Solar Power to the People: Systeemontwerp Power-to-X

De Klimaatwet en het Klimaatakkoord zijn allebei heel duidelijk, Nederland moet in 2050 een 100% duurzame energievoorziening hebben en in 2030 een CO2 reductie van 49% of zelfs 55% hebben bereikt. Er moet nog veel gebeuren om onze energievraag te verduurzamen en gelukkig gebeurt dit ook in een steeds sneller tempo. Maar door het niet-continue opwekpatroon van zon- en wind, het feit dat niet de hele energievoorziening met elektriciteit kan worden ingevuld en de toenemende beperkingen op het elektriciteitsnet met betrekking tot het aansluiten van zon- en windparken is het belangrijk om een deel van de duurzame stroom om te zetten in andere nuttige energiedragers. In het Power-to-X concept combineren we opwek van duurzame stroom (zon- en wind) met conversie naar en opslag van waterstof en warmte, plus opvang, opslag en gebruik van regenwater.

In de afgelopen twee jaar is het Power-to-X concept verder onderzocht, met een focus op realisatie in Nieuwegein. In dit rapport worden de bevindingen gedeeld op de onderwerpen elektriciteit en gelijkstroom, warmteproductie, -opslag en -vraag, waterstofproductie en afname en voor het systeem als geheel.

Elektriciteit

Op het WRK terrein in Nieuwegein zijn twee zonneparken aangelegd. Deel één is een 3,8 MWp park met een Noord-Zuid-opstelling, het tweede deel is 5,5 MWp in Zuid-opstelling. Deze parken gaan samen naar verwachting 8,6 GWh per jaar opleveren. Op dit terrein wordt water uit het Lekkanaal t.b.v. drinkwaterproductie voorgezuiverd voordat het naar de waterleidingduinen bij Zandvoort wordt gepompt. Als deze basislast van de opwek van de zonnestroom afgehaald wordt, dan blijft er nog 3,5 GWh/jaar over voor andere vormen van gebruik of omzetting.

De hoogste stroompiek voor teruglevering na aftrek van eigen verbruik is naar schatting 6 MW. Mochten er in de toekomst windturbines (3 x 3.2MW) aan het systeem worden toegevoegd, dan zou er in totaal 30 GWh worden opgewekt. Hiervan kan ongeveer 10,6 GWh door de pompen gebruikt worden, waarna er nog 19,4 GWh over is voor andere vormen van gebruik. De hoogste terugleverpiek na aftrek van eigen verbruik komt dan rond de 15 MW uit. In beide gevallen kan een Power-to-X systeem zorgen voor omzetting van overtollige stroom in andere producten zoals warmte en waterstof. De elektriciteit in het net op alle spanningsniveaus, en daarmee ook binnen de gebouwde omgeving en op het WRK terrein, is wisselstroom (AC, alternating current). Binnen dit project is onderzocht welk deel van het systeem op gelijkstroom (DC) gerealiseerd zou kunnen worden. Redenen om te kiezen voor DC zijn minder energieverlies, minder materiaalgebruik en minder elektromagnetische velden. Gelijkstroomtoepassingen zijn zowel te vinden in de wijk, in de openbare ruimte (openbare verlichting en elektrische laadpalen) en in woningen als in de meer industriële omgeving van het zonnepark, de elektrolyser en de warmtepomp. Op basis van eerste berekeningen is de inschatting dat de voordelen van DC niet zozeer liggen bij het beperken van energieverlies, maar meer bij een reductie van de materiaalkosten doordat er minder omvormers en dunnere kabels nodig zijn. Er zijn echter nog geen DC/DC-omvormers voor grote vermogens (MW bereik) commercieel beschikbaar. Op dit moment zullen deze omvormers kostbaar maatwerk zijn, die specifiek voor dit project gemaakt worden door gespecialiseerde bedrijven. Het is daarom niet te verwachten dat er voor dit eerste systeem een daadwerkelijke kostenbesparing behaald wordt, maar als dit soort systemen op grotere schaal worden ontwikkeld is dit wel mogelijk. Bij verdere ontwikkeling richting realisatie zou de casus Nieuwegein als proof-of-concept kunnen fungeren.

Warmte

Warmte is een heel belangrijk onderwerp als het gaat om het verduurzamen van de gebouwde omgeving, het omvat ruim 70% van de energievraag voor gebouwen. De warmtevraag laat een duidelijk seizoenspatroon zien dat tegengesteld is aan de opwek van duurzame energie met zonnepanelen die steeds meer in de gebouwde omgeving worden gebruikt. Deze mismatch vraagt om seizoensopslag, niet alleen van elektriciteit, maar mogelijk ook van warmte (of andere energiedragers).

