“DC in plaats van AC/DC is innovatie 2015”

“DC in plaats van AC/DC is innovatie 2015”

groenebreinbreker500Dit artikel verscheen eerder op P-Plus

Kiezen voor gelijkstroom (DC) in plaats van wisselstroom (AC) kan onvoorstelbare hoeveelheden energieverlies besparen. Dat besef begint nu door te dringen en moet volgens hoogleraar Ad van Wijk als de belangrijkste systeeminnovatie van 2015 worden beschouwd.

Van Wijk maakt deel uit van het Groene Brein, het netwerk van duurzame wetenschappers in Nederland. Dit jaar begon hij aan de realisatie van ‘The Green Village’ bij de TU in Delft, waar geen energieverlies meer is omdat de wisselstroom (AC) uit grote energiecentrales eerst moet worden omgezet in gelijkstroom (DC), zodat alle elektrische apparaten kunnen werken. The Green Village wekt de eigen stroom op en dat is gelijkstroom.

Groene Breinbreker: Wat is de meest duurzame innovatie op energiegebied in 2015?

Antwoord prof. dr. Ad van Wijk (1956): Van Wijk zit als hoogleraar Future Energy Systems aan de TU in Delft bovenop alle innovaties die zijn vakgebied raken. Als oud-CEO van Econcern is hij bovendien niet alleen natuurkundige, maar ook nog eens ondernemer.

Van Wijk komt niet zomaar tot zijn antwoord, maar neemt eerst een ruime bocht, ietwat verontschuldigend. Wanneer hij uiteindelijk bij zijn antwoord aankomt, verwijst hij naar de Wikipedia, voor wie niet weet dat AC/DC niet alleen de naam van een rockband is met wereldhits als ‘Highway to Hell’ en ‘Whole Lotta Rosie’. DC staat voor Direct Current, oftewel gelijkstroom. AC betekent Alternate Current, in het Nederlands wisselstroom. Gelijkstroom is wat alle elektrische apparaten in huis gebruiken, wisselstroom is wat er in de meterkast in huis binnenkomt, aangeleverd door energieleveranciers.

Maar Van Wijk wil eerst uitleggen hoe hij erbij komt om dit onderwerp dat ruim een eeuw geleden al leidde tot ‘The Battle of the Currents’ tot innovatie van 2015 uit te roepen.

Van Wijk: “Ik was de afgelopen dagen in Berlijn bij de bijeenkomst van een Europees energieprogramma. Ik hield er een verhaal en 150 start-ups presenteerden zich. Met deze Groene Breinbreker in het achterhoofd heb ik gekeken of ik hier een keuze uit zou kunnen maken. Ik zag heel veel interessante vindingen. Een Nederlands team presenteerde een nieuw type ontwerp wasdroger die niet langer droogt met verwarmde lucht, maar met de temperatuur die de lucht heeft. Door niet meer te verwarmen, maar de was droog te blazen, bespaart deze technologie 80 procent op de energievraag. En die is heel hoog van wasdrogers, dat weet iedereen: het zijn stroomvreters. Je hoopt dat zo’n bedrijfje Eco-Dryer Systems in Apeldoorn die technologie weet weg te zetten bij fabrikanten als Bosch.

Ook hartstikke leuke technologie is die van het bedrijfje Prodrone. Dit bedrijfje ontwikkelde een technologie om met drones de bladen van windturbines heel nauwkeurig te kunnen inspecteren op scheurtjes of metaalmoeheid. Normaal doe je dat met een camera vanaf de grond. Dat is minder zorgvuldig, want door de drone te programmeren kun je steeds op dezelfde afstand controleren. Ook offshore op 250 meter hoogte, met sterke wind. Dat is heel bruikbaar.

Maar ja, als je me nu vraagt: is dit de innovatie van het jaar, dan zeg ik toch nee. Het zijn eerder allemaal puzzelstukjes, allemaal nodig om die grote puzzel van duurzame energie te kunnen leggen. Maar het zijn niet de baanbrekende innovaties van het jaar 2015. Dan moet je toch meer naar systeeminnovaties zoeken, maar daar geldt weer voor: zo’n doorbraak is lastig aan een enkel jaar vast te plakken. Dat zijn processen die jaren duren, zoals de opkomst van 3D-printen. Daardoor kan de hele maakindustrie veranderen, productie uit verre landen kan terugkomen naar Europa. Je kunt enorm gaan besparen op transportkilometers, op het voorkomen van productie-afval, op het voorkomen van overtollige voorraden. Je maakt elk product zonder afval en zonder er meer van te maken dan je nodig hebt. Dat soort veranderingen krijgen een grotere impact op het energielandschap dan de meeste mensen verwachten. Het Internet of Things is ook geen uitvinding van een jaar, maar ook een systeemverandering, omdat het ons energiegebruik veel beter kan controleren, besturen en behandelen.

Dit jaar is wel de fundamentele vraag omhoog gekomen of we ons elektriciteitsnet moeten omschakelen van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC). De situatie is nu zo dat alle elektrische apparaten de aangeleverde wisselstroom moeten omzetten naar gelijkstroom. In elk apparaat zit een omvormer die dat doet, bij het opladen van batterijen worden ze soms zelfs erg heet.

Met de opkomst van zonnepanelen vragen steeds meer mensen zich af waarom de gelijkstroom die de PV-panelen leveren door een dure omvormer moet worden omgezet naar wisselstroom die vervolgens door alle apparatuur weer wordt teruggezet naar gelijkstroom. Eigenlijk kun je die gelijkstroom gelijk gebruiken voor het apparaat. Als je de batterij van een elektrische auto gebruikt als accu heb je nog eens een extra omzetting. En bij elke omzetting is er 3 tot 5 procent verlies.

Grote energiegebruikers beseffen wat die besparingen kunnen opleveren. Ik zie dit jaar een doorbraak op schepen en bij datacenters. De omzetting van AC naar DC levert enorme warmte op en dus ook kosten om te koelen, de omvormers vragen ook heel wat bedrijfsruimte.

