Het Drive-Down concept van mobiel hogedrukwaterstoftransport
Lagere opslag- en transportkosten resulteren in een goedkopere energievoorziening
In het Drive-Down (DD) concept wordt lokaal geproduceerde zonne- of windenergie (waar ook ter wereld) door elektrolyse van water omgezet in hogedrukwaterstof (700 bar) die in lichtgewicht carbon-fiber cilinders (van zeg, 10 m3) opgeslagen, getransporteerd en gedistribueerd kan worden. Op de plaats van bestemming, bijvoorbeeld bij een tankstation, wordt de waterstof rechtstreeks geleverd aan voertuigen uitgerust met een brandstofcel, of omgezet in elektriciteit voor elektrische auto’s. In dit concept zijn pijpleidingen voor waterstof of elektriciteitsleidingen overbodig. Het DD systeem paart lagere transportkosten aan een grote mate van flexibiliteit.
In dit artikel wordt een conceptueel procesontwerp gepresenteerd. De kosten van dit DD systeem zijn doorgerekend en vergelijken gunstig met allerlei andere opties voor opslag en transport. Het DD- systeem kan verder worden geoptimaliseerd door bijvoorbeeld de waterstofproductie uit te voeren met pyrolyse van methaan. De productie van elektriciteit kan met voordeel uitgevoerd worden met een aangepaste waterstof verbrandingsmotor. Het essentiële element van goedkope opslag en transport wordt dan nog beter benut.
Achtergrond
De vermogensdichtheid van elektriciteitscentrales bedraagt ongeveer 1 tot 4 kW/m2. Voor moderne windmolens en zonnepanelen in Nederland is dit gemiddeld ruwweg een factor 150 - 600 lager. Daarbij komt dat de volatiliteit van vraag en aanbod met de toename van zon- en windenergie sterk is toegenomen. Deze volatiliteit vraagt om de inzet van back-upvoorzieningen zoals kernenergie en/of centrales die draaien op fossiele brandstoffen. Er is dus behoefte aan een efficiënt systeem voor de opslag van tijdelijke overschotten aan zon- en windenergie.
Bovendien ligt het voor de hand de zon- en/of windenergie te oogsten op zee, of in landen met een groot geschikt oppervlak in verhouding tot het eigen verbruik aan elektriciteit, zoals Spanje of Egypte. Daaruit vloeit dan de wens voort voor een kosteneffectieve transportmodus van energie.
Maar langzamerhand komt de energietransitie in Nederland in de knel, zowel in de ogen van beleidsmakers als in de perceptie van het grote publiek, door toenemende congestie op onze elektriciteitsnetten. De verwachting is dat de kosten van de verzwaring van deze netten en daarmee van de levering van elektriciteit aan bedrijven en consumenten de pan uit gaan rijzen. In de komende jaren ligt zelfs een verdubbeling in het verschiet. Landen met de meeste zon- en windparken, zoals Duitsland en Denemarken, hebben, ook door de nodige back-up systemen, niet voor niets de hoogste kostprijs van stroom.
Opslag en transport van energie in de vorm van waterstof zijn dan alternatieve opties. Tegen deze achtergrond is het zogenaamde Drive-Down (DD) concept ontwikkeld: voor een efficiënt en emissievrij systeem voor opslag en transport van surplus zon- en windenergie in de vorm van hogedrukwaterstof.
Figuur 1 illustreert hoe het DD-concept in Nederland toegepast kan worden: units A in de Eemshaven en/of Zeeland (Borssele) en units B verspreid over het land, waarbij opleggers het transport van de hogedrukwaterstofcilinders (units C) voor hun rekening nemen.
Het Drive-Down concept
In het DD-concept wordt overtollige zonne- en windenergie opgeslagen in de vorm van waterstof onder hoge druk in gelamineerde lichtgewicht cilinders. Het conceptuele procesontwerp omvat een unit A (zie figuur 2) voor de productie en opslag van de waterstof, units C bestaande uit een 40ft container met drie 10 m3 hogedrukwaterstofcilinders (ook in figuur 1) voor het transport per trein, schip of tankauto, en units B (zie figuur 3) voor de levering van stroom en/of waterstof onder druk zoals in een tankstation. Het systeem maakt geen gebruik van het overbelaste stroomnet en door de hoge energiedichtheid (ca. 40 kg waterstof per m3) van het transport in de voorgestelde hogedruk DD-cilinders is het transport goedkoop, bijvoorbeeld in vergelijking met energieopslag in batterijen.