In Nieuwegein ligt de wijk Rijnhuizen, waarin zich onder andere een voormalig fort (Jutphaas) en het kasteel Rijnhuizen bevinden. Het gebied bestaat hoofdzakelijk uit kantoren en bedrijven, maar in de komende jaren zullen er 2500 woningen worden ontwikkeld, waarvan een groot deel gebaseerd op transformatie van de huidige kantoorgebouwen. Binnen Rijnhuizen is het mogelijk om voor circa 1700 van de 2500 woningen een lage- temperatuur warmtenet (40 – 50 °C) te ontwikkelen dat gebaseerd is op het Power-to-X concept. In totaal is de warmtevraag 12,5 GWh voor de hele wijk met een piekvraag van ca. 5-6 MWth vermogen. Voor Rijnhuizen worden de mogelijkheden voor realisatie van een lage temperatuur warmtenet inclusief opslag nader onderzocht in samenwerking met marktpartijen. De afweging die daarbij gemaakt moet worden is of warmtelevering het beste op 40 ̊C of 50 °C kan worden geleverd. Factoren die daarbij een rol spelen zijn de keuze voor een tapwatersysteem, ruimteverwarming systeem, het warmtenet ontwerp en de efficiëntie van het warmteopslagsysteem.

In de transitie naar een duurzame warmtevoorziening worden geothermie, restwarmte en aquathermie gezien als mogelijke toekomstige bronnen die een deel van de warmtevoorziening voor hun rekening kunnen nemen. In Nieuwegein zou gebruik kunnen worden gemaakt van het Lekkanaal of het Merwedekanaal als warmtebron (aquathermie). In de zomerperiode (mei-september) kan warmte worden gewonnen en met een warmtepomp van 3-4 MWel vermogen (ca. 12-14 MWth) worden opgewaardeerd naar 50 ̊C dan wel 65 ̊C. Deze warmte kan vervolgens worden opgeslagen in de ondergrond om de seizoensmismatch te overbruggen. Voor de casus
Nieuwegein is onderzocht welk watervoerend pakket (WVP) in deze situatie het meest geschikt is voor opslag en wat het effect van temperatuurverhoging op zowel de chemische als microbiologische processen is. Ondanks richtlijnen van de provincie Utrecht lijkt voor de casus Nieuwegein-WRK terrein opslag in het 1e WVP (tot 50 meter diepte) de beste optie. Voor het onderzoeken van de effecten op de waterkwaliteit zijn op het WRK terrein sedimentmonsters op diepte genomen, die als ‘batches’ in het lab op reactiviteit zijn getest. Qua temperatuurniveau zorgt opslag op 50°C voor een hogere terugwin efficiëntie dan op 65°C. Al met al zijn de resultaten van de experimenten volgens verwachting en verklaarbaar vanuit een bio-geochemisch perspectief. De effecten van de ondergrondse warmteopslag lijken beperkt, zeker tot 60 °C. Als er wordt besloten tot verdere stappen richting realisatie, wordt aanbevolen om uitgebreide monitoring te doen van de effecten bij toepassing in het veld, op basis van de inzichten verkregen uit deze studie.

Waterstof

Waterstof is net als elektriciteit een energiedrager. Met waterstof kan wereldwijd transport en grootschalige opslag van duurzame en koolstofvrije energie mogelijk worden gemaakt. Groene waterstof kan lokaal worden geproduceerd via elektrolyse van (gedemineraliseerd) water, met behulp van elektriciteit uit zon en wind. In Nieuwegein is gekozen voor toepassing van groene waterstof voor mobiliteit, met name voor zwaar transport. Dit is in 2019 mede de drijfveer geweest voor de oprichting van het bedrijf Hysolar B.V. (www.hysolar.nl). In het algemeen ligt het zwaartepunt voor licht vervoer en/of kleine afstanden bij batterij elektrisch vervoer (BEV) en voor zwaar vervoer en/of grotere afstanden bij brandstofcel elektrische voertuigen (FCEV). Voor beide vormen gaan de technologische ontwikkelingen nog volop verder. Het is aannemelijk dat in de toekomst elektrisch vervoer de hoofdrol heeft, gebaseerd op een mix van BEV en FCEV, en hybride voertuigen voor een overgangsperiode. De keuze tussen BEV en FCEV wordt vooral gebaseerd op het aantal kilometers dat op één batterij/tank gereden kan worden en de laadtijd ofwel vultijd. Het belangrijkste knelpunt van BEV nu is de actieradius en voor FCEV zijn met
name de beschikbaarheid en kosten van de brandstofcellen nog een belangrijk probleem.

Om groene waterstof te kunnen maken zijn drie dingen essentieel. De eerste is groene stroom, het tweede is heel zuiver water en de derde een elektrolyser die van deze twee producten (groene) waterstof en zuurstof maakt. In Nieuwegein kiezen we voor realisatie van een PEM elektrolyser van 2 MW. De reden hiervoor is dat op die manier samen met de warmtepomp (3-4 MWel) de pieken in stroomproductie van het zonnepark (max. 6 MW) goed kunnen worden afgevangen. De andere reden heeft te maken met de verwachte afzet, waarbij een productie van ca. 250 ton waterstof per jaar mogelijkheden biedt om met verschillende afnemers afspraken te maken en een business case te creëren, wat bij kleinere volumes lastiger is. Om ieder jaar 250 ton waterstof te kunnen produceren (op 30 bar), moet de elektrolyser ruim 7000 uur per jaar draaien en is ongeveer 14,7 GWh aan stroom nodig. Met de twee zonneparken en aftrek van stroom voor de pompen van WRK en de warmtepomp blijft er nog ongeveer 2,2 GWh over voor de elektrolyser. De rest van de stroom (12,5 GWh) zal voorlopig uit het net moeten komen. Indien er 3 windturbines aan het systeem worden toegevoegd, is het mogelijk om ruim 8 GWh aan stroom
direct uit duurzame bronnen te halen, waarbij nog ca 6,7 GWh stroom uit het net nodig is.

