Ad van Wijk appointed KWR Honorary Fellow

Hydrogen pioneer and sustainable energy entrepreneur, Prof. Ad van Wijk, was today nominated Honorary Fellow 2018 for his great contribution to KWR. His appointment was made before the start of the KWR Hydrogen Seminar, in which Van Wijk gave the keynote speech. He was handed his fellowship award by KWR’s CEO, Prof. Dragan Savić. With his appointment, Van Wijk aims to help bridge science to practice.

Great contribution to KWR

KWR awarded Van Wijk this Honorary Fellowship in recognition of his great contribution to the institute. Van Wijk was not only the inspirer of the line of research on water and energy at KWR, but he also helped set it up.

Van Wijk is furthermore the spiritual father of the Power-to-X project, a sophisticated concept for the local use and storage of sustainable energy and (rain)water. His pioneering work led to several publications, notably Solar Power to the People, which he wrote with co-authors from KWR and Allied Waters. Van Wijk also participated in the preparatory thinking behind the Joint Research Programme-WiCE programme on the theme of Energy and Water.

Source of knowledge

Since 2015, KWR has awarded an Honorary Fellowship every year to an individual from KWR’s national and international network, who has made an outstanding contribution to the public and collective values that KWR upholds. An Honorary Fellow is appointed for life, and, together with the other Honorary Fellows, constitutes a source of knowledge, expertise and experience that can be consulted when needed.

Important awards

Van Wijk is a sustainable energy entrepreneur and part-time Professor of Future Energy Systems at TU Delft. He is also associated with KWR, where he is shaping the Energy and Water research programme. Moreover, he is ‘hydrogen ambassador’ for the Northern Netherlands, with the task of establishing a hydrogen economy in the area.

Van Wijk has received numerous important awards for entrepreneurial excellence. For instance, he was chosen ‘entrepreneur of the year’ in 2007, and was ‘topman of the year’ in 2008.

Bridging science to practice

Van Wijk is very honoured by the appointment: ‘Most of all, because my background is not in the water but in the energy sector. KWR is a research institute that has traditionally done a great deal for the water utilities. Now that new challenges are emerging, including those in the field of sustainability, it is very important that KWR extend its knowledge. My appointment certainly contributes to this extension.’

Van Wijk wants to draw on his expertise as a scientist and as a veteran entrepreneur to help KWR strengthen its bridge to practice. ‘Science and practice are not mutually exclusive. Writing reports is useful, but what we must ensure most of all is that the knowledge is actually applied.’

KWR Honorary Fellowship

Over the past few years, KWR has acquired an impressive and conspicuous position in the field of applied research into the water cycle. During this growth process, the commitment, the decisiveness and the support of certain individuals for KWR, and for the Joint Research Programme with the water utilities, have been of vital importance. These individuals include managers, supervisors or proprietors from KWR circles, but also people from the institute’s wider national and international networks. Van Wijk is KWR’s fourth Honorary Fellow, following Martien den Blanken (2015), Joan Rose (2016) and Willy Verstraete (2017).

Waarom waterstof?

Groene waterstof is een belangrijke sleutel voor de energietransitie. Waterstof is een energiedrager, net zoals elektriciteit, en zal naast elektriciteit een belangrijke systeemrol gaan spelen in een duurzaam energiesysteem. Duurzame elektriciteit uit zon en wind kunnen we nu op plekken waar het hard waait of waar de zon veel schijnt, produceren voor minder dan 2 Eurocent/kWh. De verwachting is dat dit binnen afzienbare tijd tot rond de 1 Eurocent per kWh is gezakt. Sinds kort zien we ook in Europa dat er grote zonneparken in Spanje en offshore windparken in de Noordzee zonder subsidie kunnen worden gerealiseerd. Maar de productie van deze goedkope duurzame elektriciteit vindt veelal plaats, ver van waar we de energie gebruiken en niet altijd op het juiste moment. Transport over grote afstanden en grootschalige opslag van energie worden dus belangrijke onderwerpen in de realisatie van een volledig duurzaam energiesysteem.

