mogelijkheden van de combinatie brandstofcel en elektrisch vervoer bekijk de volgende video door naar dit adres te gaan: http://www.youtube.com/watch?v=V4oXVJdx5AM of scan de QR-code. In dit praktijkvoorbeeld laat een directeur van GasTerra de mogelijkheden zien om thuis de elektrische auto op te laden en de warmte te gebruiken voor warm tapwater en verwarming én dat dit kostenbesparingen geeft. Wel bevinden beide producten zich momenteel nog in de beginfase van marktintroductie en zal het nog even duren voordat deze betaalbaar zijn voor de gemiddelde consument. De ontwikkelingen op beide vlakken volgen elkaar echter in sneltreinvaart op en binnen enkele jaren kunnen beide technieken zich hebben ontwikkeld tot een niet weg te denken product in huis en op de oprit.
