ECN Archieven - Utilities

Gerard Jägers van Tata Steel spreekt tijdens Industrie & Energie over het initiatief Waste Radiation Heat to Power and Steam (WRAPS). Een consortium werkt samen om de restwarmte van hoge temperatuur (700-1200⁰C) te benutten, die vrijkomt bij de productie van onder andere staal, metaal en glas. Hittepanelen zetten stralingswarmte om in elektriciteit en warm water en een Qpinch hittetransformator zet het vrijgekomen warme water in het proces om in stoom.

Naast het grote, langjarige HIsarna project voert Tata Steel diverse kortere projecten uit. De meest belangrijke en recente, ondersteund met een DEI subsidie van 1,5 miljoen euro vanuit de Topsector Energie, is wel het WRAPS (Waste Radiation to Power and Steam) in combinatie met het Q Pinch project. WRAPS heeft tot doel om de stralingswarmte die bij hoge temperaturen (700 tot 1200 Celsius) tijdens het proces vrijkomt, opnieuw te benutten.

Kern van het project zijn vijftig innovatieve siliciumpanelen die de stralingswarmte in stroom omzetten. Aan de achterkant van de panelen wordt van het koelwater vervolgens stoom op circa 100 ºC gemaakt. RGS Development uit Broek op Langedijk, een start-up die is voortgekomen uit ECN, ontwikkelde de Thermagy hittepanelen, ENGIE bouwt in licentie de Q Pinch warmtetransformator die de warmte achter de panelen in stoom omzet.

Stralingswarmte

Gerard Jägers, programmamanager energie-efficiency van Tata Steel: ‘Je kan geen staal gieten zonder dat er stralingswarmte vrijkomt. Al jaren gebruiken we de restwarmte uit onze processen als voorverwarming voor gas en verbrandingslucht. Tot voor kort konden we echter niet de hoge temperatuur stralingwarmte, vrijkomend uit slak en plakken staal, op een goede manier hergebruiken. Met de Thermagy panelen wordt dat wel mogelijk.’

Dergelijke energieopwekking uit stralingswarmte is gebaseerd op het zogenaamde Seebeck-effect (genoemd naar de Letse ontdekker in 1821). Volgens dit principe wordt op het grensvlak van meerdere metalen (dus in een legering als staal) het temperatuursverschil direct omgezet in elektrische spanning (of stroom). Daarom is de warmtetransformator van ENGIE ook essentieel: het verschil wordt immers geschapen door de hittepanelen aan de achterkant te koelen met water (waarvan weer stoom wordt gemaakt).

Parallelsessie CO2-besparing door restwarmtebenutting in staalindustrie

Gerard Jägers zal op het congres ‘Industrie & Energie 2017’ op 12 december bij FME te Zoetermeer spreken over de vorderingen met WRAPS en Q Pinch. Andere onderwerpen die tijdens de parallelsessies aan bod komen zijn: elektrochemie, warmtebenutting via stoomrecompressie, de financiering van energiebesparing, waterstoftechnologie en industriële symbiose.

Industrie&Energie 2017

Datum: 12 december 2017

Plaats: FME Zoetermeer, Zilverstraat 69

Inschrijven: www.utilities.nl/inschrijfpagina/jaarcongres2017

 

De flexibiliteitsbehoefte van het elektriciteitssysteem zal verdubbelen tussen nu en 2030. In de jaren daarna – tussen 2030 en 2050 – verdrievoudigt de vraag. Dat is een van de conclusies van het Flexnet-project waarin ECN, Netbeheer Nederland en Alliander integraal de afstemming tussen vraag en aanbod van duurzame elektriciteit onderzocht. De rol voor opslag is hierin kleiner dan gedacht.

De toenemende vraag naar flexibiliteit wordt – naast een stijging in het verbruik van elektriciteit – volgens de onderzoekers vooral veroorzaakt door een snel groeiend aandeel van zon en wind in de productie van elektriciteit (tot zo’n tachtig procent in 2050). De stijgende vraag naar flexibiliteit wordt overwegend opgevangen door buitenlandse handel en binnenlandse vraagsturing.

Energieopslag zal vanwege de hoge investeringskosten minder worden ingezet dan doorgaans wordt aangenomen. Het voordeel van flexibiliteitsoplossingen om de benodigde verzwaringen van de elektriciteitsnetten te beperken, blijkt meer op tijdelijke inzet voor lokale knelpunten te liggen dan op de uit eerdere studies verwachte grote omvang van vermeden investeringen op lange termijn.

Dit zijn de belangrijkste conclusies uit het Flexnet-project van ECN, Netbeheer Nederland en Alliander.  In dit project is voor het eerst vraag en aanbod van flexibiliteit van een duurzame, CO2-vrije elektriciteitsvoorziening in Nederland tot 2050 op een integrale wijze kwantitatief onderzocht, waarbij een breed scala aan flexibiliteitsopties is meegenomen.