Om duurzame elektriciteit uit zon en wind door Nederland en Europa te kunnen transporteren, kunnen en moeten we uiteraard het elektriciteitstransport net uitbreiden. Maar er is daarnaast ook een andere mogelijkheid, dat is het omzetten van elektriciteit in waterstof. Waterstof is net als aardgas, eenvoudig via een pijplijn te transporteren. De kosten van energietransport per pijplijn zijn 10-20 keer zo goedkoop als per elektriciteitskabel. Dat geldt voor nieuwbouw, maar er ligt in Europa en zeker in Nederland een zeer uitgebreid aardgasinfrastructuur, die we in de toekomst steeds minder voor aardgas gaan gebruiken. Dit gastransportnet is eenvoudig, snel en goedkoop om te bouwen naar een waterstofinfrastructuur. En ook grootschalige energieopslag in de vorm van waterstof is veel sneller, eenvoudiger en goedkoper te realiseren in onder meer zoutkoepels, dan opslag van elektriciteit. In de verdere toekomst kan waterstof per schip worden geïmporteerd van de plekken in de wereld waar elektriciteit uit zon en wind heel erg goedkoop kan worden geproduceerd, zoals in woestijngebieden en de oceanen. Uiteindelijk gaat het in een volledig duurzaam energiesysteem om de energiesysteemkosten (niet de energiesysteemefficiëntie) om duurzame energie op de juiste tijd en plaats beschikbaar te krijgen.

Als we grote hoeveelheden groene waterstof uit wind en zon gaan produceren plus importeren en via de omgebouwde aardgasinfrastructuur kunnen transporteren, kunnen we waterstof op eenzelfde manier gaan gebruiken als aardgas. Voor het produceren van hoge temperatuur stoom en warmte in de industrie, als grondstof in de industrie, als transportbrandstof voor de mobiliteit, voor lage temperatuur verwarming van huizen en gebouwen en voor elektriciteitsbalancering. Natuurlijk wordt het niet alleen waterstof, maar ook elektriciteit. Zo is batterij elektrisch interessant voor lichtere voertuigen, vaartuigen die niet zo veel kilometers maken. Maar zwaardere auto’s, bussen, trucks, drones, binnenvaartschepen, etc. daar gaat waterstof een belangrijke rol spelen. Verwarmen van woningen met waterstof zullen we vooral op het platteland, in dorpen en oude binnensteden gaan zien. En natuurlijk in allerlei hybride oplossingen, zoals b.v. de hybride warmtepomp-boiler, waarbij de boiler op koude dagen de piekvraag opvangt, eerst nog gestookt op aardgas en later op waterstofgas. Elektriciteit en waterstof worden de energiedragers waarmee de transitie naar een volledig duurzaam energiesysteem, betrouwbaar én betaalbaar gerealiseerd kan worden.

Dit artikel verscheen eerder op omgevingsweb.nl

Waterstof is hét alternatief voor aardgas (CorporatieGids)

In het Klimaatakkoord dat er nu ligt, staat dat in 2050 alle huizen in Nederland gasvrij moeten zijn. Maar wat betekent dit voor woningcorporaties? Hoe en waarmee gaan zij hun woningbezit verduurzamen? Deeltijdprofessor Ad van Wijk windt er geen doekjes om: “We kunnen niet om waterstof heen.”

Ad van Wijk, professor Future Energy Systems aan de TU Delft en duurzaam ondernemer, heeft wat met de natuur en natuurlijke energiebronnen. Niet zo gek misschien, want hij groeide op als boerenzoon. “Dan heb je met alle elementen van de natuur te maken: dat een boom omvalt door de harde wind, dat door de sterkte van de zonnestralen het gras bruin wordt. Ik heb een keer een koe gezien die getroffen was door de bliksem, dat was niet fraai. Dan realiseer je je hoe krachtig de natuur is. Ik kan nu zeggen dat mijn jeugd zeker heeft bijgedragen aan mijn liefde voor energie.”

Onmisbaar
Ad heeft een duidelijke mening over de energietransitie van gas naar gasloos en de uitdagingen die dat met zich meebrengt: “Met alleen windmolens, zonnepanelen en het gebruik van warmtepompen gaat dat niet lukken. Windmolens en zonnepanelen leveren gewoon niet voldoende energie op. Dat komt omdat de energieopwekking onvoorspelbaar is. Als het niet waait, wordt er veel te weinig energie opgewekt om in de behoefte te kunnen voorzien. Waterstof is dan ook een onmisbaar onderdeel om succesvol te kunnen verduurzamen.”

Energiedrager
Gevraagd naar hoe het ook alweer precies zit met waterstof, geeft Ad een verkort college: “Waterstof is geen energiebron, het is een energiedrager. Je moet het dus ergens van maken. Dat kan uit kolen, uit aardgas en uit elektriciteit uit een kolencentrale, dan heb je fossiele waterstof. Maar je kunt waterstof ook maken met duurzaam opgewekte elektriciteit van zonnepanelen en windmolens, dat noemen we groene waterstof. Uiteindelijk moeten we daar op termijn naartoe.”
Zover is echter nog lang niet. “In Nederland staan we nog maar aan het begin van de energietransitie,” aldus Ad. “Maar neem Japan, daar zijn ze veel verder met waterstof. De Olympische Spelen die Japan in 2020 organiseert worden de waterstofspelen. Alle bussen en auto’s voor deze spelen rijden dan op waterstof. En het Olympische dorp gaan ze verwarmen met waterstof.

