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


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.


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.


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.


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 ( 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 ( 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.


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.

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: 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,-