Toenemende vraag elektriciteit

Flexnet-projectleider Jos Sijm: ‘Door de toename van onder meer warmtepompen, elektrisch vervoer en stroomopwekking  uit zon en wind wordt de vraag naar flexibiliteit tot 2050 zes keer zo groot. De traditionele bronnen van flexibiliteit zijn de gas- en kolencentrales, deze gaan verdwijnen en ze in stand houden alleen voor het leveren van flexibiliteit is een dure oplossing. Daarom moeten we ons energiesysteem flink aanpassen om te zorgen dat nieuwe bronnen van flexibiliteit beschikbaar komen. Het systeem moet zowel grote variaties per uur van vraag en aanbod als langdurige perioden met weinig opwek uit zon en wind op kunnen vangen.’

Kansen industrie

De toenemende fluctuaties in  vraag en aanbod van elektriciteit zullen volgens de onderzoekers voor een groot deel opgevangen worden door import en export van elektriciteit, en door verschuivingen in de vraag naar elektriciteit (‘demand response’), waardoor deze vraag beter kan worden verspreid over de dag en afgestemd op het wisselende aanbod van zon en wind. Daar liggen vooral kansen voor de industrie, bijvoorbeeld door de inzet van technieken als Power-to-Gas, Power-to-Heat of Power-to-Ammonia.

Opslag is duur

Daarnaast zullen er steeds meer mogelijkheden komen om energie op te slaan, zowel voor de korte termijn als seizoensopslag. Voorbeelden hiervan zijn de Tesla Powerwall, de elektrische auto, waterkracht of Power-to-Gas. Het belang hiervan wordt door de onderzoekers echter minder groot geschat dan meestal wordt gedacht.

‘De investeringskosten voor opslagtechnieken zullen veelal zo hoog zijn, dat het moeilijk wordt om de business case voor deze oplossingen rond te krijgen. Opslag zal in specifieke situaties een oplossing zijn, maar het wordt niet het antwoord op de groter wordende fluctuaties in onze energievoorziening, tenzij deze opties tegen nog lagere kosten beschikbaar komen dan we hebben aangenomen, of vanuit andere behoeftes in het energiesysteem terecht komen en dan daarnaast alsnog als flexibiliteitsoptie beschikbaar zijn’, aldus Sijm.

De onderzoeksresultaten zijn van groot belang voor netbeheerders. Zij willen weten of hun netwerken de groeiende vraag en de wisselingen in het aanbod aankunnen. Daarnaast zijn ze geïnteresseerd in de vraag of de inzet van flexibiliteitsopties de kosten van benodigde verzwaringen van hun netten kan verlagen.

Knelpunten

Sijm: ‘We laten zien dat er in de komende jaren nog geen grote toename van knelpunten in de huidige netwerken zal zijn. Na 2030 neemt het aantal gevallen van overbelasting echter aanzienlijk toe. De financiële omvang en het voordeel van flexibiliteitsopties om netverzwaringen te reduceren, is over het algemeen echter beperkter dan we tot voor kort dachten. In specifieke, tijdelijke situaties kan het gebruik van flexibiliteit echter van groot belang zijn om overbelasting en kosten van netverzwaring te verlagen, dit biedt voor netbeheerders nu al mogelijkheden om tot efficiëntere oplossingen te komen voor knelpunten in hun netten.’

Het Duwaal-project, waarbij een windturbine direct waterstof zal produceren, is een van de kandidaten die meedingen naar de Energy Enlightenmentz of the Year 2017. Tijdens het Industrie&Energie Congres op 12 december in Zoetermeer zal duidelijk worden wie de vakjury en het publiek uiteindelijk als winnaar aanwijst.

De windturbine zal waterstof gaan produceren voor het project Duwaal: een initiatief van een breed consortium in de regio Noord-Holland onder leiding van HYGRO. Doel van het consortium is om de keten van duurzame waterstofproductie, de distributie naar minstens vijf waterstoftankstations en honderd waterstofvrachtwagens gelijktijdig te realiseren.

De Lagerwey windmolen, met een vermogen van 4,8 megawatt, zal geschikt worden gemaakt om elektrolysetechnologie in te bouwen. Door de integratie van beide bewezen technieken kunnen er veel componenten worden weggelaten waardoor de waterstofproductie goedkoper, efficiënter en robuuster wordt. De waterstofmolen, de eerste in zijn soort, zal worden gedemonstreerd op het windturbinetest-veld van ECN te Wieringerwerf.

Idealiter krijgen windturbines in de toekomst een waterstofgasnetwerkaansluiting in plaats van elektriciteit. Het transport van de waterstof per buisleiding is significant goedkoper dan transport van elektriciteit door een kabel. Daarbij fungeert de buisleiding als inherente buffer waardoor er veel minder afstemming van vraag en aanbod nodig is, één van de uitdagingen bij normale wind- en zonne-energie.

De duurzaam geproduceerde waterstof uit het project Duwaal dient als brandstof voor elektrische vrachtwagens met een brandstofcel. Naast CO2-uitstoot worden hierdoor ook geluids-, NOx- en fijnstofemissies voorkomen. Het project laat zo zien hoe de toekomstige energie-infrastructuur vorm kan krijgen.

De komende jaren gebruiken huishoudens en bedrijven steeds meer duurzaam opgewekte energie. In 2023 zal het aandeel hernieuwbare energie ten opzichte van de start van het Energieakkoord in 2013 meer dan verdrievoudigd zijn tot 17,3 procent. Dit is ruim boven de doelstelling van zestien procent die de 47 partijen in het akkoord hebben afgesproken om de transitie van fossiele naar duurzame energie te maken. Dat blijkt uit de Nationale Energieverkenning 2017 (NEV) die de minister van Economische Zaken mede namens de minister van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties en de staatssecretaris van Infrastructuur en Milieu stuurde.

