Nederland Waterstofland

Ons land heeft unieke mogelijkheden voor het ontwikkelen van de waterstofeconomie, stelt hoogleraar Ad van Wijk. Groene waterstof wordt een van de dragers van een duurzame energievoorziening, en we hebben de kennis, infrastructuur en industrie om daarmee aan de slag te gaan.

Waterstof. We horen er al zo lang over, en dan meestal gekoppeld aan de vraag of de auto van de toekomst nu op waterstof gaat rijden of op een grote batterij. Net nu het er op lijkt dat de elektrische auto het gaat winnen, komt prof.dr. Ad van Wijk, buitengewoon hoogleraar Future Energy Systems aan de TU Delft en specialist Energie en Water bij onderzoeksinstituut KWR, alsnog met waterstof op de proppen. ‘Vergeet die discussie over de auto maar even. Mijn verhaal heeft een heel andere dimensie.’

Wat is de visie van Van Wijk op de rol die waterstof gaat spelen in ons toekomstige energiesysteem? En waarom moet Nederland daar iets mee? Twee vragen, met in twee deelverhalen de antwoorden: ‘Onze waterstoftoekomst’ en ‘Kansen voor Nederland’.

Ad van Wijk.

ONZE WATERSTOFTOEKOMST

Waterstof wordt een van de dragers van ons duurzame energiesysteem, luidt een van de stellingen van Van Wijk. Dat behoeft uitleg. Bij het maken van waterstof gaat immers energie verloren, dus je zou zeggen dat je elektriciteit maar beter direct kunt gebruiken. ‘Dat klopt op microniveau, bijvoorbeeld als je thuis een zonnepaneel op je dak hebt en je autoaccu wilt opladen als de zon schijnt. Maar ik heb het over ons totale energiesysteem en dan werkt het toch anders.’

Om dat te verhelderen, maakt Van Wijk graag een vergelijking met aardgas. ‘In Groningen hadden we een grote bel en we exporteerden ons relatief goedkope gas naar België, Duitsland en Italië. Nu zijn we bezig gas te winnen in Algerije en bij Australië en verschepen dat vervolgens naar Nederland. Straks gaat het met duurzame energie net zo. Die winnen we met zon en wind op de plekken waar dat het meest voordelig kan, vervolgens brengen we die energie naar plekken waar die het meeste oplevert. En hoe doen we dat transport? Precies, met waterstof. Groene waterstof wordt zo de drager van duurzame energie die zich gemakkelijk laat transporteren en die we voor allerlei doelen kunnen inzetten, variërend van de brandstofcel tot en met industriële processen.’

DOEL OP ZICH

Een veelgehoord verhaal is dat het omzetten van zonne- en windenergie vooral is bedoeld om overschotten aan elektriciteitsproductie nuttig te gebruiken. ‘Zeker; dat gebeurt nu ook al, bijvoorbeeld in Mainz in Duitsland. Maar illustratie Kawasaki dat is in mijn verhaal maar een heel beperkt deel van de totale waterstofproductie.’

Waterstoftankstation in Duitsland.

Bij Van Wijk wordt die waterstofproductie uit duurzame bronnen een doel op zich. Er zijn op de wereld immers altijd wel landen die groene waterstof nodig hebben omdat ze een tekort aan elektriciteit uit zon en wind hebben. ‘Bovendien: elektriciteitsgebruik is maar een kwart van ons totale energieconsumptie. Een kwart is voor transport, een kwart voor woningverwarming en een kwart voor industriële processen.’ En juist voor die andere toepassingen leent waterstof zich zo goed. ‘Waterstof is een grondstof van veel chemische producten en er is prima de hitte mee te produceren die tal van industriële processen nodig hebben. En voor zwaar transport is het de beste groene brandstof in combinatie met een brandstofcel.’