Eitje, of toch niet?
“In Nederland is bedacht dat we gaan koken en verwarmen met de door zonnepanelen en windmolens opgewekte elektriciteit of met aardwarmte,” gaat Ad verder. “Om huizen daarvoor geschikt te maken moeten cv-ketels worden vervangen door warmtepompen of worden aangesloten op een warmtenet.” Dat vervangen door een warmtepomp klinkt als ‘een eitje’. Doen en klaar, zou je zeggen. Maar daar kijkt Ad toch iets anders naar. “Je loopt tegen twee zaken aan: de kosten en de mogelijkheden. Om met dat laatste te beginnen, er zijn veel plekken in Nederland, denk aan dorpen en oude binnensteden, waar huizen staan die bijvoorbeeld geen spouwmuren hebben. Die huizen kunnen niet voldoende geïsoleerd worden waardoor een warmtepomp niet voldoet als warmtebron. Ook een heel buizenstelsel aanleggen om aardwarmte te transporteren is lang niet overal mogelijk.
Dat brengt mij bij de kosten. Een warmtepomp – oud huis of niet – is een grote investering. Een dure oplossing, zowel voor particuliere huizenbezitters als voor corporaties. Ik heb daar grote zorgen over, en met slimme combinaties kunnen we het vaak goedkoper oplossen.”

Combineren
Het is de kunst om waterstof goed te combineren met elektriciteit of aardwarmte om woningen en gebouwen te verwarmen. “Bijvoorbeeld de combinatie van een kleine warmtepomp met een waterstof cv-ketel. De waterstofketel zorgt dan vooral voor de extra warmte in de wintermaanden, als het buiten koud is. Wanneer de woning is aangesloten
op een warmtenet kan dat ook goed gecombineerd worden met een centrale waterstofketel, die in de winter juist op de koude momenten bijspringt en extra warmte aan het warmtenet levert.”
Combineren is dus sterk, aldus Ad. “Het is nu een combinatie van aardgas en elektriciteit en we moeten toe naar de combinatie waterstof en elektriciteit. Die combinatie is de toekomst, daar ben ik van overtuigd. Er wordt nu wel met waterstof geëxperimenteerd door corporaties, maar dat is kleinschalig en lokaal, daar komen we er niet mee. Op die manier gaan we de klimaatdoelstellingen van 2030 en 2050 echt niet halen. Om het groter aan te pakken, moeten meer windmolenparken op zee worden gebouwd en moeten we af van het rare idee dat we alle groene energie zelf in Nederland moeten opwekken. We importeren nu toch ook 60 procent van onze energie, denk aan de olie. In de toekomst importeren we waterstof bijvoorbeeld uit Marokko waar de zon veel schijnt, of uit Patagonië, waar het altijd lekker waait. En als we die waterstof via een aangepast aardgasnet bij iedereen thuis kunnen brengen, kunnen we sneller en goedkoper de warmtevoorziening in onze woningen verduurzamen.”

Onbekend maakt onbemind
Waterstof is volgens Ad een prachtige aanvulling op de bestaande mogelijkheden. “Het is een schone brandstof, je hebt geen CO2-uitstoot en het tast de ozonlaag niet aan. Daarnaast is het gemakkelijk te vervoeren via aangepaste aardgaspijpleidingen en je kunt het goed en goedkoop opslaan om op een later tijdstip te gebruiken. Dat is met elektriciteit veel lastiger. We praten in Nederland over waterstof alsof het nieuw is, maar dat is niet zo. In de jaren vijftig gebruikten we stadsgas, daar kookten we op en verwarmden we onze huizen mee. Dat stadsgas was voor meer dan de helft waterstof.
Tal van industrieën gebruiken ook al jaren waterstof als grondstof, onder meer om chemische producten te maken.”

Omschakeling relatief eenvoudig
Hoe je als corporatie van de theorie naar de praktijk gaat, is volgens Ad niet zo ingewikkeld. “Ik lees en hoor wel dat waterstof alleen geschikt is voor de industrie, omdat het daar op grote schaal kan worden toegepast. Maar daar ben ik het absoluut niet mee eens. Waterstof is ook prima toe te passen voor woningen. Zonder het te willen bagatelliseren, kan ik zeggen dat de omschakeling van gas naar waterstof in woningen relatief eenvoudig is. Het is echt geen ‘rocket science’. Je kunt waterstof door dezelfde leiding vervoeren als aardgas. Je kunt er ook hetzelfde mee doen: koken en verwarmen. Vorig jaar mei heb ik zelfs de eerste waterstofomelet van Nederland gebakken. En een cv-ketel heeftalleen een andere brander nodig, dat is snel aan te passen door de branche. Daar zijn ze ook al druk mee bezig, er komen nu cv-ketels op de markt die waterstof-ready zijn. Kortom, dit zijn relatief goedkope oplossingen.”
Impact op de energie-index (EI) is er nu niet, aldus Ad. “Er valt geen label op te plakken, simpelweg omdat waterstof nog niet is opgenomen in het indexsysteem, maar dat moet natuurlijk wel gebeuren. Hoe dan ook scheelt het sowieso een hoop CO2-uitstoot. Laten we er gewoon maar eens mee beginnen en waterstof toepassen als duurzame energiedrager.”