De NEV 2017 geeft inzicht in de voortgang van de doelen zoals deze zijn overeengekomen in het Energieakkoord. De NEV is opgesteld door het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) en het Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS) met medewerking van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO).

Minister Kamp van Economische Zaken: ‘De ingezette energietransitie zorgt volgens de NEV voor resultaat. Het aandeel hernieuwbare energie groeit van 17,3 procent in 2023 naar bijna 24 procent in 2030, terwijl vorig jaar 20 procent werd verwacht. Het aandeel hernieuwbare elektriciteit zal in 2023 oplopen tot 44 procent. Deze versnelling is vooral te danken aan de succesvolle uitrol van windenergie op zee. Daarnaast is het jaarlijkse tempo van de energiebesparing (1,7 procent) deze eeuw nog niet zo hoog geweest. Genomen maatregelen in de afgelopen kabinetsperiode zorgen dat het energieverbruik en de CO2-uitstoot afnemen, terwijl gelijktijdig de economie stevig kan blijven groeien. Met de ingezette maatregelen is het fundament gelegd om de klimaatdoelen van Parijs te halen.’

Extra inspanningen

Aanvullende maatregelen die het kabinet eerder dit jaar heeft aangekondigd, staan nog niet in de NEV 2017. Door deze extra acties komt ook de doelstelling van veertien procent hernieuwbare energie in 2020 in zicht. Volgens de NEV 2017 is de verwachte vertraging bij het realiseren van de windenergie op land-projecten de voornaamste reden dat die doelstelling nog niet wordt gehaald. Dit bleek al uit de eerder verschenen Monitor Wind op Land 2016.

Voor minister Kamp van Economische Zaken was dat aanleiding om met de provincies en gemeenten aanvullende acties af te spreken, om het realiseren van concrete projecten verder te ondersteunen. Ook provincies en gemeenten zelf hebben aangegeven dat zij de doelstelling van 6000 Megawatt vanuit windenergie op land in 2020 moeten en kunnen realiseren. Daarnaast is in de NEV 2017 nog geen rekening gehouden met de effecten van de Green Deal Ultradiepe Geothermie die in juni dit jaar is ondertekend. Hiermee kan bijvoorbeeld de industrie duurzamer verwarmd worden.

In de NEV 2017 wordt het aandeel hernieuwbare energie met twee rekenmethodes bepaald: op basis van werkelijke productie en op basis van Europese rekenregels. De Europese rekenregels sluiten niet goed aan op de praktijk in Nederland, waardoor het aandeel hernieuwbare energie hiermee lager uitvalt (2020; 12,4 procent / 2023: 16,7 procent). Met de Europese Commissie zal over aanpassing van deze regels worden overlegd.

Kwart minder uitstoot broeikasgassen in 2020

De verwachte broeikasgasuitstoot in 2020 komt in de NEV 2017 overeen met de prognose uit de NEV 2016. Door het volledig realiseren van de doelstellingen uit het Energieakkoord wordt de vereiste 25 procent broeikasgasreductie ten opzichte van 1990 gerealiseerd, zoals in het Urgenda-vonnis werd gesteld.

Het maximaal benutten van biomassa als duurzame energiebron is hard nodig om aan internationale klimaatafspraken  te kunnen voldoen. Met alleen zon en wind komen we er niet. De discussie over biomassa wordt te nauw gevoerd – het gaat alleen over biomassa meestook in kolencentrales – en het nieuwe kabinet moet het voortouw nemen om innovatie en marktintroductie van biogebaseerde technologie te versnellen.

Jaap Kiel, Programme Development Manager Biomass van ECN

In het Klimaatakkoord van Parijs hebben 195 landen afgesproken de opwarming van de aarde te beperken tot minder dan twee graden en liever nog minder dan anderhalve graad Celsius. Ook Nederland schaarde zich achter deze afspraken. Nederland committeerde zich ook aan de Europese afspraak dat dit betekent dat de emissies van CO2 en andere broeikasgassen uiterlijk in 2050 met 80-95 procent moeten zijn gereduceerd.

De discussie over hoe dit te bereiken verengt men in toenemende mate tot de vraag hoe het aanbod aan duurzame elektriciteit uit zon en wind te vergroten. De rol van biomassa als duurzame energiebron blijft onderbelicht. Als energie uit biomassa al wordt genoemd, betreft het vaak enkel biomassa meestook in kolencentrales en is de toon vaak negatief. Dit is onterecht en brengt het halen van de Parijsafspraken in gevaar.