In Delft is aan de bouw van The Green Village begonnen, volledig op gelijkstroom.

Het is een correctie op de geschiedenis. Thomas Edison, de uitvinder van de gloeilamp, wilde al meteen gelijkstroom. Maar Tesla, die bij energieproducent Westinghouse werkte, kreeg het voor elkaar om het netwerk met wisselstroom te voeden, omdat hij de spanning naar een hoger niveau kon brengen. Nu, 115 jaar later, is de situatie totaal anders en kun je energiesystemen lokaal opbouwen, met PV-panelen en windmolens, die door de interne omzetting ook energie verliezen. Het argument van Tesla vervalt daarmee. De hoogspanningskabel van Noorwegen naar Nederland wordt al gevoed door gelijkstroom, op land wordt dat weer op wisselstroom omgezet en in de huizen en kantoren dus weer in gelijkstroom. Zelfs met gelijkstroom van 350 volt kun je al je apparaten nog gebruiken.

Ik zie tal van geïnteresseerde partijen, van ABB tot Siemens tot mensen als Harry Stokman van Direct Current die al jaren ijveren voor gelijkstroom en steeds meer gehoord worden.

De drempel is nu nog de grote onbekendheid van dit onderwerp. En het probleem is dat leveren van gelijkstroom niet mag volgens de huidige wet- en regelgeving. Omdat wetgeving per definitie altijd achter loopt op ontwikkelingen, lijkt mij het beste om van onderaf het nieuwe gelijkstroomsysteem op te gaan bouwen. Dan kan dat begeleidt worden door de ervaringen via Green Deal-achtige constructies, waar de overheid aan tafel zit.”

Stel gratis uw eigen vraag

Dit is de negende aflevering van de serie Groene Breinbrekers. Elke week zal op de website van P+ een praktijkvraag worden gesteld aan een van de 80 wetenschappers die aan het netwerk Het Groene Brein zijn verbonden. P+ roept het bedrijfsleven op eigen vragen te mailen. Beantwoording hiervan is gratis. Over een uitvoeriger onderzoek kan altijd gepraat worden. Vraag mailen naar: editor@p-plus.nl

Opening EnTranCe door Koning Willem Alexander

Dinsdagochtend opende Zijne Majesteit de Koning het nieuwe Energy Transition Centre (EnTranCe) in Groningen. Op EnTranCe – de proeftuin voor energietransitie van de Hanzehogeschool Groningen en Energy Academy Europe –bouwen studenten, onderzoekers, bedrijfsleven en publiek gezamenlijk aan de energievoorziening van morgen.

De Koning verrichtte in aanwezigheid van ruim 250 gasten de opening, waarna hij een rondleiding kreeg over het terrein. Studenten van mbo-, hbo- en wo-instellingen uit de regio lieten samen met docenten en ondernemers de nieuwste ontwikkelingen op energiegebied zien. Namens de TU Delft was ik vertegenwoordigd, met de waterstofauto en het Car as Power Plant concept.

Meer informatie over EnTranCe is te vinden op en-tran-ce.org.

Energy-vally-car-as-power-plant-king-willem-alexander-ad-van-wijk-2

Energy-vally-car-as-power-plant-king-willem-alexander-ad-van-wijk-3

Energy-vally-car-as-power-plant-king-willem-alexander-ad-van-wijk-1

“The energy sector has nothing to do with energy companies anymore”

-This interview was originally posted on Energy Post
Recap in Dutch at newspaper Trouw

There are many developments in the world today that have far more influence on the energy sector than the energy sector itself, says technology visionary Ad van Wijk in this exclusive interview with Energy Post. The Professor in “Future Energy Systems” at Delft University of Technology in the Netherlands explains how LED lighting, a DC grid, fuel cell cars, the Internet of Things and 3D printing are upending our energy system as we know it. “The potential electricity production capacity of our cars – if they became fuel cell cars – is ten times that of our power plants worldwide.”

“The energy sector will develop outside of energy companies,” predicts Ad van Wijk, Professor for Future Energy Systems at Delft University of Technology in the Netherlands. Academic, sustainable energy entrepreneur and innovator, one of Europe’s most influential thinkers describes the paradigm shifts he sees: a switch to LED lighting, a DC grid, and fuel cell cars, plus the emergence of the Internet of Things and 3D printing.

advanwijkOriginally a physicist, with a PhD in wind energy and electricity production, Van Wijk went on to found consultancy Ecofys in 1984. It later became part of Econcern, a company founded by Van Wijk, which he wanted to turn into “the Shell of renewable energy”. In its heyday it owned a wide range of activities and assets, including an offshore wind  farm, several multi-MW solar farms, a bio-methanol plant, energy-producing greenhouses, and a production company making electric vehicles. It also launched a tool to visualise energy consumption in buildings. Thanks to Econcern, Van Wijk was elected Entrepreneur of the Year in the Netherlands in 2007 and Top Executive of the year in 2008. The company turned out to be too ambitious, however, and went bankrupt the next year when the economic crisis hit. Ecofys and several other parts of the business were bought by Dutch utility Eneco.

Today, Van Wijk remains involved in initiatives such as the “Green Village”, a testing ground for new technologies at Delft University of Technology. In this interview, he explains why the positioning of LED lights is as important for energy efficiency as the LED-technology itself. He argues that without changing from an AC to a DC grid, we will never be able to have an energy system based on renewables. He wants us to replace our power plants with cars. And he enthuses about how the Internet of Things and robots with batteries will make demand more flexible than ever before. Van Wijk believes these changes will start to transform the energy system in the next 5-10 years. The biggest problem? Energy companies don’t see it.

Q: What is your vision for the future of our energy system?

A: I am interested in the effect of new technologies on our energy system. Today, I am working on three main paradigm-changing concepts in the energy sector.