Glazen bol
Waterstof zal ook op grote schaal worden toegepast in auto’s, aldus Ad. “Een waterstofauto is ook elektrisch hè. Je tankt, net zo snel als benzine, waterstof en ‘aan boord’ wordt dat omgezet in elektriciteit. Voor grote afstanden is dat ideaal, want je hoeft dan onderweg niet aan de laadpaal.”
Ad voorspelt dan ook dat we allemaal elektrisch gaan rijden, de ene helft van de auto’s met batterij en de andere helft op waterstof. Na enig aandringen wil Ad zich ook wel aan een voorspelling wagen over de omvang van het gebruik van waterstof, de termijn waarop en de verdeling tussen de verschillende duurzame energiebronnen. “Waterstof is hét alternatief voor gas.
Nu nog is 95 procent van de woningen afhankelijk van aardgas, dat zal met waterstof veel minder zijn. Ik voorspel dat uiteindelijk een derde van de woningen gebruikmaakt van een elektrische warmtepomp, een derde van een warmtenet en een derde van waterstof. En nogmaals, daar zitten dan ook veel combinatieoplossingen bij.”
Tijdsbestek
Wat betreft het tijdsbestek om dit te realiseren ontbreekt het volgens Ad aan snelheid. “Toen we eind jaren vijftig de gasbel in Slochteren ontdekten, lagen er binnen acht jaar pijpleidingen door heel Nederland en stapten we massaal van olie, kolen en stadsgas over naar aardgas. Dat laat zien dat we zaken snel kunnen aanpassen. Dat gaat ons echter met het huidige beleid niet lukken, of we moeten het anders regisseren. Nu moeten gemeenten de plannen maken om wijken te verduurzamen en aardgasvrij te maken. Dat is best gek, want de energie-infrastructuur houdt niet op bij de gemeentegrenzen. We moeten dit veel meer op nationale schaal oppakken. Woningcorporaties en hun vertegenwoordigers kunnen en moeten hier een grotere rol pakken en zich goed laten horen aan de klimaattafels.”

Deltaplan waterstof in “Tegenlicht”

Nederland wil in 2050 van het aardgas af zijn. Maar hoe? Omdat zonne- of windenergie lastig opgeslagen kan worden, lijken dat (nog) geen geschikte alternatieven. Daar kan waterstof bij helpen: een unieke eigenschap van de deeltjes maakt dat waterstof energie kan opslaan en transporteren. En toch: Nederland durft de stap niet te zetten. Het is hoog tijd voor een deltaplan.

Regisseur Rob van Hattum houdt zich al sinds de jaren tachtig bezig met waterstof. Hij zag dat een overstap op waterstofgas werd omschreven als de sleutel tot een soepele energietransitie, maar dat er in praktijk op grote schaal weinig stappen werden gezet. Dat moet, en kan, anders: een ‘deltaplan waterstof’ zet pas écht zoden aan de dijk.

Er wordt al druk geëxperimenteerd met waterstof, door grote en kleine partijen. De Gasunie onderzoekt hoe ze duurzame groene waterstof uit zonne-energie kunnen produceren en netbeheerder Tennet wil energie opslaan in de Noordzee (op zogenaamde waterstofeilanden). Shell ontwikkelt waterstof-pompstations, omdat de grootschalige introductie van schone-waterstof-auto’s steeds dichterbij lijkt te komen. Ook op gemeenteniveau zijn ze bezig: het Zuid-Hollandse dorp Stad aan ’t Haringvliet wil in 2025 volledig overschakelen op groene waterstof, en de provincie Groningen schetst vol goede moed een plan voor een nieuwe, aardgasvrije toekomst met waterstof.

De waterstofrevolutie begint in het noorden
De waterstofbelofte laat ook andere landen niet koud: Japan wil de Olympische Spelen van 2020 volledig op waterstof laten draaien en Rusland onderzoekt of ze hun aardgas kunnen omzetten in schonere waterstof.