Unit C is in feite een shuttlesysteem voor hogedrukgascilinders. Een essentieel element daarbij is de terugwinning van de compressie-energie van de hogedruk waterstof in unit B met behulp van hogedrukstikstof (zie figuur 1). Daartoe bevatten de innovatieve DD-cilinders twee aparte compartimenten voor respectievelijk waterstof en stikstof, gescheiden door een flexibele wand. De cilinders brengen waterstof op hoge druk van unit A naar unit B, en gaan gevuld met hogedruk stikstof weer terug, en blijven zodoende altijd op druk. Het innovatieve ontwerp van deze DD-cilinders is in detail uitgewerkt en vastgelegd in octrooiaanvraag EP4317762 A1.
De kosten afgeschat
In het kader van de ontwikkeling van het DD-concept zijn processchema’s ontworpen voor de units A en B, met toepassing van brandstofcel, en zijn kostenplaatjes gemaakt voor de verschillende units:
- Voor de productie van 275 kg waterstof per uur is 58,14 kWh elektriciteit per kg waterstof nodig. Bij een inkoopprijs van € 0,04 per kWh voor surplus zonne- of windenergie vertaalt dit zich naar € 2,35 per kg waterstof. De netto marginale kosten van de productie inclusief transport van de hogedrukwaterstof komen daarmee uit op ca. € 2,40 per kg waterstof.
- Bij een netto energierendement van 11,4 kWh/kg worden de marginale kosten van de elektriciteit geleverd in unit B dan ca. € 0,21/kWh.
- Railtransport blijkt de goedkoopste optie voor waterstoftransport met € 0,015 per kg waterstof per 100 km.
Deze berekeningen zijn gebaseerd op de gegevens van de poster gepresenteerd door de Twentse promovendus Albertus Fuad op het Nederlands Procestechnologie Symposium NPS2023 (Poster P08).
Verdere optimalisatie
Alvorens tot realisatie van het DD-concept over te gaan, moet eerst verder onderzoek worden uitgevoerd naar een aantal deelaspecten, zoals de diffusie van waterstof door de laminaatlaag, de afschuifspanningen die kunnen optreden in de gelamineerde cilinders, het gedrag van waterstof in expansiegeneratoren en de energiezuinigheid van verbrandingsmotoren voor waterstof.
De hybride aandrijving van voertuigen en vaartuigen met een waterstofverbrandingsmotor is veelbelovend. Waterstofverbrandingsmotoren bereiken bij stationaire toepassing een energie-efficiëntie van 50% voor elektriciteitsproductie en een energie-efficiëntie van 35% bij gebruik in vrachtwagens, treinen en schepen (Unit C). De geproduceerde stikstof is na de gebruikelijke behandeling voor NOx-verwijdering voldoende zuiver voor het in stand houden van de druk in de DD-cylinders.
Een belangrijke toepassing is het gebruik van het overschot aan nachtstroom in de omgeving van kerncentrales zoals die bij Borsele. Bij voldoende buffercapaciteit is dit een goedkope bron van emissievrije stroom die zorgt voor een goede bezettingsgraad van de waterstofproductie voor laad- en tankstations voor openbaar vervoer en distributie. Grootschalige opslag van verlengde DD-cilinders verticaal in de grond is ook een onderwerp van onderzoek.
Over de auteurs
Constant van Lookeren-Campagne; L2C Consultancy b.v., Bilthoven
Harrie van den Akker; Transport Phenomena Group, Afdeling Chemical Engineering, Faculteit TNW, TU Delft &
Bernal Institute, University of Limerick, Limerick, Ierland
Referenties
[1] H.W. Sinn, Buffering volatility: A study on the limits of Germany's energy revolution, Eur. Econ. Rev. 99 (2017) 130-150. https://doi.org/10.1016/J.EUROECOREV.2017.05.007.