Elektriciteit kan inderdaad in hoge mate duurzaam uit zon en wind worden opgewekt. Voor andere sectoren zoals vrachtvervoer en de procesindustrie is dat veel minder het geval, daar zullen we op een andere manier de CO2-emissies moeten terugdringen. Studies laten zien dat alle mogelijkheden moeten worden benut en dat biomassa een grote rol moet en kan spelen. Zo laat een recente studie van het International Energy Agency (IEA) en het Duitse onderzoekinstituut IRENA een biomassa-aandeel in de wereldwijde duurzame energiemix in 2050 van 37 procent zien (tegen zon PV en wind samen 26 procent). Voor Nederland is de grote rol voor biomassa onder andere geschetst in de strategische visie Biomassa 2030 van het Ministerie van Economische Zaken. Er is wereldwijd voldoende duurzame biomassa beschikbaar, zo blijkt uit brede studies van het IPCC en voor Nederland onder andere uit het Biomassa 2030 rapport. Voor Nederland gaat het dan om verschillende binnenlandse biomassareststromen, import van biomassa of biogebaseerde brandstoffen en grondstoffen, en ontwikkeling van grootschalige zeewierteelt op de Noordzee.

Deze biomassa moeten we vooral daar inzetten waar andere duurzame alternatieven minder geschikt zijn. Zo is biomassa een hoogwaardige grondstof voor bijvoorbeeld de productie van chemicaliën, een duurzame brandstof voor lucht- en scheepvaart en zwaar wegtransport en een alternatief voor proceswarmte in de industrie. Daarnaast kan biomassa worden ingezet als back-up of voor het opvangen van pieken bij de elektriciteitsopwekking en de verwarming van huizen en gebouwen. Net als nu gebeurt bij aardolie, kan biomassa in de verwerking worden gesplitst in meerdere deelstromen waaruit vervolgens verschillende producten kunnen worden gemaakt, zoals materialen, chemicaliën, biobrandstoffen, elektriciteit en warmte. Door op deze manier biomassa efficiënt in te zetten wordt bioenergie betaalbaar.

We staan voor een enorme uitdaging, indien we biomassa in 2050 inderdaad deze prominente rol willen laten spelen. Veel benodigde technologie is nog niet commercieel beschikbaar. Ontwikkeling en marktintroductie van technologie vergen typisch tien tot twintig jaar en daarbovenop komt nog de tijd die nodig is voor grootschalige uitrol. Ook het beschikbaar maken van grote volumes duurzame biomassa, de ontwikkeling van logistieke ketens om biomassa te importeren en goede certificeringssystemen om de duurzaamheid te borgen, vereisen grote inspanningen.

Daarom moeten we nu forse stappen zetten, om de innovatie te versnellen, marktintroductie van nieuwe technologie te stimuleren en de beschikbaarheid van duurzame biomassa te vergroten. Waar we bestaande (energie-)infrastructuur kunnen benutten voor een versnelling van de transitie, moeten we dat zorgvuldig overwegen. Dat geldt bijvoorbeeld voor biomassameestook in kolencentrales, waarbij we natuurlijk moeten voorkomen dat ongewenste effecten ontstaan die de transitie en verduurzaming belemmeren.

De tijd dringt! De overheid zal, in nauwe samenwerking met het bedrijfsleven, kennisorganisaties en NGO’s, de aandacht moeten richten op de vraag hoe de transitie naar een duurzame energievoorziening in 2050 met daarin een prominente rol voor biomassa vorm te geven. Laten we vooral niet blijven hangen in het negeren van de rol van biomassa of in enkel nee zeggen.

Een consortium bestaande uit RGS Development, Tata Steel, ECN, ENGIE en Ontwikkelingsbedrijf NHN kreeg een Demonstratie energie-innovatie subsidie (DEI) toegewezen voor het initiatief ‘Waste Radiation Heat to Power and Steam’ (WRAPS). Het Ministerie van Economische Zaken stelt met Topsector Energiesubsidie in totaal 1,5 miljoen Euro beschikbaar voor het project, dat ten doel heeft om energie uit industriële restwarmte te halen.

Onder de noemer ‘WRAPS’ werken de organisaties samen om de restwarmte van hoge temperatuur (700-1200⁰C) te benutten, die vrijkomt bij de productie van onder andere staal, metaal en glas. Daarvoor ontwikkelde RGS Development uit Broek op Langedijk Thermagy hittepanelen die stralingswarmte omzetten in elektriciteit en warm water. ENGIE levert een Qpinch hittetransformator, die het vrijgekomen warme water in het proces omzet in stoom. Het demonstratieproject behelst een installatie, die in totaal één megawatt aan stroom en stoom terugwint uit ongeveer twee megawatt aan restwarmte. Het project loopt van midden 2017 tot eind 2019.

Tata Steel IJmuiden is een vooruitstrevende staalproducent en een ideale locatie  om deze innovatieve techniek te testen. ‘Veel van de restwarmte in onze processen wordt al gebruikt om gas en verbrandingslucht voor te verwarmen en op sommige plaatsen om stoom te maken. Je kunt geen staal gieten zonder dat er stralingswarmte vrijkomt. De introductie van Thermagy maakt het nu mogelijk ook de hoge temperatuur stralingswarmte nuttig te gebruiken’, verklaart Gerard Jägers, Programma Manager Energie Efficiency bij Tata Steel in IJmuiden.

Deze ontwikkeling draagt bij aan het terugdringen van fossiele brandstoffen en CO2-uitstoot. ‘Met de subsidie willen we de waarde van de toepassing van de Thermagy technologie op grotere schaal bewijzen”, aldus Maarten den Heijer, CEO van RGS Development. ‘Het is een prachtige kans om deze duurzame primeur in de eigen regio gestalte te geven en daarmee tevens de ambitie van de regio op het gebied van duurzame energie te versterken. Thermagy is voor een groot aantal energie-intensieve  industriële bedrijven interessant. Het wereldwijde potentieel is enorm.”