In Nederland zijn we er al bijna klaar voor: de infrastructuur voor een grootschalige transitie van gas naar waterstof ligt er in Nederland al grotendeels. Het oude aardgasnet, zowel aan land als op zee, blijkt namelijk ook geschikt voor waterstof. Met wat kleine aanpassingen kunnen de miljarden euro’s aan ondergrondse leidingen worden hergebruikt.

Nog even, en we kunnen over. Staan we aan de vooravond van een waterstofrevolutie?

Met o.a.: Ad van Wijk (hoogleraar Duurzame Energie Systemen, TU Delft), Hans Coenen (vice-president corporate strategy Gasunie), Nienke Homan (Gedeputeerde, Groningen), Monique Sweep (directeur Deltawind energiecoöperatie, Goeree Overflakkee), Albert van der Molen (waterstof-expert Stedin Netwerkbeheer) en Stefan Holthausen (bouwer van de Hesla en Waterstofstations).

Regie: Rob van Hattum

Waarom groene waterstof?

Groene waterstof is een belangrijke sleutel voor de energietransitie. Waterstof is een energiedrager, net zoals elektriciteit, en zal naast elektriciteit een belangrijke systeemrol gaan spelen in een duurzaam energiesysteem. Duurzame elektriciteit uit zon en wind kunnen we nu op plekken waar het hard waait of waar de zon veel schijnt, produceren voor minder dan 2 Eurocent/kWh. De verwachting is dat dit binnen afzienbare tijd tot rond de 1 Eurocent per kWh is gezakt. Sinds kort zien we ook in Europa dat er grote zonneparken in Spanje en offshore windparken in de Noordzee zonder subsidie kunnen worden gerealiseerd. Maar de productie van deze goedkope duurzame elektriciteit vindt veelal plaats, ver van waar we de energie gebruiken en niet altijd op het juiste moment. Transport over grote afstanden en grootschalige opslag van energie worden dus belangrijke onderwerpen in de realisatie van een volledig duurzaam energiesysteem.

Om duurzame elektriciteit uit zon en wind door Nederland en Europa te kunnen transporteren, kunnen en moeten we uiteraard het elektriciteitstransport net uitbreiden. Maar er is daarnaast ook een andere mogelijkheid, dat is het omzetten van elektriciteit in waterstof. Waterstof is net als aardgas, eenvoudig via een pijplijn te transporteren. De kosten van energietransport per pijplijn zijn 10-20 keer zo goedkoop als per elektriciteitskabel. Dat geldt voor nieuwbouw, maar er ligt in Europa en zeker in Nederland een zeer uitgebreid aardgasinfrastructuur, die we in de toekomst steeds minder voor aardgas gaan gebruiken. Dit gastransportnet is eenvoudig, snel en goedkoop om te bouwen naar een waterstofinfrastructuur. En ook grootschalige energieopslag in de vorm van waterstof is veel sneller, eenvoudiger en goedkoper te realiseren in onder meer zoutkoepels, dan opslag van elektriciteit. In de verdere toekomst kan waterstof per schip worden geïmporteerd van de plekken in de wereld waar elektriciteit uit zon en wind heel erg goedkoop kan worden geproduceerd, zoals in woestijngebieden en de oceanen. 
Uiteindelijk gaat het in een volledig duurzaam energiesysteem om de energiesysteemkosten (niet de energiesysteemefficiëntie) om duurzame energie op de juiste tijd en plaats beschikbaar te krijgen.

Als we grote hoeveelheden groene waterstof uit wind en zon gaan produceren plus importeren en via de omgebouwde aardgasinfrastructuur kunnen transporteren, kunnen we waterstof op eenzelfde manier gaan gebruiken als aardgas. Voor het produceren van hoge temperatuur stoom en warmte in de industrie, als grondstof in de industrie, als transportbrandstof voor de mobiliteit, voor lage temperatuur verwarming van huizen en gebouwen en voor elektriciteitsbalancering. Natuurlijk wordt het niet alleen waterstof, maar ook elektriciteit. Zo is batterij elektrisch interessant voor lichtere voertuigen, vaartuigen die niet zo veel kilometers maken. Maar zwaardere auto’s, bussen, trucks, drones, binnenvaartschepen, etc. daar gaat waterstof een belangrijke rol spelen. Verwarmen van woningen met waterstof zullen we vooral op het platteland, in dorpen en oude binnensteden gaan zien. En natuurlijk in allerlei hybride oplossingen, zoals b.v. de hybride warmtepomp-boiler, waarbij de boiler op koude dagen de piekvraag opvangt, eerst nog gestookt op aardgas en later op waterstofgas. 

Elektriciteit en waterstof worden de energiedragers waarmee de transitie naar een volledig duurzaam energiesysteem, betrouwbaar én betaalbaar gerealiseerd kan worden.

