Hygro Logo

Waterstof versus elektriciteit; is de strijd tussen Edison en Tesla terug?

donderdag november 21

Tweede blogpost voor het Omgevingsweb.nl

Waterstof versus elektriciteit; is de strijd tussen Edison en Tesla terug?

Thomas Edison en Nikola Tesla bestreden elkaar in de zogenaamde War Of The Currents (1880 -1896). Wie had de beste techniek uitgevonden voor elektriciteit? Was dat Edison, met zijn gelijkspanning, of Tesla, die de wisselspanning uit vond? Zelfs als u nog nooit van deze strijd heeft gehoord, kent u de winnaar waarschijnlijk wel: wisselspanning is nu de wereldwijde standaard voor de productie en levering van elektriciteit. 

Edison heeft toen misschien de strijd verloren, maar de laatste jaren is gelijkspanning bezig met een opmars, vooral dankzij de vele elektronische en draadloze apparaten die op gelijkspanning werken. Ook elektrolyse (het splitsen van water naar zuurstof en waterstof) vraagt om gelijkspanning. En een brandstofcel levert weer gelijkspanning bij de omzetting van waterstof naar elektriciteit. Ik vroeg me af of er een parallel te maken is naar de “strijd” tussen waterstof en elektriciteit van nu, naar de strijd in de 19de eeuw?

Zal de goedkoopste nu wéér winnen?

Tesla won, doordat zijn oplossing veel goedkoper bleek bij het transport van elektriciteit. Maar vóórdat deze slag ‘economisch’ werd gewonnen, laaiden de discussies hoog op, net als de huidige discussies over waterstof. Zou de winnaar uit de 19e eeuw een voorbode zijn van de winnaar in de 21e eeuw? Wordt de strijd tussen waterstof en elektriciteit gewonnen door de goedkoopste optie?

Transport van gas versus elektriciteit

Stel dat de discussie nu net als tijdens de War Of The Currents ook over de kosten van het energietransport gaan. Hoeveel goedkoper is dat dan? En wegen de kosten wel op tegen de veronderstelde lage efficiency en hoge kosten van waterstofproductie? Over waterstof is al veel geschreven en waterstof komt er in deze verhalen niet goed vanaf

Op zoek naar antwoorden

Een eerste antwoord is in de studies van de netbeheerders te vinden. Stedin schrijft over waterstof in het distributienetwerk over een factor 4 tot 10 goedkoper. Gasunie stelt op haar website dat de transportkosten per kilometer 16 tot 34 keer goedkoper kunnen zijn. Er is dus een verschil tussen transport (grote leidingen) en distributie (klein fijnmazig leidingnet). Hierdoor is het niet eenvoudig vast te stellen hoeveel goedkoper gastransport kan zijn. Laten we een aantal aspecten voor de prijs van transport van energie eens wat beter bekijken. Denk hierbij aan (piek)capaciteit, netaansluiting, netcapaciteit, marktwaarde en het opslaan van overschotten.

Piekcapaciteit
Dat er geen eenduidig beeld is over ‘hoeveel goedkoper’, komt ook door het verschil tussen transportcapaciteit en getransporteerde energie. Waarschijnlijk heeft de gasaansluiting bij u thuis een vermogen dat zeker vijf keer hoger is dan die van uw elektriciteitsaansluiting. De kosten van de aansluiting zijn echter vrijwel gelijk, en deze kosten zijn onafhankelijk van de hoeveelheid energie die u gebruikt. Een gemiddeld huishouden verbruikt energetisch ongeveer vier keer meer gas dan elektriciteit. 

En dat raakt meteen de kern: de kosten van een energiesysteem worden met name bepaald door de piek die geleverd moet worden. Daarom moet de gasaansluiting thuis groot genoeg zijn voor de koudste dag van het jaar. En zo zou ook bij zonnepanelen of windturbines de aansluiting groot genoeg zijn voor de piekmomenten; als het hard waait of de zon stevig schijnt. En heeft u zich ooit afgevraagd met welk vermogen u uw auto of vrachtwagen, met diesel of benzine bijlaadt als u tankt? Dit ligt ongeveer tussen de 6 en 78 MW.