Power-to-X in de praktijk

  • Om meer inzicht te krijgen in de werking van het totale systeem, is het rekenmodel ‘Power-to-X’ verder ontwikkeld zodat voor verschillende scenario’s een energiebalans per uur kan worden opgesteld en economische berekeningen kunnen worden gedaan. Als alle verschillende onderdelen binnen het Power-to-X concept samen gerealiseerd zouden worden, wat betekent dit dan voor de energiebalans van het systeem, en wat zijn de kosten van de verschillende producten? Het staat nog niet vast hoe het uiteindelijke systeem er precies uit zal gaan zien en er zijn nog veel keuzevrijheden. Om meer inzicht te krijgen zijn met het model drie verschillende aspecten van het totale systeem onderzocht;
  • 50 ̊C of 40 ̊C warmtelevering: omdat dit invloed heeft op de grootte van de warmtepomp, het opslagsysteem en de afleverset voor in huis. De analyse laat zien dat de totale systeemkosten voor het Power-to-X systeem in beide scenario’s vergelijkbaar zijn. Wel is het duurder voor de bewoner om op 40 ̊C warmte aangeleverd te krijgen door de huidige kosten van de boosterwarmtepomp. Echter, daar staat tegenover dat bij 50 ̊C warmtelevering het opslagsysteem niet het hele jaar door kan functioneren en er om die reden een extra bron nodig zal zijn, die kosten zijn nog niet in deze analyse meegenomen.
  • Restwarmte uit elektrolyser: De invloed van de integratie van het warmte- en waterstofsysteem is onderzocht door de restwarmte uit de elektrolyser (50-80 ̊C) te gebruiken in het warmtesysteem. Als de restwarmte uit de elektrolyser kan worden gebruikt, leidt dit zowel tot een beter functionerend warmtesysteem waarin minder externe bronnen nodig zijn als een lagere warmteprijs, 10-13% afhankelijk van het scenario.
  • Windturbines: er zijn analyses met en zonder drie windturbines gedaan, omdat er een kans bestaat dat deze uiteindelijk gerealiseerd kunnen worden en deze extra energie grote impact heeft op het systeem. De waterstofproductieprijs wordt licht verlaagd (van 5€/kg kale productieprijs tot 4,7€/kg met windturbines) bij inzet van windenergie omdat er meer lokale groene stroom achter de meter kan worden gebruikt. Bij plaatsing van windturbines heeft het Power-to-X systeem ook een veel grotere potentie om curtailment van lokaal opgewekte groene stroom te voorkomen zonder de netaansluiting te verzwaren.

Conclusies en aanbevelingen

Op basis van de opgedane kennis over het totale concept en de verschillende deelonderwerpen kunnen de volgende conclusies worden getrokken en aanbevelingen worden gegeven. Deze worden in het desbetreffende hoofdstuk (6) verder toegelicht.

Conclusies

  1. Elektriciteit: Een elektriciteitssysteem op DC levert energie en materiaalbesparingen op.
  2. Warmte: Hoge temperatuur warmteopslag (HTO) in het eerste watervoerend pakket wordt aanbevolen
    voor de Power-to-X casus in Nieuwegein.
  3. Warmte: Warmtelevering op 40 ̊C wordt aanbevolen in Nieuwegein.
  4. Waterstof: Er is een groeiende vraag naar zero-emissie vervoer. In Nieuwegein is de geplande
    waterstofproductie geschikt en op een kostenniveau wat toepasbaar is voor mobiliteit.
  5. Waterstof: Gebruik van netstroom is additioneel nodig om de waterstofproductie rendabel te maken.
  6. Integraal: Netverzwaring kan worden voorkomen als naast zon ook wind wordt aangesloten.
  7. Integraal: Het Power-to-X systeem in Nieuwegein heeft kans van slagen
    Aanbevelingen
  8. Inventariseer bij een nieuw project de noodzaak van netverzwaring.
  9. Betrek stakeholders vroeg in het proces.
  10. De slagingskans van een Power-to-X project is groter bij samenwerking met een grootverbruiker van
    stroom.
  11. Maak in het begin een ontwerp voor systeemintegratie.
  12. Zorg voor betrokkenheid binnen het project, maar laat verschillende delen ook los van elkaar ontwikkelen.
  13. Ga aan de slag!