GOEDKOPER

Waterstof als doel op zich betekent dat een deel van de wind- en zonne- energie niet beschikbaar is voor de elektriciteitsvoorziening, terwijl we die ook hard nodig hebben. ‘Hier heb je precies het kantelpunt’, benadrukt Van Wijk. ‘Er zijn op dit ogenblik al locaties waar het produceren van energie uit wind of zon minder kost dan met de goedkoopste fossiele brandstof. Zo is in Dubai elektriciteit met zonne-energie opgewekt voor tussen de 2 en 3 dollarcent per kWh, terwijl op de Noordzee het eerste project in Duitsland zonder subsidie al op stapel staat.’

En die prijsdaling is nog niet op zijn eind. ‘Bloomberg New Energy Finance voorziet tot 2040 een verdere prijsdaling van meer dan 50 %. Met zulke lage kosten wordt duurzame energie niet meer schaars.’ Van Wijk roept het Desertec- project in herinnering; het plan om in Noord- Afrika goedkoop zonne-energie te winnen en die naar Europa te transporteren. ‘Dat liep onder andere stuk op de enorme kosten die moesten worden gemaakt voor het transport via een nog niet bestaand hoogvermogen elektriciteitsnet. Met waterstof is het een kwestie van verschepen.’

Een elektrolyser.

Maar het maken van die waterstof is toch ook duur? Dat gaat meevallen, zegt Van Wijk. Ook bij de waterstofproductie met een elektrolyser, waarbij de stroom het water splitst in waterstof en zuurstof, is sprake van enorme prijsdalingen. ‘Twee jaar geleden rekenden we nog met een prijs voor een elektrolyser van 1200 tot 1500 euro per kW, onlangs werd bekend dat het Noorse NELHydrogen in het Franse Normandië een installatie van 100 MW gaat bouwen voor 47,5 miljoen euro. Dat is dus al voor minder dan de helft.’

Hetzelfde geldt voor de brandstofcellen waarmee waterstof weer is om te zetten naar elektriciteit. ‘Vooral vanuit de Japanse en Koreaanse auto-industrie wordt daar enorm in geïnvesteerd. Ook daarvan dalen de prijzen; de verwachting is dat die bij massaproductie rond de 50 dollar per kW komen te liggen.’

VERGEET ENERGIE-EFFICIENCY

Terug naar het rendement van het omzetten van elektriciteit in waterstof en terug. Dat is niet meer dan 40 tot 50 %, terwijl een auto direct elektrisch laten rijden een rendement heeft van 80 %. ‘Dat klopt helemaal, maar hoeft geen probleem te zijn. Want in Noord-Afrika leveren zonnepanelen drie keer zoveel op als in Nederland. Haal je die energie via waterstoftransport naar ons land, dan heb je met die waterstofauto toch een beter rendement.’ Het brengt Van Wijk tot een van zijn karakteristieke, stellige uitspraken: energie-efficiency is niet meer doorslaggevend. ‘Als het produceren van duurzame energie zo goedkoop wordt en er op aarde plekken genoeg zijn om die te produceren, dan gaat het alleen nog om de kosten. Vaak wordt gedacht dat energie-efficiency de heilige graal is van de energietransitie, maar dat is niet meer zo. Los van het feit dat het altijd verstandig is zo zuinig mogelijk met energie om te gaan.’

De waterstofauto Toyota Mirai.

Van Wijk noemde het al: waterstof is breed inzetbaar. ‘Je kunt ermee stoken, rijden en het als grondstof in de chemie gebruiken. Dat alles gebeurt ook al volop; het is alleen niet algemeen bekend. Tussen Rotterdam, Antwerpen en helemaal tot in Noord-Frankrijk ligt een veelgebruikt leidingnet voor waterstof. Japanse en Koreaanse autofabrikanten hebben een waterstofauto met brandstofcel in die landen op de markt gebracht. Alle in Nederland geproduceerde kunstmest wordt met waterstof gemaakt. In Duitsland werkt onder andere Shell samen met Mercedes, BMW en Volkswagen aan het neerzetten van vierhonderd waterstoftankstations voor 2023. Australië heeft met Japan een overeenkomst gesloten om waterstof te leveren, waarvoor Kawasaki nu een speciaal transportschip gaat bouwen. En onlangs werd bekend dat het Noorse Statoil waterstof gaat leveren aan Nuon voor een van zijn elektriciteitscentrales bij de Eemshaven.’