De netaansluiting bepaalt hoeveel duurzame energie er het net opgaat
Vaak is de netaansluiting van een windpark of zonnepark kleiner dan het opgestelde piekvermogen. Bij wind wordt dit overplanting genoemd. Dat betekent dat als het hard waait, niet alle energie die geproduceerd wordt ook aan het net wordt geleverd. De reden hiervoor is een economische afweging: het is onrendabel om te betalen voor een grotere netaansluiting. 

Het aantal uren dat het piekt levert te weinig op waardoor de kosten niet opwegen tegen de verkoopwaarde. Voor zonne-energie gebeurt dit op vergelijkbare wijze. Ook daarvoor geldt dat het niet kosteneffectief is om de hele piek om te vormen en aan het net te leveren. Blijkbaar beperken de kosten van een aansluiting op het elektriciteitsnet de hoeveelheid duurzame energie die daadwerkelijk aan het net worden geleverd. Als een gasleiding in aansluitcapaciteit veel goedkoper is, biedt dit kansen.

Marktwaarde limiteert duurzame energieopbrengst
“Als het waait terwijl ook de zon schijnt, produceren windmolens en zonnepanelen op hetzelfde moment elektriciteit, waardoor het aanbod op de markt toeneemt. Op deze momenten drukt dit de prijs van elektriciteit. De gemiddelde prijs voor elektriciteit uit zon en wind is daarom lager dan de gemiddelde groothandelsprijs voor alle opgewekte elektriciteit. Dit wordt het profieleffect genoemd.” staat in de recent verschenen Klimaat- en Energieverkenning (KEV) van het PBL. 

Dit effect zien we nu al, maar verwacht wordt dat hierdoor in 2030 de gemiddelde waarde van duurzame elektriciteit veel lager zal zijn, ergens tussen de 13% en 16% lager dan de marktprijs. Nou denkt u, die goedkope stroom kunnen we dan mooi opslaan. Maar de investeerder in wind en zon wil dit natuurlijk niet; veel stroom opwekken voor weinig geld. Dit fenomeen zal ik in een vervolgartikel verder uitdiepen. 

Overschotten opslaan?
Bij elektriciteit moeten vraag en aanbod, altijd en gelijktijdig, exact gelijk zijn. In het netwerk zelf kunnen geen “overschotten” zijn. We spreken van “een overschot” als het hard waait/de zon fel schijnt. Maar waar sla je een teveel aan geproduceerde duurzame energie op? Dat kan op verschillende plekken: bij de energiebron, de eindgebruiker of ergens tussen deze twee in. 

De energetisch meest efficiënte plek voor het opslaan van “overschotten" is direct bij de bron. Omdat bij elektriciteitskabels de energieverliezen door warmteontwikkeling kwadratisch toenemen met de hoeveelheid energie die erdoorheen gaat. Bijvoorbeeld bij een windpark op zee gaat op een “overschotmoment” (= maximale belasting van de kabel) meer dan 10% van de energie verloren in de kabel. Dit komt door de warmteontwikkeling. Om deze verliezen te voorkomen is het dus beter de energie tijdens piekmomenten meteen op te slaan bij de bron.

Als waterstofproductie direct bij de bron plaatsvindt, geeft dat een kostenvoordeel. Zo zijn er voor de elektrolyse geen aparte kosten voor een netaansluiting. Bovendien kan de duurzame bron met een veel kleinere of zelfs helemaal geen elektrische aansluiting uit de voeten.

Bij gaspijpleidingen kunnen overschotten wel worden opgeslagen in het systeem zelf. Afhankelijk van de druk, diameter en lengte van de leidingen kan een behoorlijke hoeveelheid energie worden opgeslagen. Dit kan vooral bij transportleidingen met een hogere maximale druk. Deze wordt line packing genoemd. 

Duurzame piekvermogens en gasinfra

De gasinfrastructuur heeft eigenschappen die voor een duurzaam energiesysteem economisch aantrekkelijk zijn. Zo is het aansluiten van grote (piek)vermogens veel minder kostbaar. Ook is er een inherente buffer in het systeem aanwezig. 