The first one is what we call the LED revolution. We are already changing light bulbs to LED light bulbs. Yet a lot of the energy that is wasted in a lighting system is not because a light bulb is inefficient but because you are producing light at the ceiling and consuming it near your eyes. The distance between the production and consumption of light has a lot of energy losses.

Now the interesting thing is that LED is very small – you could integrate it near to your eyes, in a table, chair or even in your clothes or glasses. Then you can save energy from a better technology and a reduced distance for the light to travel. We are only starting to do this.

A lot of the energy that is wasted in a lighting system is not because a light bulb is inefficient but because you are producing light at the ceiling and consuming it near your eyes

Q: What is the size of the efficiency improvement from LED lighting?

A: LED as a technology is 4-5 times more efficient than a regular light bulb and we guess you can have the same improvement again with the distance reduction.

The next step is that LED is a diode – it is also in your TV screen for example – so you can develop new functions for the LEDs integrated into your tables, the floor etc. A company like Desso, which makes carpets, and Philips, which makes LED lighting, have partnered up to integrate LEDs into carpets that can guide you through a building, for example. If you arrive at an office looking for a Mr Petersen, your phone and the LEDs could guide you there. This can also be done in streets or parking lots. So it is a route to new, more integrated products that make your environment smarter.

Q: Apart from LED, what are the other two paradigm shifts you see coming?

A: Second, is the grid. Today the electricity grid is AC (alternating current). But all of our appliances – fridges, LED lighting etc – work on DC (direct current). And all renewable energy production is DC.

So our system today is that if we have a solar cell, we have to convert the electricity [it produces] from DC to AC, put it in the grid at home, and then convert it back from AC to DC in every appliance. If you want to use your car battery to store electricity, you have to convert the power from AC to DC to store it and back again to release it into your house. Every conversion step is a loss in energy. So, we need to change the entire electricity grid into DC.

Today the high-voltage grid across seas and oceans is already DC, it’s called HVDC. We want to do the same at the medium- and low-voltage level. The interesting thing is that you can easily have the 350-400V DC grid in your house – you don’t have to change your wires and you don’t have to change your appliances.

The only thing you have to do is that at this moment all your appliances have an AC-DC converter, but in future you can leave that out. The same is true for a solar system – today you need a DC-AC converter but with a DC grid, you can leave it out. This means you can save 5-10% on investments in a solar system. So it’s not only that you save on energy, you also save on cost.

If you want to develop a totally renewable energy system, you need to do that on DC, in my view it is simply not possible with an AC grid

Q: Why is the grid all AC so far?

A: It’s because of a past battle between Mr Edison and Mr Tesla. Edison, who invented the light bulb, was already working on DC at the time. Tesla was connected to Westinghouse and they made large power plants (initially hydro). The electricity produced somewhere in the Great Lakes had to be transported to Washington DC over a large distance. At the time, Tesla could increase the voltage to a higher level on AC and reduce the loss through cables over a large distance.

So he won that battle you could say. At the time we didn’t have the chips and motors working on DC like today.  Today, because of the introduction of chips, every appliance works on DC. Today, power electronics have developed and we can transport long distance over DC also. All the equipment for a DC grid is there. The only thing we have to do is change the system, which is of course a big change, a paradigm shift.

But you can do it gradually, in parts, even at house level. You could install an AC-DC converter at your doorstep for example. Then you distribute on DC in your house. You save on energy but also on the inverters that you otherwise need.

An example of an energy system of the future

“We do a test in a greenhouse in the Netherlands where we grow tomatoes. Normally you have a lighting system on the ceiling to help the plants grow faster. What we’re doing now is changing to LED lighting. And we want to put the LED lights in between the plants. But it turns out that we cannot do that because every string of LED lights has an AC-DC converter at the end, which has energy losses, which means it becomes hot. If you put this converter in between the plants, they are burned. So what we do is we put the converter outside the greenhouse and a DC grid inside, so that we don’t produce that heat anymore, can put LEDs in between the plants and reduce the energy use by a factor of 10. But we also save 1000 kg of copper per hectare because every AC-DC converter has copper wiring. And now we need only one, not one for every string of LED lights. So this is not only saving on energy, but also on materials.

In the end, if you want to develop a totally renewable energy system, you need to do that on DC because you need so much copper if you have to convert DC to AC and AC to DC again, in my view it is simply not possible with an AC grid. You need to change the system. It’s nothing to do with production, but everything to do with the distribution and use of your electricity.

Q: Who is the driving force for this makeover?

A: For HVDC it’s really the industry – companies like Siemens, GE etc. At the low-voltage level, you see that it is especially smaller, specialised companies. For example there is a company called Nextek in the US that is delivering this kind of systems for your home.

Every fuel cell engine can provide the electricity for 100 houses, not just one. So we can replace our power plants by cars

Energy companies are, sometimes reluctantly, studying the subject. Public authorities are getting more and more interested. But when you look at the electricity laws or codes for the public grid or grids in buildings, you’re not allowed to do something on DC. This is true at EU and also national level. Nobody ever thought you could do it on DC. Therefore the regulations and codes are written in such a way that you can do it in AC but not DC. So you also need innovation in regulation in this case.

Q: What about the grid operators, are they involved in this?

A: No, normally they are so heavily regulated they say ‘oh it’s not allowed’.  Also the advantage is at the customer level, it’s there that you have your energy saving, your renewable energy by solar, your copper saving. For the grid operator it’s more or less the same whether the grid is on AC or DC. They don’t see their advantage.

Q: And what about your final big paradigm shift?

A: Third, is the fuel cell car. Many car manufacturers are now working on this and it is being introduced in California, Germany, South Korea and Japan. The fuel cell car can produce electricity – it is an electric car with an electric motor – but the power comes not from the car’s batteries but is produced on board by a fuel cell converting hydrogen to electricity. The efficiency of this fuel cell is high, 60%.