Wat die voorbeelden volgens Van Wijk ook duidelijk maken, is dat het met de eventuele gevaren van waterstof wel meevalt. ‘Het is een energiedrager en daar moet je per definitie voorzichtig mee om gaan, net zoals bij aardgas of elektriciteit. Maar we hebben genoeg ervaring om er verantwoord mee om te springen.’


KANSEN VOOR NEDERLAND

Waterstof is via elektrolyse met elektriciteit te produceren, maar dan moet die elektriciteit wel voorhanden zijn en het liefst in constante hoeveelheden. ‘Wil je groene waterstof produceren voor een concurrerende prijs van twee tot drie euro per kg, dan moet je zorgen dat het elektrolyseapparaat continu kan werken’, zegt Van Wijk. Hij zet zijn kaarten daarom niet op elektriciteitsoverschotten van zon en wind. ‘Natuurlijk, als zo’n overschot er is, moet je er gebruik van maken. Maar je hebt vooral een continu stroomaanbod nodig.’ Noord-Nederland heeft daarvoor een unieke positie, want zo’n aanbod is te vinden in de Eemshaven. Daar landen diverse grote kabels aan: de NorNed- stroomkabel die loopt tussen Nederland en Noorwegen (700 MW), de kabel van het offshore windpark Gemini (600 MW) en vanaf 2019 de Cobrakabel die loopt tussen Denemarken en Nederland (700 MW). En omdat Noorwegen zijn energie deels met waterkracht opwekt, kan dat land voor het benodigde continue stroomaanbod zorgen.

Waterstofplan voor Noord-Nederland in cijfers.

Van Wijk wil een deel van de waterstof produceren met een biomassavergasser. ‘In een energietoekomst waar we geen fossiele brandstoffen meer gebruiken, hebben we voor de chemie een andere bron van koolstof nodig, en die zal moeten komen van biomassa.’ De combinatie met waterstofproductie door elektrolyse noemt Van Wijk ideaal. ‘Bij elektrolyse komt zuivere zuurstof vrij, die de biomassavergasser nodig heeft.’

TRANSPORTLEIDING

Is de waterstof geproduceerd, dan moet er ook een afzetmarkt zijn, bijvoorbeeld de nu al bestaande grote markt voor waterstof in de chemie. Deels is die te vinden in het noorden, bij het chemiecomplex in Delfzijl. ‘Voorlopig liggen de grootste afzetmarkten in Rotterdam, Geleen en in Duitsland bij de chemieclusters, dus daar moet die waterstof ook heen. En dat brengt een tweede unieke positie van Noord-Nederland in beeld: het gasleidingennet. ‘Vanuit Groningen gaan meerdere gastransportleidingen met grote capaciteit naar het zuiden. Een deel van die capaciteit komt vrij wanneer we in Groningen minder aardgas gaan produceren. Laten we dat leidingnetwerk behouden voor onze energietoekomst door een gedeelte ervan nu al om te bouwen tot een waterstofnet. Veel hoeft dat niet te kosten. Enkele tientallen miljoenen euro’s is voldoende om een grote transportleiding van de Eemshaven naar Rotterdam om te bouwen.’

Om dit voor elkaar te krijgen, ziet Van Wijk weinig technische belemmeringen. ‘Elektrolyse, het zorgvuldig omgaan met waterstof; we weten wel hoe dat moet. En het mooie is dat alle industrie hier in het noorden die is ontstaan rond de verwerking van het aardgas hun expertise kunnen voortbouwen richting waterstof.’ Biomassavergassing vereist wel meer onderzoek en experimenten, onderkent Van Wijk. ‘Dat hebben we nog niet goed genoeg in de vingers.’