Using clean cars as power plants: it can be done in the UAE

Note: This post previously appeared on Energy Post

The combined engine capacity of the new cars we build in just one year is more than the entire electricity generation capacity in the world. If we power our cars with fuel cells, we can use them as clean power plants the 96% of the time we are not driving in them, generating all the electricity we need, at competitive costs, with zero emissions. Frank Wouters, Director of the EU-GCC Clean Energy Network, and Ad van Wijk, Professor Future Energy Systems at Delft University of Technology, show how this could be done in the United Arab Emirates (UAE).

We are not using our cars very much in the UAE, nor elsewhere by the way. A quick scan on Dubizzle, the leading internet platform for used cars in the UAE, shows that we drive some 20,000 km per year. At an average speed of 60km/h, this means that we use our car less than 1 hour per day. The remaining 23 hours, or 96% of the time, our cars sit idle. In another context we would call that stranded assets.

Let’s assume that an average vehicle has an engine capacity of 100kW. More than 80 million cars are sold each year, which represents a capacity of 8,000GW. The combined capacity of all power plants in the world producing electricity amounts to 5,000GW, so each year we are adding more capacity in our car engines than we have installed to produce electricity. And we only use those cars 4% of the time, whilst power plants are used thousands of hours per year. Of course a car engine, as we have them now, doesn’t produce electricity, it only moves the car; but let’s look at fuel cell cars.

With an annual addition of 8,000GW of car engine capacity, it would take less than a year to replace the entire existing stock of power plants in the world

A fuel cell is a device that produces electricity from hydrogen, with pure water coming out of the exhaust. If we put a fuel cell in a car, the electricity is used to power electric motors that move the car, just like other electric vehicles. The difference is that pure electric vehicles, or EVs, require batteries, which add weight to the car and require a long time to charge. A fuel cell car can drive 100km on one kg of hydrogen and tanks that take 7kg of hydrogen can be refilled in 3 minutes. Several manufacturers are now offering hydrogen fuel cell vehicles, or HFCVs, among which are Toyota, Hyundai, Honda, Ford and General Motors.

At Delft University of Technology in the Netherlands, the team of Dr. Ad van Wijk, Professor Future Energy Systems, has developed a concept[1]around fuel cell vehicles, that are not only used as cars, but could ultimately replace our power plants. The idea is to use the fuel cell in the car to produce electricity also when it is not driving, which is 96% of the time. To make that possible, the car would need to be hooked up to a supply of hydrogen when it is parked and it needs to be connected to the electricity grid, either at home, at work or in a parking garage.  The exhaust water can also be used as drinking water and in colder climates the waste heat could be used for heating.

how a fuel cell works

Source: http://profadvanwijk.com/books/car-power-plant/

With an annual addition of 8,000GW of car engine capacity, it would take less than a year to replace the entire existing stock of power plants in the world. It is possible to turn our stranded assets into the energy supply of the future, especially if we can find a cost-effective and clean way to produce the hydrogen.

This article describes such a system for the United Arab Emirates, where the entire value chain is clean, i.e. without using fossil fuels.

Hydrogen economy

The term hydrogen economy, first coined by John Bockris at General Motors in 1970, describes an energy system that uses hydrogen as the primary energy carrier. Hydrogen can be produced from water, using clean energy, and when hydrogen is converted into useful energy such as electricity or motion, it only produces water as a by-product.

Due to the lack of carbon or nitrogen, no other harmful exhaust gases are produced, hence burning hydrogen does not contribute to climate change. It should be noted that it is also possible to produce hydrogen from natural gas, or use electricity from fossil fuels to produce hydrogen, so hydrogen is not always “clean”. In fact, 95% of hydrogen is produced from methane today.

The system described here is completely clean, feasible and cost effective and opens an avenue for the UAE or other GCC countries to remain global energy players in the new low-carbon energy paradigm

We modeled such a clean hydrogen system on the UAE, which is a major exporter of oil and gas, but has a strong forward looking vision on energy. The system described here is completely clean, feasible and cost effective and opens an avenue for the UAE or other GCC countries to remain global energy players in the new low-carbon energy paradigm. The main reason being the availability of low-cost solar energy in the region.

The United Arab Emirates

The United Arab Emirates, with oil production of more than 3 million barrels per day, is in the top five for global oil export. The Emirate of Abu Dhabi has the vast majority of the country’s oil and gas reserves, and is considered a low-cost producer.

More recently, the UAE has also led the global race towards ever lower costs for solar power, with a recent bid for ADWEA’s Sweihan solar PV plant coming in sub 3 $ct/kWh, following DEWA’s previous world record low price of 2.99 $ct/kWh for a solar PV plant. In the near future solar electricity will cost around 2 $ct/kWh.