The idea is that when this car is parked somewhere, it can also produce the electricity for your house, the grid, your office etc. Indeed every fuel cell engine, with about 100kW, can provide the electricity for 100 houses, not just one. The potential electricity production capacity of our cars – if they became fuel cell cars – is ten times that of our power plants worldwide. In Europe, we buy as much electricity production capacity in cars every year, as twice our power plants.

So we can replace our power plants by cars. You could build a parking lot for example, where you connect cars to a hydrogen production facility and to the electricity grid. When there is a surplus of electricity production from wind or solar, you produce hydrogen and store it in the tank of the car. When there is less electricity production, the car can produce the electricity that is needed.

Q: The car becomes both a store and producer of electricity?

A: Yes. And if you think about the development of autonomous driving, you could actually transport the car to where it is needed to produce electricity. Your car will drop you off downtown, drive to a car park to produce electricity and pick you up when you “whistle” for it. The car park can be on the city outskirts so this will also make a city cleaner and carless. We will have a totally different electricity-and-transport system.

Tesla dominates the public debate at the moment, but that’s not the main direction the car manufacturers are going

Q: But all the talk seems to be about battery-driven electric cars?

A: The car manufacturers are all talking about the fuel cell car. Tesla dominates the public debate at the moment, but that’s not the main direction the car manufacturers are going.

Hydrogen also lets you drive long distances: with 20kg of hydrogen in your car you can drive 2000km. And you can fuel your tank – that’s also a difference with a battery-powered car – in 1-2 minutes.

 

cover-green-villageQ: Your speciality is technological developments. Do you see any recognition among policymakers of these changes? In Brussels, the European Commission is talking about a redesign of the electricity market and a “new deal” for consumers, but this is all about smart meters, better information on electricity bills etc. The debate doesn’t seem to stretch to this level of system change. And how to decarbonise transport is a separate discussion all together.

A: These technological developments are happening but you don’t see them in the public debate about how a transition to a new energy system can be done. The public debate and policymakers don’t recognise these developments. It’s going much faster than they think.

Q: Is this a problem, does it risk slowing things down or even blocking them?

A: No. Of course regulation is a part of it, but the main problem is that a lot of these elements are not recognised by the energy sector itself. They don’t see the developments because they are not looking outside their sector. For example, the DC technology is very much driven by companies like Cisco and Apple because they are developing USB standards, for example. And they use DC in their data centres. USB becomes a standard not only for data transport but also for energy transport. Outside the energy sector there are developments that influence it a lot but they are not on the radar of either energy companies or energy policymakers.

These developments will happen, will come and will affect energy companies because it is the customer that is buying these things or using them. You see already Toyota and soon also Hyundai offering a fuel cell car with a plug that can provide electricity for the home.

The energy sector will develop outside of energy companies. For example, the smart meter will be surpassed by the Internet of Things

Q: Are there still energy companies in future? What do they look like?

A: I always say the energy company of the future will be a car leasing company for example. But you can also think that Google will do this together with the car companies. The energy companies of today need to change otherwise they will be out of business. I don’t see them thinking like this today. Traditional energy companies are already puzzled by the developments in renewables.

The energy sector will develop outside of energy companies. For example, the smart meter you mentioned, such a development will be surpassed by the Internet of Things. Every appliance will be able to measure its own energy consumption. Let’s take a fridge company – it will lease a fridge to you, including the electricity for it. The company then has a million fridges all over Europe and goes to trade on the electricity market. When there is an excess of electricity it turns the fridges up – so they cool a bit more – and when there is less, it turns them down and consumes less (then the price is also high). It’s nothing to do with energy companies anymore.

Q: As we move to a much more distributed energy system, what role is left for big, centralised infrastructure such as offshore wind farms and a high-voltage grid?

A: You can produce electricity from wind, solar etc. on a large scale. But it’s not necessarily an electricity network that will collect this energy. For example, I’m working with some of the world’s biggest companies to put wind turbines in the middle of the ocean where there are much higher wind speeds than in the North Sea. You cannot connect these floating wind turbines to land with a cable – that would be well above 1000 km and very pricey – so what we do is use the electricity to produce hydrogen, put it in a ship and bring it onshore. From there, it can go to fuelling stations for cars or to industry for products because hydrogen is also a chemical component for fertilizers for example.

I’m working with some of the world’s biggest companies to put wind turbines in the middle of the ocean where there are much higher wind speeds than in the North Sea

There will [still] be a high-voltage network but there is a decreasing need for it – you can do a lot on a local scale and you can do a lot of energy transport via ships and roads too.

Q: To what extent is energy policy shaping our future energy system?

A: You need energy policy. You need it to implement hydrogen fuelling stations in Europe for example. There is a need for a carbon price or something similar to stimulate the production of clean energy. On the other hand, some of these things will happen simply because companies and consumers produce and buy them. Without regulations. It’s not forbidden to connect your car to your house to produce electricity.

Q: How do oil and gas companies view these developments? Offshore production, hydrogen etc are not a million miles away from their expertise.

A: A lot of these companies are busy with their normal oil and gas reserves but you see for example Shell not opposed to hydrogen. First, it is also a fuel. Second, you can produce hydrogen from normal natural gas (and in the future through electrolysis driven by wind and solar power). In Germany, a coalition that is building 400 hydrogen fuelling stations consists of Shell, Total and car manufacturers.

Q: Are there are any other paradigm shifts you see coming?

A: I already mentioned the Internet of Things and the fridge example. Today we think we need batteries for flexibility but it can be done through demand too, and robotising. Today you plug in a vacuum cleaner and you need 1000 W at that time. In future, it will be a robot crawling around on the floor with a battery. The battery will be charged when the electricity price is low and you can still clean whenever you want.

Robotising and the Internet of Things will make all devices clever and demand much more flexibility. Every appliance, from your fridge to your car, will have chips, an internet connection and a battery.