Op basis van studies wordt geschat dat de hoeveelheid ongebruikte restwarmte van hoge temperatuur in de Europese industrieën 100+ petajoule per jaar kan bedragen, gelijk aan de totale 2020 doelstelling voor energiereductie in Nederland. Met het gedemonstreerde concept kan aan deze doelstelling in de komende jaren een significante bijdrage worden geleverd. Een fantastisch streven, vindt ook Bjorn Borgers van Ontwikkelingsbedrijf NHN: “WRAPS is een goed voorbeeld van regionale samenwerking in de regio Noord-Holland Noord. Het bedrijfsleven, de overheid en diverse kennisinstellingen werken samen om valorisatie van innovaties mogelijk te maken. De focus ligt hierbij op creatieve, duurzame en energiebesparende oplossingen.’

WRAPS is één van de duurzame energie-initiatieven in de regio, benadrukt Paul Stroomer namens ENGIE. ‘Net als Ambigo, IDEA, Investa en Energienetwerk Heerhugowaard is dit één van de parels aan de ketting van energie-innovatieprojecten in de regio Alkmaar. Met onze regionale partners ontwikkelen we Noord-Holland Noord als kenniscentrum en demonstratiegebied voor duurzame innovatie. Daarmee wordt de regio steeds aantrekkelijker voor bedrijven en onderwijs.’

Afhankelijk van de ambities om de kooldioxide-uitstoot terug te dringen, kost de energietransitie in 2030 jaarlijks 1,6 tot 5,5 miljard euro, zo berekende het planbureau voor de leefomgeving samen met ECN. De onderzoekers gaan daarbij uit van een reductie van 43 tot 49 procent. Emissiereductiemaatregelen in de industrie is volgens de onderzoekers relatief goedkoop, terwijl die in woningen duur zijn.

De kosten van de energietransitie die nodig is om de uitstoot van broeikasgassen in Nederland terug te dringen, hangen af van hoe ambitieus Nederland is. In het licht van het Klimaatakkoord van Parijs is 80-95 procent CO2-reductie in 2050 nodig. Daarbij past een reductie van 43 tot 49 procent in 2030. Als ernaar gestreefd wordt om in 2030 de emissies kosteneffectief met 43 procent te hebben teruggebracht, zijn de kosten in 2030 tussen 1,6 en 2,6 miljard euro per jaar. Als het doel wordt om 49 procent te reduceren, dan kunnen de kosten in 2030 oplopen tot 3,5 tot 5,5 miljard euro per jaar. Dit heeft het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL) samen met ECN berekend. Emissiereductiemaatregelen in de industrie zijn relatief goedkoop, maatregelen bij woningen relatief duur. In de praktijk zijn er vele redenen waarom de kosten anders – en waarschijnlijk hoger – zullen uitvallen.

PBL en ECN hebben op verzoek van de ministeries van Financiën, Economische Zaken, Infrastructuur en Milieu en Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties de kosten van de energietransitie in Nederland in 2030 in kaart gebracht. Om bij te dragen aan het realiseren van het Klimaatakkoord van Parijs moeten de broeikasgasemissies in Nederland in 2050 80 tot 95 procent lager zijn dan in 1990. Indien wordt uitgegaan van een tijdige en daarmee geleidelijke transitie, moet de uitstoot in 2030 met 43 tot 49 procent zijn gedaald.

Kosten energietransitie

PBL en ECN hebben de kosten van opties voor emissiereductie geanalyseerd. Op basis van deze opties zijn enkele pakketten van maatregelen samengesteld die leiden tot een emissiereductie in Nederland in 2030 van 43 tot 49 procent tegen de laagste kosten.

De nationale kosten in deze pakketten komen in 2030 uit op 1,6 tot 2,6 miljard euro per jaar (bij 43 procent reductie) en 3,5 tot 5,5 miljard per jaar (bij 49 procent reductie). Dit zijn de kosten bovenop de kosten die al in het basispad worden gemaakt zoals in de Nationale Energieverkenning 2016 geschetst. Het betreft hier nationale kosten – voor de Nederlandse samenleving als geheel, ongeacht wie deze draagt – in het jaar 2030.

Potentieel van kosteneffectieve opties varieert per sector

Vooral in de industrie is een groot potentieel aan kosteneffectieve opties met relatief lage kosten of zelfs opbrengsten. De opties bij de elektriciteitsvoorziening, zoals wind op zee of CO2-opslag, bevinden zich in de midden-range van kosten. Opties bij het verkeer zijn of heel goedkoop (bijvoorbeeld het stimuleren van zuinige banden) of heel duur (zoals de kilometerheffing).

De kosteneffectiviteit van opties in de landbouw varieert van gunstig tot gemiddeld. Ook liggen er mogelijkheden in het veranderen van grondgebruik, bijvoorbeeld van landbouw naar natte landbouw of natuur, of het vergroten van het bosareaal.

Opties bij woningen en kantoren zijn ten slotte vrijwel allemaal relatief duur. Goedkoop kan echter duurkoop zijn, als bij het nemen van maatregelen voor 2030 geen rekening wordt gehouden met de stappen die daarna nodig zijn om het einddoel in 2050 te behalen.