The UAE has among the highest car ownership rates in the world. In Dubai there are more than 540 cars per 1000 inhabitants, so there are an estimated 5 million cars in the country

So the UAE is blessed with low-cost fossil fuels, which has helped build the nation, but the country is equally blessed with low-cost solar energy, which can help sustain its global energy leadership position in a low-carbon future. For that to happen, the hydrogen route could be very interesting.

Cars in the UAE

Let us focus on the cars first. The UAE has among the highest car ownership rates in the world. In Dubai there are more than 540 cars per 1000 inhabitants, so there are an estimated 5 million cars in the country. With each car driving 20,000km per year, this adds up to 100 billion km in total. If all cars were fuel cell cars, and knowing that a fuel cell car can drive 100km on 1 kg of hydrogen, we need 1 billion kg of hydrogen per year.

We want to produce the hydrogen using locally available solar energy, which is the cheapest in the world and which is cheaper than conventional energy. Hydrogen can be made from water using electricity in an electrolyser; present day electrolysers require 50kWh/kg H2, including the electricity required to demineralize sea water and compress the hydrogen. So we need 50,000 GWh of electricity to produce 1 billion kg of hydrogen. With the high number of sunshine hours in the UAE, we would need 23.5GW of solar PV to produce enough H2 for all cars.

Although hydrogen fuel cell cars are still more expensive than standard cars, there is no reason why they should be more expensive in the future, if we manufacture them at similar scale

With an average capacity of 100kW per car, we would have 500GW of fuel cell capacity available to drive, but also to generate electricity for the grid. Remember that most of the times our cars are not used. Given that we have a little more than 27GW of grid connected capacity in the country, this would be more than enough to replace conventional power plants.

Electricity

The UAE electricity consumption in 2014 was 100TWh. Using the fuel cells in the cars when they are not driving and assuming a consumption of 0.05kg H2/kWh, this would require an additional 5 billion kg of H2, on top of the 1 billion kg H2 required to drive the cars. Using the same formula, this requires an additional 117.5 GW of solar PV capacity for the electrolysers producing the hydrogen.

Land requirement

Do we have enough space for that? Per hectare of land, approximately 2.5MW of modern solar PV systems can be accommodated, depending on the efficiency of the solar cells. To cater for the car transportation and electricity production we need 23.5GW plus 117.5GW, which is 141GW. At 2.5MW per hectare, this represents roughly 350,000 hectare or 3,500km2, which is slightly more than the farming area in Abu Dhabi, which presently occupies 200,000 hectares.

The surface area of the UAE is 83,600km2, the majority of which is desert, so we only need 4% of the surface area of the country covered in solar panels to produce enough hydrogen for transportation and electricity production.

Water

Fuel cells not only produce electricity but also water. Every kg of H2 that is converted to electricity produces 9kg of water. Since we will convert 6 billion kg of H2 each year, we will produce 54 million m3 of drinking water.

Since solar PV is the cheapest form of electricity but not dispatchable, it makes sense to work towards a combination of solar PV and electricity from the fuel cells

Each person in the UAE consumes 550 liters water per day, and 56% of that is for residential use. With a population of 9.5 million, the residential water consumption amounts to approximately 1,000 million m3 per year. So apart from transport and electricity, the fuel cells also produce 5% of the drinking water.

Cost

So all of this is technically feasible with present day technology and sounds promising, but what about the cost?  Although hydrogen fuel cell cars are still more expensive than standard cars, there is no reason why they should be more expensive in the future, if we manufacture them at similar scale. So the main difference lies in the cost for the fuel. It requires 50kWh to produce 1 kg of hydrogen and since solar energy costs 2ct/kWh in the UAE, the energy cost to produce hydrogen is 1$/kg.

An electrolyser costs approximately $600 per kW nowadays. If we implement large scale projects such as proposed here, it is safe to assume an electrolyser of 1MW will cost $400,000 in a few years from now. The UAE has more than 2000 annual sun-hours, hence such an electrolyser coupled to a solar PV system would produce 40,000 kg of H2. Assuming a ten-year life and linear depreciation, this would add 1$ to the cost of the hydrogen. The overall cost of hydrogen in such a scheme in the UAE would hence amount to 2$/kg.

In the near future, cars will be able to drive autonomously, so at night the cars can drive to such a car park nearby to earn some money while the owners are asleep

Given the spectacular decline in the cost of solar PV electricity in just a few years, and given that fuel cells, electrolysers and related equipment are not deployed on a mass scale yet, it is safe to assume that this cost estimation is conservative and that the cost will be (much) lower over time. One should always bear in mind that the cost dynamics of hydrogen made like this, since it is made from plentiful sunshine and water, is only related to the cost of the technology, which has a fundamentally different dynamic than e.g. fossil fuels.