And what does 3D printing mean for energy demand? You will use more electricity at home but less energy in the total system because of avoided transport and logistics. You need to transport your raw material of course, but that doesn’t cost as much energy as shipping all your finished goods from China for example. You will be able to produce personalised products at the location where you need them, on time. You will cut waste by only producing what you need.

 

20150907-green-villageQ: Does this mean Europe will de-industrialise?

A: Industry will develop these printers and designs [for printing] but if you want to make chairs or kitchen appliances etc. you will be able to do that at home.

I think there are many developments in the world today that have much more influence on the energy sector than the energy sector itself and also policymakers around energy.

Q: What is the timescale for all these system changes?

A: All these developments will happen, the only question is when. I think the fuel cell car will take at least another 10 years before it produces any major changes in the energy sector. But the LED revolution and Internet of Things will go much faster – I see them coming in 5-10 years already. The DC grid, I don’t know, I think you will see it develop very fast in certain areas – new towns in China for example – but in Europe I’m not sure. On the low-voltage level you will see some developments in buildings in the next 5-10 years but I’m not sure whether the grid itself will change that fast.

However, well before 2050, you will see large impacts of all these developments on the energy system.

Editor’s Note

This is the first in a series of interviews with leading energy thinkers who will be speaking at KIC InnoEnergy’s Business Booster event in Berlin on 21-22 October. Energy Post will be hosting a panel debate at the event on “the innovations that will transform European energy”. You can register for this event here.

Concurreert de waterstofauto de stekkerauto van de weg?

Origineel verschenen in het Nederlands Dagblad (door Jaap Roelants)

Gaat de auto straks ook voor licht en warmte in huis zorgen? De auto als energiecentrale voor woning of kantoor? Deze week leverde Hyundai aan speciale afnemers, waaronder Rijkswaterstaat, de eerste zeven auto’s die op waterstof rijden. De brandstofcellen van deze auto’s zijn zo sterk dat het zin heeft ze ‘s avonds aan te sluiten op de energiecentrale van de woning. Op een volle tank waterstof zit een huisgezin er avondenlang warmpjes bij.

tudelft-logoOnderzoekers van de Technische Universiteit in Delft zijn ervan overtuigd dat de nieuwe brandstofcel van waterstofauto’s ook energie kan leveren aan huizen en kantoren. In samenwerking met een aantal partners doet de TU Delft hier onderzoek naar. Nu nog toekomstmuziek, maar straks misschien een welkome aanvulling op de energie- behoefte.

Net als concurrent Toyota zet het Koreaanse Hyundai fors in op de waterstofauto. Autopublicist Niek Schenk verbaast zich er niet over. De waterstofauto heeft twee grote voordelen boven de elektrische auto. De actieradius is met 600 kilometer ruim vier keer zo hoog en het tanken doe je in drie minuten. Bij elektrische auto’s ben je daar nog steeds uren zoet mee. Maar er is ook nog een grote hindernis te nemen: voor waterstof kun je maar op één plaats tanken en die is in Rhoon bij Rotterdam. Binnenkort komt Helmond daar nog bij, maar dat is het voorlopig. Als er niet snel een goed netwerk van oplaadpunten komt, zullen waterstofauto’s niet zo snel populair worden.

Waterstof is relatief eenvoudig en goedkoop te produceren, maar een `kilo’ waterstof kost toch 10 euro. In een tank gaat 5 kilo. Die prijs zal in de toekomst niet veranderen, omdat de producenten van de brandstof niet te erg uit de pas willen lopen met de benzineprijzen. Zorg voor het milieu moet de drijfveer zijn om over te stappen op deze brandstof, niet de prijs, zo vinden alle betrokkenen.

hyundai-ix35-fcevInmiddels heeft Hyundai zelf de eerste hindernis voor het populariseren van de brandstof genomen door de prijs van zijn auto’s sterk te verlagen. Met een prijskaartje van 55.000 euro is de ix35 Fuel Cell van Hyundai weliswaar duur, maar voor een bepaalde groep innovatieve autogebruikers toch betaalbaar. De vijftig auto’s die het merk dit jaar wil verkopen, worden voorlopig vooral aangeboden bij dealers in de buurt van de twee oplaadpunten.

Net als elektrische auto’s voldoen ze aan alle milieueisen. Ze stoten geen CO2 of andere schadelijke stoffen uit. Waterstof kan duurzaam worden geproduceerd en ligt daarmee zelfs een neuslengte voor op stroom uit het stopcontact, die nog vaak in kolencentrales wordt opgewekt. Bovendien bevatten accu’s veel moeilijk afbreekbare stoffen.

Niek Schenk heeft al diverse malen in waterstofauto’s gereden, zowel in de Toyota Mirai die in Japan en de Verenigde Staten is geïntroduceerd, als in de Hyundai die nu in Nederland op de weg komt. Het zijn eigenlijk gewoon elektrische auto’s, alleen de stroom komt uit een waterstofcel en dus niet uit een stopcontact. Het tanken gaat heel gemakkelijk en is te vergelijken met een lpg-auto. Ze trekken prima op en rijden bijna geluidloos en je hoeft niet bang te zijn dat ze onderweg stil vallen.

Welke brandstof het uiteindelijk gaat winnen, durft hij niet te zeggen. Het lijkt dat deze nieuwe waterstofauto’s de beste papieren hebben. Maar er wordt ook heel veel onderzoek gedaan naar een betere opslag van energie, dus naar betere batterijen zodat de actieradius van elektrische auto’s groter wordt. Als de wetenschap dat probleem weet op te lossen, liggen de papieren natuurlijk weer heel anders. Afwachten dus.

‘Vrijplaats mag geen museum worden’ (Dutch only)

Proefdorp voor duurzame techniek

Auteur: Ad Tissink. Origineel verschenen op www.cobouw.nl/duurzaamheid
Auto’s die energie leveren met hun brandstofcellen, huishoudrobots die zichzelf opladen als de stroomprijs laag is, rioolwaterzuiveringen die grondstoffen leveren. Veel puzzelstukjes voor een duurzame leefomgeving zijn er al. In Green Village ontwikkelen ze die verder en maken er de complete puzzel.