De uitkomsten van de berekeningen zijn een indicatie van de orde van grootte van de kosten, er zijn veel onzekerheden. Ook zegt de kosteneffectiviteit van een pakket van maatregelen niets over de uitvoerbaarheid ervan; zo kunnen relatief goedkope maatregelen stuiten op maatschappelijke weerstand. Daarnaast zal beleid op EU-niveau, zoals het EU-emissiehandelssysteem (ETS), ook impact hebben op Nederlandse emissies en op Nederlandse reductiemaatregelen.

Shared Innovation Program VoltaChem is op zoek naar bedrijven die technologie in huis hebben om de levensduur van componenten in een electrolyzer te verbeteren. Partner ECN biedt zijn electrolyzer teststation aan voor deze bedrijven om de levensduur van deze componenten te testen.

Met een electrolyzer kun je waterstof maken uit water met behulp van elektriciteit. De behoefte aan waterstof stijgt de komende jaren sterk. Niet alleen vanuit de transportsector, maar ook vanuit de chemische industrie. Alle reden dus om samen te werken aan een concurrerende electrolyzer.

VoltaChem’s Power-2-Hydrogen expert Arend de Groot die binnen VoltaChem verantwoordelijk is voor de Power-2-Hydrogen programmalijn licht toe welke concrete kansen er liggen voor de Nederlandse hightech maakindustrie. ‘VoltaChem werkt aan de elektrificatie van de chemische industrie. Bij ECN hebben we sinds kort een uniek electrolyzer teststation staan dat levensduurtesten kan uitvoeren.

De levensduur bepaalt hoe succesvol een electrolyzer is. Op dit moment zorgen dure materialen zoals iridium voor de katalysator of edelmetaalcoatings om corrosie te voorkomen voor een lange levensduur. Met langeduurtesten en testen waarbij de degradatie gericht wordt versneld, willen we nu onderzoeken welke alternatieve componenten geschikt zijn om de kosten van de electrolyzer te verlagen, de efficiëntie te verhogen, en dat alles bij een gelijkblijvende of zelfs langere levensduur. We kunnen dit niet alleen en daarom zoeken we bedrijven die technologie in huis hebben om betere electrolyzer-componenten te produceren. Wij kunnen bedrijven helpen om componenten op basis van hun technologie te ontwikkelen en samen met hen de componenten te testen’.

Onafhankelijk

Waarom zouden hightech componentenleveranciers hun materialen eigenlijk niet direct laten testen bij hun (potentiële) klant: de electrolyzerfabrikant? ‘Dat heeft te maken met twee zaken’, legt De Groot uit. ‘Ten eerste weten de fabrikanten dat levensduur van componenten het belangrijkste is. Ze zijn dus alleen geïnteresseerd in componenten waarvan de levensduur al aangetoond is. En ten tweede is de architectuur van de cel waar de component in moet passen, vaak fabrikant-specifiek. Als je dus een materiaal getest wilt hebben dat toepasbaar moet zijn in verschillende soorten electrolyzers en als je op gelijkwaardige voet inzicht wilt krijgen in de resultaten, dan zal je de test dus uit moeten laten voeren door een onafhankelijk platform dat werkt volgens het principe van open innovatie. Dat is exact wat VoltaChem biedt. Een groot voordeel is dat de componentenleveranciers bij succesvolle, gestandaardiseerde testen een goed verhaal hebben richting hun potentiële klanten, de electrolyzerfabrikanten. Een win-win-situatie dus voor alle partijen.’

 

‘Electrolyzer fabrikanten zoals Siemens, Hydrogenics en ITM richten hun inspanningen vooral op het integreren van de electrolyzer stack in een compleet systeem. Cel- en stackontwikkeling vindt voor een belangrijk deel plaats met toeleveranciers van sleutelcomponenten als membranen, katalysatoren en separatorplaten. Uiteindelijk zit de toevoegde waarde van de electrolyzer met name in de toegeleverde functionele elementen. Daarom is het voor Nederland met zijn sterke hightech maakindustrie interessant zich als toekomstige toeleverancier te positioneren’, aldus De Groot.

VoltaChem heeft een helder beeld van welke innovaties er nodig zijn. Zo zouden de titanium platen tussen de elektrolysecellen moeten worden vervangen door andere corrosiebestendige materialen of slimme composietoplossingen. Ook zoekt de branche nog naar oplossingen die het oversteken van gassen (zuurstof/waterstof) door de polymeermembranen verminderen, bijvoorbeeld door toepassing van andere protongeleidende polymeren of gebruik van dunne lagen.

Ook de huidige titanium ‘current collector’ laag, zou moeten worden herontworpen. Deze zou een goede elektrische geleiding moeten hebben, maar moet tegelijkertijd het transport van gas en vloeistof zo min mogelijk hinderen. Als laatste zijn er alternatieven nodig voor de dure ruthenium/iridium-katalysatoren die worden gebruikt om water in protonen en zuurstof te splitsen.