A fuel cell car can drive 100km on 1 kg of hydrogen. At 2$/kg for the hydrogen, the fuel costs are 2ct/km. The present cost for unsubsidized petrol in the UAE is 1.81 AED or 50ct per liter. A modern and fuel efficient car that drives 17km per liter therefore has fuel cost of 3ct/km, so a fuel cell car that drives on hydrogen made by solar energy in the UAE is 50% cheaper per km than a conventional car.

Goodbye stranded assets

The interesting part is yet to come. Since we are not using our car much, we can use the fuel cell to produce electricity for the grid when we are not using the car. Per kWh, approximately 50g of H2 is required, which amounts to 10ct/kWh. Since we already have the fuel cells, no or little additional capital costs are required. The present cost of generation in the UAE is approximately 5-7ct/kWh, depending on the Emirate, mainly due to the low cost of natural gas in the UAE. However, there is shortage of natural gas and future supply will increasingly come from LNG, which is more expensive.

The electricity from the nuclear power plants that are currently being constructed in Abu Dhabi will also increase the cost, which are only partly offset by the lower cost of solar energy. It should be noted that, although solar power is the cheapest form of power in the region, increasing shares of solar will introduce additional costs for storage or spinning reserves since the sun doesn’t always shine. Having our fuel cell cars fill the gap and eventually replace gas-fired power plants would be a great proposition.

The UAE has more than 50 years of experience with commercial oil and gas operations, and the hydrogen economy can greatly benefit from this intellectual and physical infrastructure

Since solar PV is the cheapest form of electricity but not dispatchable, it makes sense to work towards a combination of solar PV and electricity from the fuel cells. The maximum share of solar PV in the UAE electricity system without major additional balancing or storage costs is about one third. If we complement that with electricity from the fuel cells, we have mixed electricity costs of 7 ct/kWh, which is in line with the present mix in Dubai. On average, each car would only need to be used approximately 20 minutes every day to produce electricity in this scheme. The hydrogen case can hence compete with the present and planned set-up, which is a combination of gas, nuclear and solar energy, and will improve in the future.

If we convert our cars to fuel cell cars, we clean up the air in the cities, replace conventional power plants by using what we already have a little more, and produce pure drinking water as a by-product. How cool is that?

 

cars take over power plants

Towards a new paradigm

We have described a system, where hydrogen is produced from seawater and low-cost solar energy in the UAE, at a cost of $2/kg. With increasing efficiencies of the technologies involved, as well as scale effects, these costs could well be reduced by another 30-50% in the next decade or so. Half of those costs are the cost for (solar) energy, which is among the lowest in the world. Given the availability of ample land in the UAE, the potential to make hydrogen for the world market is massive and hydrogen made in the UAE could well compete on the global market for clean energy.

If we would dedicate 20% of the UAE land area for the hydrogen economy, we could have 665GW of solar PV capacity to produce hydrogen. This solar capacity would produce 28 billion kg of H2, representing value of $56 billion per year. The UAE now produces a little more than 1 billion barrels of oil every year, which, at $50 per barrel, represents revenue of $55 billion.

Such a scheme would of course require massive investments in infrastructure and would require several decades. The infrastructure would include the solar power plants, the water desalination stations, electrolysers, gas processing equipment, compressor stations and of course hydrogen storage and distribution infrastructure. At the work place, cars could park in a car park building with a supply of hydrogen, and a hook-up to the power grid and water network, plus equipment to measure the hydrogen consumed and electricity and water produced, so the car owner can get paid for the use of the fuel cell in the car. In the near future, cars will be able to drive autonomously, so at night the cars can drive to such a car park nearby to earn some money while the owners are asleep.

The UAE has more than 50 years of experience with commercial oil and gas operations, and the hydrogen economy can greatly benefit from this intellectual and physical infrastructure. Over time, the nation can construct the building blocks for the hydrogen economy, slowly replacing the fossil fuel infrastructure, including export terminals for hydrogen, to continue supplying the world with energy.

The difference is that water and sunshine will always be available.

Editor’s Note

Frank Wouters (frank@frank-wouters.com) is Director of the EU GCC Clean Energy Network, which fosters clean energy partnerships between the EU and the countries of the Gulf Cooperation Council. He is former Deputy Director-General at IRENA (International Renewable Energy Agency) and former Director of Masdar Clean Energy.

Ad van Wijk (a.j.m.vanwijk@tudelft.nl) is Professor Future Energy Systems at the Delft University of Technology in the Netherlands. He is the author of many books and articles, including Our Car as Power Plant, which can be downloaded for free here.

[1] http://profadvanwijk.com/books/car-power-plant/