Een energietransitie naar vooral duurzame elektriciteit vraagt veel nieuwe hoogspanningsmasten en grote onderstations voor het transport. Maar voor deze masten en onderstations geldt voor de meesten onder ons hetzelfde als voor windturbines en zonneparken: liever niet in mijn achtertuin. Een ondergrondse gasinfrastructuur heeft juist veel minder maatschappelijke kosten met betrekking tot ruimtegebruik. 

Nu al is er een capaciteitsprobleem op het elektriciteitsnet op diverse plekken in Nederland. De netbeheerders moeten vooraankondigingen doen van verwachte problemen op de korte termijn. In de studie “net voor de toekomst” worden verschillende scenario’s geschetst voor de opgestelde duurzame energie piekcapaciteit in 2050. 

Deze variëren tussen de 27 en 126 GW opgesteld vermogen. In dezelfde lijn schat men een noodzakelijke opslagcapaciteit tussen de 2 tot 135 GW. En dan wordt er in dit beeld nog geen rekening gehouden met het batterij-elektrisch rijden dat we met zijn allen voor ogen hebben. Want ook dat leidt tot extra uitdagingen

Om een indruk te geven hoe gas en elektra zich verhouden in de huidige situatie: het hoogspanningsnet van Tennet heeft 20 GW-capaciteit. Het gastransportnetwerk van Gasunie 320 GW-capaciteit. 

Elektriciteitstransport is duur

Tennet verwacht de komende 10 jaar 12 miljard te investeren, waarvan 5 miljard in offshore wind. Dit om de energie te kunnen transporteren van alle nieuwe duurzame energieprojecten. En dan gaat het alleen nog over het hoofdleidingennet. 

Hierbij zijn de kosten van de regionale netbeheerders nog niet meegerekend. Zij moeten de daadwerkelijke aansluiting verzorgen. Uit de publicatie van het PBL blijkt dat de transportkosten van offshore windenergie (door Tennet aan te leggen) tussen de 40% en 64% toevoegen aan de kosten per MWh offshore windenergie. 

Deze kosten zijn niet direct terug te vinden in de stroomprijs. In de praktijk worden deze extra kosten van offshore wind verdeeld over alle energieverbruikers via de Opslag Duurzame Energie. Deze is wel terug te vinden op uw energierekening.  

Dus wie gaat de strijd nu winnen?

In deze “strijd” lijkt waterstof voorlopig een goede slag te maken dankzij de technische en economische voordelen van pijpleidingen. Maar deze voordelen kunnen alleen optimaal worden benut als de waterstofproductie direct bij de bron wordt geplaatst. Zodra de stroom voor waterstofproductie eerst door een elektriciteitsnet getransporteerd wordt verdwijnen veel van die voordelen. 

Wordt dit in voldoende mate onderkend en benut in “de strijd”? De EU directive voor duurzame energie vanuit overweging (90) vereist een directe koppeling met de bron. Maar alleen op het moment dat waterstof wordt ingezet als transportbrandstof. Tegelijkertijd worden er zeer grote elektrolysefabrieken gepland. Waarbij het uitgangspunt vooral lijkt te zijn dat deze flexibiliteit moeten bieden aan het stroomnet en de windparken. Maar nog niet zozeer een plaatsing direct bij de bron. Dit beeld komt ook naar voren uit onder andere het net in concept verschenen Meerjarig Innovatie Programma. In figuur 1 van dat rapport wordt waterstofproductie expliciet geplaatst met tussenkomst van het elektriciteitsnet in plaats van direct bij de duurzame bron:

Dus staan we aan het begin van “de strijd”? Moeten bepaalde inzichten eerst nog breder landen? Of zijn er bij de netgekoppelde productie van grootschalige waterstof toch zulke voordelen te behalen dat plaatsing direct bij de bron toch niet de beste optie is?

Om daar een antwoord op te vinden zal ik in mijn volgende artikelen dieper in op de kosten en optimalisatie van zowel windenergie als elektrolyse in gaan. Ook op de grote vraag van dit artikel, wie “de strijd” gaat winnen, waterstof of elektriciteit zal ik nog terugkomen. 

Ik zou je willen vragen om naar aanleiding van deze blog via LinkedIn te reageren op de stelling:

Als we de productie van groene waterstof willen stimuleren dan dient de elektrolyse bij de windturbine of het zonnepaneel plaats te vinden en niet bij de eindgebruiker van waterstof.