GEOÖRDINEERDE AANPAK

Het lastigst noemt Van Wijk echter het realiseren van het waterstofplan dat hij met de Noordelijke Innovation Board maakte. ‘We hebben adviesbureau Accenture gevraagd uit te zoeken wat er nodig is om de waterstofproductie van de grond te krijgen. Dat vereist bedrijven die willen investeren en een overheid die de omschakeling naar waterstof mogelijk maakt. Want nu mogen aardgasleidingen bijvoorbeeld alleen aardgas transporteren. Zo’n gecoördineerde aanpak met een duidelijke regie, waarbij overheid en bedrijfsleven gezamenlijk optrekken; het lijkt alsof we dat in Nederland zijn verleerd. Ik hoop dat het er nu toch van komt, want we hebben met het Eemshavengebied een unieke hot spot om voortrekker te worden van de waterstofeconomie.’(FB)

Dit artikel verscheen oorspronkelijk op https://www.deingenieur.nl/artikel/nederland-waterstofland

Car as Power Plant: nieuwe mijlpaal bereikt!

CaPP_socket_plugEuropese primeur voor Delftse onderzoekers: brandstofcelauto die stroom levert

Onderzoekers van de TU Delft zijn erin geslaagd om een stopcontact als elektriciteitsuitgang te ontwerpen en te installeren op een brandstofcelauto. In samenwerking met innovatieve marktpartijen als Accenda, Stedin, Hyundai, RDW en GasTerra en studenten van de TU Delft, de Haagse Hogeschool en het ROC Mondriaan hebben ze gezorgd dat de zero-emission Hyundai IX35 FCEV nu een energiecentrale op wielen is; een Europese primeur.

Car as Power Plant
De onderzoeksgroep Future Energy Systems van professor Ad van Wijk binnen de vakgroep Process & Energy, faculteit 3mE, doet onderzoek naar verschillende geïntegreerde systeemtoepassingen van brandstofcellen, zoals in het programma Car as Power plant. Brandstofcelauto’s produceren elektriciteit, warmte en schoon water uit waterstof. Dat kan worden gebruikt in huizen, scholen en kantoren. De omgebouwde Hyundai brandstofcelauto kan nu 10 kW vermogen leveren. Dat is genoeg om gemiddeld tien huizen te voorzien in hun elektriciteitsgebruik. Met het stopcontact zijn de innovatoren in staat om de auto elektriciteit geprogrammeerd te laten leveren aan het elektriciteitsnet of direct aan een woning, bijvoorbeeld als aanvulling op zonne- en windenergie. Deze toepassingen worden in de volgende fase onderzocht en getest.

Omdenken in het systeem
Deze innovatie brengt meerdere technologische innovatievraagstukken met zich mee: hoe kan deze auto zijn elektriciteit zodanig leveren dat het elektriciteitsnet met een wisselend aanbod aan zonne- en windenergie stabiel wordt. En hoe kan lokaal en op een duurzame manier de benodigde waterstof worden geproduceerd uit bijvoorbeeld zonne-energie, worden opgeslagen en worden gedistribueerd? Ook ontstaan er vragen op andere, niet technologische domeinen, bijvoorbeeld als het gaat om het verdienmodel van energiebedrijven, de acceptatie door automobilisten, de bestaande wet- en regelgeving omtrent energieproductie en distributie of de training en opleiding van de installatiebranche en automobielindustrie. Om dit soort innovaties uiteindelijk in de praktijk te laten slagen, is het belangrijk te innoveren en om te denken op systeemniveau.

Systeeminnovaties op The Green Village, TU Delft.
Op de campus van de TU Delft werken vele marktpartijen samen aan innovaties op systeemniveau. The Green Village, het ‘levende systeemlab’ van en voor de TU Delft, dat momenteel in ontwikkeling is, brengt alle benodigde stakeholders bij elkaar. Wetenschappers en studenten, bedrijfsleven en overheden participeren in verschillende innovatieprogramma’s, waaronder Car as Power Plant. Al deze partijen werken gelijktijdig, ieder vanuit zijn eigen discipline en expertise, samen aan duurzame innovaties. Zo versnellen we de ontwikkeling ervan en werken we gezamenlijk aan een duurzame toekomst.