Tot nu toe was het vooral een woning. De verduurzaamde doorzonwoning Prêt-à-Loger staat al sinds september vorig jaar op het braakliggende terrein dat overbleef nadat de Bouwkundefaculteit afbrandde. Vorige week kwam daar een waterstofauto bij. Die moet nu nog geregeld naar Rhoon rijden om de tank te vullen met waterstof. Maar hoogleraar Future Energy Systems Ad van Wijk verwacht dat hij eind dit jaar al kan inpluggen op het huis en zo stroom kan leveren of juist opnemen van de zonnecellen op het dak.
Als het aan het brein achter Green Village ligt, is de volgende stap de aanleg van een infrastructuur met water, waterstof, warmte, data- en stroomkabels. Niet voor wissel- maar voor gelijkstroom. In een goed toegankelijk kabelkanaal dat deels transparant in
constructief glas wordt uitgevoerd. Want Green Village wil de werking van de duurzame technologie nadrukkelijk aan iedereen tonen. In het hoekje van de campus wordt een voorschot genomen op de toekomst.

Snel

Als de infrastructuur er ligt, verwacht Van Wijk dat het snel kan gaan. Dan kunnen bedrijven en instituten een paviljoen neerzetten waar ze onderzoeken starten naar led-verlichting, 3D-printen met biobased materialen, het produceren van waterstof rechtstreeks uit zonlicht, of de productie van drinkwater door omgekeerde osmose.
Van Wijk: “Veel van die puzzelstukjes zijn er natuurlijk al. Maar we brengen ze hier verder en knopen ze aan elkaar. We bieden de systeemcontext waarin bedrijven echt kunnen zien waar ze in de praktijk tegenaan lopen. Zo leerde de bouw van een infratunnel voor
warmteleidingen aan de Zuidas dat die een mooie leefplek vormt voor ratten. Ogenschijnlijk een onbenullig probleem, maar ze helpen een project om zeep als je er geen passende oplossing voor hebt.

Gevechten

Van Wijk levert zelf nog gevechten met de hagelnieuwe waterstofauto. Hij start niet, het alarm gaat plotseling af, de raampjes willen niet open. Het ligt meer aan hem dan aan de auto waarschijnlijk, maar ook dat zijn serieuze hobbels.

green-village-vrijplaats-mag-geen-museum-wordenHij staat er een beetje verloren bij nog, Prêt-à-Loger. De energieneutrale doorzonwoning die vorig jaar een wedstrijd won voor duurzame bouw in Parijs is nu de kwartiermaker van Green Village, een proeftuin voor duurzame technologie. Niet alleen voor duurzame woningbouw, ook voor duurzame waterbehandeling, duurzame energievoorziening, duurzame mobiliteit, duurzaam alles…

Het project is de wederopstanding van Ad van Wijk, die tot 2009 aan het roer stond van Econcern. Dat bedrijf bouwde windmolenparken, biomassacentrales en ontplooide andere activiteiten op het gebied van duurzame energie. Aan het begin van de financiële crisis ging het 1400 man tellende concern failliet.

De onophoudelijke stroom duurzame ideeën bij de voormalige ceo kwam daarmee niet ten einde. Sinds vier jaar is Van Wijk hoogleraar Future Energy Systems aan de TU Delft. Op die plek bedacht hij Green Village, een plan waaraan experts van alle faculteiten meedoen. Van Technische Natuurkunde tot Bouwkunde, van chemie tot elektrotechniek. Het bedrijfsleven wordt van harte uitgenodigd mee te doen. Niet alleen om te sponsoren, maar vooral om hun nieuwe technologieën, producten en systemen te testen en verder te ontwikkelen. Uit de kruisbestuiving van bedrijven, studenten en onderzoekers van verschillende disciplines moeten mooie dingen ontstaan.

“In Green Village kan ik verder gaan dan in mijn vorige werk”, vertelt Van Wijk. “Een offshore windpark bouwen als Prinses Amalia was natuurlijk een enorm avontuur, maar een commercieel bedrijf als Econcern was genoodzaakt zich aan te passen aan de bestaande  infrastructuur. Het is veel efficiënter om de stroom van windmolens onderweg naar een gebruiker niet een paar keer om te zetten tussen DC en AC, maar we moesten wel. In Green Village gaan we een complete gelijkstroominfrastructuur bieden. Als je decentraal energie opwekt is dat veel efficiënter. Je hebt niet al die omzettingsverliezen en gebruikt minder materialen als koper. De benodigde elektronica is nog eenvoudiger ook, dus het is ook nog eens veel robuuster.”

Geen lantaarnpalen

The Green Village krijgt geen lantaarnpalen, omdat die net als de meeste lampen veel licht verstrooien en zo energie verspillen. In de proefwijk van de TU Delft wordt led-verlichting  ondergebracht in stoepranden, straatmeubilair en op andere plekken waar dat handig blijkt. Onderzoek moet uitwijzen hoe mensen de openbare ruimte ‘s avonds beleven en wat het effect is op de sociale veiligheid.

Green Village loopt daarbij wel tegen juridische belemmeringen aan. Een DC-netwerk exploiteren mag wettelijk niet eens. De Elektriciteitswet en normen als NEN 1010 maken het onmogelijk. Van Wijk rekent erop dat er een ontheffing komt en dat de overheid Green Village als kans aangrijpt om structurele oplossingen te bedenken voor deze en andere belemmeringen.