 

Hoewel er steeds meer initiatieven ontstaan om laagwaardige warmte nuttig te gebruiken, gooit de industrie nog veel warmte weg. Dat is niet alleen zonde, maar ook niet nodig. Er is inmiddels een nieuwe generatie warmtepompen restwarmte van zo’n zestig graden Celsius kan opwaarderen naar zo’n 120 of in de toekomst zelfs 150/200 graden Celsius. Daarmee wordt de technologie ook interessant voor stoomproductie in de procesindustrie.

Warmtepompen worden al langer op commerciële schaal ingezet in tal van processen. Ook in de huishoudens kijkt men steeds meer naar lucht/water warmtepompen als alternatief voor de gasgestookte CV-installatie. Zo’n installatie haalt warmte uit de buitenlucht en heeft daardoor een veel hoger rendement dan een gasgestookte CV-installatie. Ook in de industrie ziet men steeds vaker mogelijkheden voor de inzet van warmtepompen. Zo zet bierbrouwer Bavaria een warmtepomp in om warmte uit koelwater met een temperatuur van rond de dertig a veertig graden op te waarderen tot zo’n 67 graden Celsius. ‘Die temperatuur is voor sommige processen al hoog genoeg’, zegt innovatiemanager industriële warmte Simon Spoelstra van ECN. ‘Maar in de procesindustrie werkt men vaak met hogere temperaturen en die stap kon tot voor kort niet worden gemaakt met de bestaande technologie.’

Spoelstra is projectleider van het STEPS-project, dat een volgende stap wil maken met de opwaardering van laagwaardige warmtestromen naar hogere temperatuurniveaus. Hierbij ontwikkelen en testen de onderzoekpartners twee technologische concepten. Het eerste concept is een compressiewarmtepomp die voortborduurt op een butaanwarmtepomp die in een voorafgaand project is getest. Het tweede concept betreft een thermo-akoestische warmtepomp.

Butaan warmtepomp

Eén van de innovaties die het momenteel mogelijk maakt om hogere temperaturen te bereiken is het gebruik van het werkmedium butaan. Geert ten Brink business developer bij Bronswerk licht toe: ‘Een warmtepomp werkt via hetzelfde principe als een koelkast. Waar je in een koelkast de koude benut, gebruik je bij een warmtepomp juist de warmte. Als een gas wordt gecomprimeerd tot een hogere druk, dan stijgt de condensatie temperatuur. Een warmtepomp maakt van dit verschijnsel gebruik door in een gesloten systeem het aanwezige gas met een compressor in druk te verhogen totdat de temperatuur hoog genoeg is geworden om nuttig te kunnen gebruiken. Nadat de warmte is afgegeven, wordt de druk verlaagd, waardoor weer nieuwe warmte kan worden opgenomen. Het temperatuurbereik is mede afhankelijk van het toegepaste koudemiddel. Veel industriële warmtepompen gebruiken ammoniak als werkmedium en halen daarmee temperaturen tot ‘slechts’ negentig graden Celsius. Butaan kan bij veel hogere temperaturen worden toegepast waarbij COP’s behaalt worden tussen de 3 en 5 .

Het is niet zo eenvoudig een warmtepomp te bouwen met butaan als werkmedium vanwege de nadelige eigenschap van butaan dat het snel verzadigd raakt, waardoor druppels ontstaan die de compressor beschadigen. De innovatie zit dan ook met name in het voorkomen van die druppelvorming. In het consortium dat aan de nieuwe technologie werkt, zit ook leverancier IBK die een dergelijke warmtepomp kan bouwen. Bronswerk Heat Transfer is betrokken geweest bij de ontwikkeling hiervan via het CATCH-IT project, een voorloper van STEPS. Het bedrijf zette in dit project zijn expertise in als procesintegrator.

Het systeem is geïnstalleerd en getest met succes onder bedrijfscondities bij papierproducent SmurfitKappa’, zegt Ten Brink. IBK ontving daarvoor in 2014 nog de NVKL Koeltrofee. ‘De papierindustrie gebruikt stoom voor het drogen van het papier en houdt daarbij laagwaardige restwarmte over. Door die warmte van zo’n 64 graden Celsius op te waarderen naar verzadigd stoom met een temperatuur van 115 graden, bespaart Smurfit Kappa veel energie.’

Het consortium, bestaande uit ECN, Bronswerk, IBK en SmurfitKappa bouwde een warmtepompunit met een thermisch vermogen van 209 kilowatt en een COP van 4,27. Ten Brink: ‘In feite is het gebruik van warmtepompen niets nieuws. We hebben het hier over een concept dat voor lagere temperaturen al in veel gebouwen wordt toegepast. We zijn uitgegaan van bestaande componenten die met een kleine aanpassing zijn ingebouwd. Iedere industrie met restwarmte temperaturen van circa zestig graden Celsius en een warmte/stoom-behoefte tot circa 120 graden Celsius kan met deze warmtepomp veel energie en kosten besparen. Tevens profiteert deze elektrische warmtepomp van de lage elektriciteitsprijzen en de verduurzaming van de elektriciteitssector. Natuurlijk vergt een dergelijk systeem wel enig maatwerk en is de investering ook behoorlijk. Dergelijke oplossingen zijn dan ook alleen interessant als je een behoorlijke en constante stoomvraag hebt (tussen twee megawatt en 10+). Overigens vallen investeringen in warmtepompen wel onder de energie-investeringsaftrekregeling. Gezien de positieve resultaten die we hebben gehaald bij SmurfitKappa, ligt er voor de industrie een mooie kans om snel energie te besparen en de CO2-uitstoot te verkleinen. ‘