CaPP_socket

CaPP_interior

“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.

Presentatie op TEDx Groningen

Met trots kan ik melden een presentatie op TEDx Groningen te hebben gegeven. Het thema was duurzame energie, met de focus op de inefficiëntie van onze huidige manier van leven. De deurbel is uiteraard voorbij gekomen, net als de mogelijkheden die onze auto’s geven om elektriciteit op te wekken.

infographic-car-as-powerplant

Er is hierover ook een artikel verschenen in het Dagblad van het Noorden.

Artikel Autoweek: Auto van morgen – alles wordt anders (Dutch only)

In een uitgebreid artikel in Autoweek wordt het principe van je auto als energiecentrale groots uit de doeken gedaan. In de woorden van de schrijver:
Een brandstofcelauto is niets anders dan een elektrische auto met een eigen elektriciteitscentrale. Als die centrale alleen gebruikt wordt om de auto te voeden, dan zal hij het overgrote deel van de tijd nietsdoen. Zonde. Voor een groep visionairs aan de TU Delft aanleiding om te kijken of er meer mogelijk is met die brandstofcel. Hoe realistisch zijn de plannen van die Delftenaren?

Het volledige artikel is te downloaden als PDF: Artikel Autoweek: Auto van morgen – alles wordt anders, of koop de Autoweek in de winkel!

screenshot-autoweek

‘Onze auto als elektriciteitscentrale’ (Dutch only)

We gebruiken onze auto voor ons werk, boodschappen te doen, vakantie, onze kinderen naar school te brengen of voor vriendenbezoek. De auto is voor velen een onmisbaar apparaat geworden, comfortabel en veilig, maar een energieslurper, eigenlijk niet meer dan een rijdende kachel. Wereldwijd wordt ongeveer een kwart van ons energiegebruik in deze rijdende kachels verstookt.

Wat is de energie-efficiëntie om ons in onze auto van A naar B te verplaatsen?
Een kleine berekening. De benzinemotor heeft een rendement tussen de 15 en 20%, waarbij benzine wordt omgezet in een draaiende beweging. De rest van de energie in de benzine wordt omgezet in warmte, dus 80-85% van de energie-inhoud van benzine moet worden weggekoeld. Nu moet die draaiende beweging via de versnellingsbak overgebracht worden op de wielen, dat gebeurt met een efficiëntie van 50%. Dus dan zitten we op ongeveer 7-10%. De auto ondervindt weerstand van de weg en van de lucht, die overwonnen moet worden en dit leidt weer tot energieverlies en zitten we op een efficiëntie van 3-5%. Veel analyses houden hier op, maar het is nog erger, want we verplaatsen ons in een auto van 1000 kilo om in mijn geval iemand van 100 kilo van A naar B te verplaatsen. Dus uiteindelijk komt de energieefficiëntie uit op minder dan 0,5%. Treurig toch!

Kan dat beter? Ja, en dat betekent elektrisch rijden. We zien nu de introductie van de elektrische auto die bestaat uit een elektromotor en een groot batterijpakket waar stroom in wordt opgeslagen. De rest van de auto is nog steeds hetzelfde. Maar zelfs dat geeft al een efficiëntieverbetering. De elektromotor heeft een efficiëntie van 95%, het op- en ontladen van de batterij een efficiëntie van 80% en het gemiddelde elektriciteitsopwekrendement in Nederland is 40%. Dus het gemiddelde motorrendement komt daarmee op 30% in plaats van de 15-20% van de benzinemotor. Dat is al een stuk beter, maar die elektromotoren kunnen uiteindelijk ook in de wielen worden geplaatst en dan heb je het verlies van de versnellingsbak niet meer. En als we dan ook nog in een auto van bioplastic gaan rijden, die de helft lichter is, komen we op een totale energie efficiëntie van zo’n 5%. Dit klinkt nog steeds niet veel, maar is uiteindelijk een factor 10 beter en betekent dus ook 10 keer minder energiegebruik.