Led-lampjes

Ook led is een van de grote technologische doorbraken waarvan de voordelen in Green Village pas echt tot hun recht zullen komen. Van Wijk wijst naar de lamp boven de tafel in het Prêt-à-Loger-huis, waar het interview plaats vindt. Er zit een peertje in waarin onzichtbaar led-lampjes zijn verwerkt. “Dat verbruikt vier keer minder stroom dan een traditionele gloeilamp. Maar als je goed nadenkt, is het gek dat je het licht boven genereert, terwijl je het beneden op het tafelblad nodig hebt. Door led-strips in het tafelblad te integreren, of in de fruitschaal of in de rugleuning van je stoel of waar dan ook, verstrooi je minder licht en ben je efficiënter. Zo kun je vermoedelijk nogmaals met een factor 2 minder energie toe. Samen is dat acht keer. Wanneer je met gelijkstroom werkt en niet al die omzettings- en transportverliezen hebt, kun je dat opvoeren tot een factor 10.” Overigens loopt hij ook daarbij tegen wettelijke beperkingen aan. In dit geval vooral van de Arbowet. Die schrijft niet alleen verlichtingsniveaus voor op werkplekken, maar ook in de zone er direct omheen. Het contrast mag niet te groot zijn. Van Wijk verwacht dat Green Village wel een ontheffing zal krijgen, maar daarvoor zullen wel overheden moeten worden bewerkt. Daar ligt een schone taak voor de kersvers aangestelde zakelijk directeur Jaron Weishut.

De derde pijler onder het Green Village-project omschrijft Van Wijk als the car as powerplant. Twee weken terug nam hij de sleutels in ontvangst van een Hyundai ix35, de eerste waterstofauto van Nederland. Het is voor hemzelf en zijn team duidelijk ook nog even wennen, want het interview vindt wat later plaats omdat de accu leeg was. Hij wist niet zeker of je net als bij een benzine-auto de klemmen van een accukabel van de ene auto op de andere kan overzetten. Dat bleek wel het geval en toen de brandstofcel was geactiveerd, arriveerden Van Wijk en Weishut iets verlaat bij Prêt-à-Loger. “Het zijn van die kleine dingen die je moet ondervinden door het te doen”, verontschuldigt hij zich.

In een e-book dat vorig jaar verscheen zet Van Wijk zijn visie uiteen over de rol van die auto. Door de efficiëntie waarmee de brandstofcel waterstof omzet in elektriciteit is het volgens hem een veel efficiëntere en meer flexibele energiebron dan een conventionele elektriciteitscentrale. Het vermogen van de cel van één auto is bovendien genoeg om honderd huishoudens van stroom te voorzien. Een parkeergarage met 500 auto’s volstaat dus voor de stroomvoorziening van alle woningen in een stad als Delft. “Nu lukt dat niet met één parkeergarage, mensen willen ook rijden in hun auto’s. Maar met enkele garages kom je waarschijnlijk een heel eind. Daar moeten technische systemen voor worden ontwikkeld maar ook nieuwe businessmodellen. Je zult mensen immers moeten betalen voor de inzet van hun auto als energieleverancier.”

De artist’s impression van Green Village laat centraal in het plan een parkeergarage zien. Maar dat wordt zeker niet die parkeergarage met vijfhonderd plekken, verzekert Van Wijk. Eerder een onderzoekslaboratorium met een paar laadstations. “En het zal, zoals alles moet wijken zodra de techniek is uitontwikkeld of niet blijkt te werken”, waarschuwt hij. “Als iets mainstream is geworden en niet meer mee-innoveert, is er geen plek meer voor in Green Village.” Dat huis van de toekomst van Chriet Titulaer had wat hem betreft na twee jaar al wat treurigs en leek wel een museum voor verouderde technologie. Dat willen we koste wat kost voorkomen door duidelijke afspraken te maken met de partners en die vast te leggen in een circulariteitsovereenkomst.

“Dat geldt dus ook voor Prêt-à-Loger”, zegt hij terwijl hij zijn blik laat glijden door de experimentele woning. “Als er voortdurend innovaties komen en er bijvoorbeeld usb-stopcontacten worden aangebracht, die behalve data ook stroom afgeven, dan mag het nog een tijdje blijven staan. Misschien kunnen ze ook eens experimenteren met een flinterdunne vloerverwarmingsfolie die een Turkse fabrikant pas onder mijn aandacht bracht. Blijven ze de nieuwste technieken en producten testen, dan houden we ze graag binnenboord. Blijven ze de verduurzaamde doorzonwoning die ze nu zijn, dan moeten ze over een paar jaar onherroepelijk het veld ruimen.”

Origineel verschenen op www.cobouw.nl/duurzaamheid

All electric; duurzaam, flexibel én betrouwbaar

Onze energievoorziening wordt onmiskenbaar all-electric. Ons dagelijks leven wordt meer en meer elektrisch, meer IT, robots, computers, smart phones, tablets, routers, the cloud, social media, streaming, elektrisch koken en uiteindelijk het internet of things and everything. Verwarmen en koelen van onze gebouwen en huizen gaan we doen door warmte en koude op te slaan en met een elektrische warmtepomp op de gewenste temperatuur te brengen. Onze transport sector wordt elektrisch, van elektrische fietsen, scooters tot elektrische auto’s, trucks, bussen en boten. Die elektriciteit wordt geleverd door batterijen en brandstofcellen aan boord gevoed door waterstof. Ja zelfs onze industriele productie wordt meer en meer elektrisch door het gebruik van additive manufacturing (3D printing), robots en IT.

Al die elektriciteit gaan we natuurlijk duurzaam opwekken, zon en wind natuurlijk maar daarnaast waterkracht, geothermie en biogas dat via de brandstocel in de auto ook kan worden omgezet in elektriciteit. Sommige van deze duurzame opwek zal grootschalig zijn, grote windparken op zee, zonnecentrales in de woestijn, grote waterkracht en geothermie centrales. Maar we krijgen ook heel veel locale elektriciteitsopwekking met zon en wind, kleine waterkracht en elektriciteitsproductie met de brandstofcel auto.