[2] J. Sijm, P. Gockel, M. van Hout, ô. Ôzdemir, J. van Stralen, S. Koen, A. van derWelle, J. de Joode, W. van Westering, M. Musterd, Demand and supply of flexibility in the power system of the Netherlands, 2015-2050 Summary report of the FLEXNET project, 2017. https://publicaties.ecn.nl/PdfFetch.aspx?nr=ECN-E--17-053 (accessed July 27, 2022).
[3] P. Tisheva, UK wind curtailment cost in past two years put at GBP 806m, Renewables Now. (2022). https://renewablesnow.com/news/uk-wind-curtailment-cost-in-past-two-years-put-at-gbp-806m-787668/ (accessed July 27, 2022).
[4] L2 Consultancy B.V., System and method for adjusting pressure in a reservoir and system for producing at least one energy carrier, EP 3906356 B1.
[5] L2 Consultancy B.V., Tank and system for storing compressed gas, vehicle and system and method for supplying gas to a tank, EP22188464, n.d.
[6] T. Hua, R. Ahluwalia, J.-K. Peng, M. Kromer, S. Lasher, K. McKenney, K. Law, J. Sinha, Technical Assessment of Compressed Hydrogen Storage Tank Systems for Automotive Applications, Nuclear Engineering Division, 2010. www.anl.gov. (accessed July 28, 2022).
[7] S. Satyapal, U.S. Department of Energy: Hydrogen Activities and Hydrogen Shot Overview, 2022. www.hydrogen.energy.gov (accessed July 28, 2022).
[8] Zero Emission Urban Bus System (2016). http://zeeus.eu/ (accessed July 10, 2022).
[9] U. Guida, M. Winter, R. Pütz, H.G. Haberstock, Zero Emission Urban Bus System D25.4 Muenster: Demonstration Results, Zero Emiss. Urban Bus Syst. (2019). https://www.researchgate.net/publication/332753823_Zero_Emission_Urban_Bus_System_D254_Muenster _Demonstration_Results (accessed July 10, 2022).
[10] N.I. Badea, 'Hydrogen as Energy Sources-Basic Concepts', Energies 2021, Vol. 14, p. 5783. https://doi.org/10.3390/EN14185783.
[11] U.S. Department of Energy, J.M. Ohi, N. Vanderborgh, G. Voecks, 'Hydrogen Fuel Quality Specifications for Polymer Electrolyte Fuel Cells in Road Vehicles', Safety, Codes, Stand. Progr. (2016), pp. 1-72. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/downloads/hydrogen-fuel-quaIity-specifications-polymer-electrolyte-fuel-cells-road (accessed June 14, 2022).
[12] M. Lempriere, 'Cost of wind curtailment hits record high of £507m in 2021', Current News, 2022. https://www.current-news.co.uk/news/cost-of-wi nd-curtailment-hits-record-high-of- 507m-i n-2021 (accessed July 10, 2022).
[13] Hyundai, 'XCIENT Fuel Cell', HYUNDAI Truck & Bus, (n.d.). https://trucknbus.hyundai.com/global/en/products/truck/xcient-fuel-cell (accessed July 1, 2022).
[14] Hexagon Purus, Hexagon Purus - Hydrogen high-pressure Type 4 cylinders, (n.d.). https://hexagonpurus.com/our-solutions/hydrogen-systems/hydrogen-type-4-cylinders (accessed July 1, 2022).
[15] Hyzon, Hyzon High-Floor Coach - Zero Emission, Hydrogen-Powered Vehicle I Hyzon Motors 1Hyzon Motors I Australia, (n.d.). https://www.hyzonmotors.com/vehicles/hyzon-high-floor-coach (accessed July 28, 2022).
[16] Fuel prices Europe View the current overview ANWB, (n.d.). https://www.anwb.nl/vakantie/reisvoorbereiding/brandstofprijzen-europa (accessed July 15, 2022).
[17] ANWB, Brandstofprijzen, accijnzen en btw ANWB, (2022). https://www.anwb.nl/auto/autobelastingen/brandstofprijzen (accessed August 2, 2022).
[18] Poster P08, gepresenteerd door promovendus Albertus Fuad op het Nederlands Procestechnologie Symposium NPS2023. https://www.utwente.nl/en/tnw/nps2023/program/program-bookofabstracs/
[19] International Journal of Hydrogen Energy, Alberto Boretti, Volume 45, Issue 43, 3 September 2020, pages 23692–23703.