Maar het kan met dat elektrisch rijden nog mooier: we kunnen er ons niet alleen veel energie-efficiënter in verplaatsen, maar we kunnen in de toekomst de elektrische auto met brandstofcel ook gebruiken om onze stroom mee op te wekken. De brandstofcel als automotor produceert elektriciteit uit waterstof met 60% rendement. Dat waterstof moeten we maken, bijvoorbeeld uit aardgas of biogas met een rendement van 75%. Maar dan hebben we nog steeds een elektriciteitsprodutierendement van 45%. Dat is beter dan het gemiddelde rendement van 40% van de Nederlandse elektriciteitscentrales. Als we dan in onze auto’s zo’n efficiënte centrale hebben, zou die dan niet, als de auto stil staat, onze elektriciteit kunnen produceren? Eens even uitzoeken, we gebruiken onze auto maar zo’n 5% van de tijd, de rest van de tijd staat die stil. Het vermogen van een automotor is tegenwoordig zo’n 100 kW. Hé, een auto kan makkelijk de elektriciteit produceren voor wel 100 woningen en dan kunnen we er ook nog gewoon in rijden. Wat als we nu een parkeergarage bouwen, waar we automatisch onze auto parkeren, aansluiten op een waterstofnet, het elektriciteitsnet en een warmtenet. We maken aan de poort van de parkeergarage uit aardgas of biogas waterstof, tanken onze tank vol zodat we met een volle tank uit de parkeergarage rijden. Maar als de auto toch stil staat, kan de brandstofcel in de auto ook elektriciteit voor het net produceren met een hoog rendement. Een parkeergarage met 500 auto’s verandert op deze manier in een elektriciteitscentrale van 50 MW, die met gemak 50.000 woningen van elektriciteit kan voorzien. Dus met een parkeergarage kunnen we alle woningen in de stad Delft van stroom voorzien!

Ongelooflijk, met één parkeergarage. Hebben we dan nog wel elektriciteitscentrales nodig in de toekomst? Het antwoord is nee. We kunnen met gemak met onze auto’s alle elektriciteitscentrales in Nederland vervangen. Er zijn in Nederland 8 miljoen auto’s die met elkaar zo’n 100 miljard kilometer per jaar rijden. Elk jaar kopen we meer dan een half miljoen nieuwe auto’s. Dus elk jaar zouden we 50.000 MW aan nieuw vermogen op wielen kopen. In Nederland staat aan elektriciteitscentrales zo’n 25.000 MW opgesteld. Dus elk jaar kopen we meer dan 2 keer zoveel elektriciteitsproductievermogen op wielen dan dat er is opgesteld. Elk jaar? Ja, elk jaar! En die auto’s zijn van u en mij. Als we die in de parkeergarage laten gebruiken voor elektriciteitsproductie dan hoeven we niet te betalen voor parkeren, maar dan krijgen we betaald voor parkeren. Zou dat niet mooi zijn?

Ad van Wijk is duurzaam energieondernemer, adviseur en professor
in Future Energy Systems aan de TU Delft.

Dit artikel is eerder verschenen als column voor EnergieActueel.

‘Welcome to the Green Village’

One of my main activities at the TU Delft is to realize the Green Village:

“Creating a sustainable, lively and entrepreneurial environment where we discover, learn and show how to solve society’s urgent challenges”

That is the Green Village vision; a vision that we want to realize at the TU Delft, in the economic heart of the Netherlands. Innovative power that sets horizons for a new, sustainable, green and circular economy is of vital importance.

Find the complete plan and background for the Green Village in the attached document.

Interview in Shell magazine

A first, being interviewed by fossil fuel conglomerate Shell! They were kind enough to include me in an issue of their in-house magazine (called ‘Shell Venster’) which was dedicated to the future of energy.

In the interview I discuss the utter inefficiency of many everyday activities such as boiling an egg or driving a car, as well as the role I see of natural gas as a transition fuel. I conclude to state that sustainable energy does not need governmental subsidies, only a level playing field.

Read the interview online (Dutch only), or on the Shell website.