Dit wordt een heel ander energiesysteem dan we nu kennen, heel veel kleine gedistribueerde lokale elektriciteitsproductie en overal. Daarnaast grootschalige elektriciteitsproductie op plaatsen waar het hard waait, de zon goed schijnt, het water valt of de stoom letterlijk de grond uit spuit. Maar ook de elektriciteitsvraag verandert sterk, het wordt all electric, dus er komt heel veel elektriciteitsvraag bij. Het patroon van de elektriciteitsvraag in de tijd zal dus sterk veranderen. En de elektriciteitsvraag zal niet meer zo star zijn, overal komt opslag in. Kijk maar rond, in je smart phone, tablet, laptop, in je elektrische tandenborstel, je stofzuigerrobot, je TV, router, de nieuwe robots, 3D printers. Uiteindelijk zitten of komen in al je apparaten, als ze aangesloten worden op het internet of things, batterijen. Maar ook in de elektrische auto’s zitten grotere batterijen, in je verwarmingssysteem met elektrische warmtepompen is er opslag van warmte of koude mogelijk. Bij datacenters en mobiele zendmasten staan grote back-up systemen, etc. etc.

De flexibele vraag afstemmen op het duurzame aanbod is een interessante puzzel voor de komende jaren. Daarbij gaat het niet om één oplossing, maar om een scala van oplossingen, die sterk locatie, toepassing en systeem afhankelijk zijn. Je kan denken aan demand side management, meer elektriciteitsnetwerk capaciteit, elektriciteit omzetten in waterstof, methaan, ammoniak, etc., elektriciteitopslag in capacitors, batterijen, vliegwielen, elektriciteitsopslag in perslucht of omhoog gepompt water. Of via omzetting in warmte, koude, drinkwater, producten en dat dan opslaan. Kortom er is veel mogelijk maar laat ik nu eens 3 systemen beschrijven die de komende jaren gerealiseerd gaan worden, van groot naar klein.

In Saudi-Arabië heeft men vergevorderde plannen om een 4 GWp zonne-energie centrale te bouwen die dag en nacht gemiddeld 1 GWp flexibel moet kunnen leveren. In totaal gaat deze installatie 9 TWh leveren, genoeg voor een flinke stad. Ze doen dit door op de momenten dat er teveel elektriciteit geproduceerd wordt elektriciteit via electrolyse om te zetten in waterstof en dat op te slaan. Als ze tekort komen zetten ze de waterstof weer via turbines om in elektriciteit. Het consortium dat dit gaat bouwen verwacht een gehele systeemkostprijs van 5 $ct/kWh te realiseren.

Bij het uit te breiden vliegveld Lelystad wordt een fors nieuw terrein ontwikkeld met een Solar Parking site. Boven de parkeerplaatsen komt een groot zonne-energie systeem. LED verlichting op het hele parkeerterrein. En uiteraard parkeerplekken met oplaadpunten voor de elektrische auto’s. Parkeren bij een vliegveld betekent dat je goed weet wanneer de auto’s komen en wanneer ze weer vertrekken. Dus we kunnen de batterijen van de auto’s gebruiken als opslagsysteem. Extra snelladers met vliegwiel opslagsystemen die snel een groot vermogen kunnen leveren worden geplaatst om de batterijen van de auto’s vol te laden als dat onverhoopt nodig is. Dit hele parkeerterrein zal met een DC netwerk de diverse funkties aan elkaar verbinden waardoor onnodige AC-DC en DC-AC verliezen worden vermeden. Het uitgangspunt is om het geheel zo te ontwerpen dat er geen uitwisseling met het openbare elektriciteitsnet nodig is.

Thuis kun je zelf aan de slag met opslag en power management. In je werkkamer bouw je een eigen klein energiesysteempje. Je verbindt met de USB 3.1 kabel je computer met je laptop, je oplader van de smartphone een paar LED lampjes en zonnecellen met USB uitgang (b.v. het WakaWaka lampje zou je kunnen gebruiken). Met een beetje handigheid kun je het power management programmaatje of app van de laptop of smartphone ombouwen om het power management voor dit systeempje in zijn geheel te gaan doen. Je gebruikt dan de batterijen van je laptop, smartphone, etc. in twee richtingen. Als je nu ook nog je home trainer in je werkkamer met piezo-elektrische elementen gebruikt en op het systeempje aansluit, ben ik benieuwd hoeveel je na een jaar bent afgevallen om dit systeempje helemaal los van het net te kunnen laten werken.

Ad van Wijk, Januari 2015

Deze column verscheen eerder bij Energie Actueel

Publicatie: ‘Het beste idee van 2014’

Op 15 november is ‘Het beste idee van 2014‘ verschenen. Aan meer dan 100 wetenschappers, denkers, schrijvers en kunstenaars is gevraagd wat het beste idee van 2014 is, op hun eigen vakgebied of daarbuiten, van henzelf of van een ander, in binnen- of buitenland. De bijdragen gaan over politiek, filosofie, kunst en wetenschap. Soms behandelen ze grote, algemene zaken, soms zijn de ideeën heel concreet.

Er ademt – net als in 2013 – een geest van optimisme uit de bijdragen. Er is veel vooruitgang op veel gebieden. Maar ook klimaat en duurzaamheid komen vaak voorbij: het is een belangrijk thema voor het bedrijfsleven en de wetenschap. Daarnaast houden ziekten ons bezig. Er wordt veel gedacht in ons taalgebied. Deze bundel laat dat bruisende gedachteleven zien. Alle universiteiten in Nederland en België zijn vertegenwoordigd en de meeste faculteiten.

Dit jaar is er ook ruimte voor ideeën uit het bedrijfsleven: o.a. NXP, Shell, ING en KPN dragen ook ideeën bij.

Alle bijdragen van afgelopen jaar staan op de site: www.uitgeverijdewereld.nl. De nieuwe bijdragen verschenen daar op 15 november 2014. Het boek is ook als PDF te downloaden.

De hashtag op Twitter is #besteidee2014

Het beste idee van [jaar] verschijnt jaarlijks.
ISBN: 978-90-79051-11-3
prijs: € 14,95,-