 

Praktijk

De rentabiliteit van een investering in een warmtepomp hangt natuurlijk af van de heersende energieprijzen. Daar waar de elektriciteitsprijs al jarenlang relatief laag is, is de olie- en daarmee de gasprijs sterk aan veranderingen onderhevig. Ton van Haasteren van SmurfitKappa ziet zeker de voordelen van een warmtepomp. Niet alleen heeft het de potentie om energiekosten te verlagen en daarmee de productiekosten. Ook vanuit maatschappelijke verantwoordelijkheid wil Smurfit Kappa op energie besparen en de CO2 uitstoot verminderen ‘maar met de huidige prijzen is de terugverdientijd gewoon te lang. Toen wij vier jaar geleden in het butaan warmtepomp programma instapten, waren de gasprijzen nog dermate hoog dat de terugverdientijd op zo’n 3,5 jaar lag. Het initiële plan was dan ook om direct een 2,5 megawatt-installatie aan te leggen omdat een deel van de efficiency nu eenmaal in de schaalgrootte zit. We hebben echter een andere keuze gemaakt omdat de meetresultaten nog onbekend waren. Met de huidige gasprijs is de terugverdientijd bij SmurfitKappa ongeveer vijf jaar. Dat is nu gewoon te lang.’

Het STEPS project ontwikkelt de butaan warmtepomp door met behulp van een nieuw werkmedium en een meertrapscompressie concept. Hierdoor zijn nog hogere temperaturen (150-160°C) mogelijk met een goed rendement, zodat de toepasbaarheid van warmtepomptechnologie verder wordt vergroot. Verder wordt zoveel mogelijk van standaardcomponenten uitgegaan en de warmtepomp geschikt gemaakt voor grotere vermogens. Daarmee gaan de kosten per geproduceerde megawatt omlaag.

Daarom doet de papierproducent ook mee aan STEPS. ‘Een hogere temperatuurlift kan uiteindelijk ook een hogere efficiency betekenen’, zegt Van Haasteren. ‘Wij gebruiken deze lage drukstoom om ons papier te drogen en hoe hoger de temperatuur is, hoe sneller dat gaat. Om dit zo efficiënt mogelijk te doen, gebruiken we een tweetraps warmtepomp die stoom produceert van de gewenste 150 graden. Cruciaal in de businesscase van een warmtepomp is de hoeveelheid warmte die je uit je processen kunt halen. Daarvoor kun je de zogenaamde pinch-analyses gebruiken die de energiestromen in je bedrijf in kaart brengen. Voor sommige bedrijven, met veel restwarmtebronnen, kan de technologie nu al uit zonder subsidie, maar voor ons geldt dat nog niet.’

Dat de technologie potentie heeft, dat mag duidelijk zijn. Van Haasteren: ‘Ook de aanpassingen die je in je proces moet doen, vallen mee. Omdat je met butaan als koelmiddel werkt, moet je wel rekening houden met de ATEX-wetgeving. Het gebruik van butaan brengt geen risico’s met zich mee door extra getroffen veiligheidsmaatregelen. Dat is met de proefinstallatie prima gelukt en leverde geen extra druk op de organisatie op. Ik denk alleen dat met name de markt iets volwassener moet worden zodat de prijzen van een warmtepomp concurrerender worden. Maar de onzekerheid over de werking van de technologie in de praktijk hebben we al weggenomen. Als de energieprijzen weer gaan stijgen, zullen we de businesscase nog eens doornemen. Subsidies nemen we overigens niet mee in die overweging. Hoewel er wel stimulerende maatregelen zijn vanuit de overheid, willen we daar niet te afhankelijk van zijn. Voor ons geldt dat een technologie echter economisch op eigen benen moet staan.’

Geothermie

Een andere bron van warmte waar de warmtepomp een verschil kan maken is geothermie. Spoelstra: ‘Er zijn twee richtingen voor de inzet van de beoogde warmtepomp. De eerste gaat uit van een industriële restwarmtestroom zoals hiervoor beschreven. De warmtepomp is ook geschikt om de temperatuur van een duurzame warmtebron aan te passen aan de toepassing. Die laatste optie past heel goed bij geothermie. In Nederland worden steeds vaker van dit soort bronnen van diepe aardwarmte aangeboord. De temperatuur van die bronnen ligt tussen de zestig en tweehonderd graden Celsius. Die temperatuur is afhankelijk van de diepte waarop je boort en de locatie. Zodra er warmte wordt onttrokken aan de warmtestroom die bovengronds is gehaald, daalt de temperatuur en zal op een gegeven moment onder het vereiste niveau komen dat nodig is voor stoomproductie. Met een warmtepomp kan de geothermische warmtestroom verder worden uitgekoeld en is stoomproductie wel mogelijk. Op deze wijze wordt optimaal gebruik gemaakt van de geothermische bron waardoor de businesscase voor geothermie voor een aantal sectoren ineens wel sluitend kan worden gemaakt.’

Akoestische warmtepomp

Spoelstra heeft ook hoge verwachtingen van een innovatieve technologie waar ECN al een decennium aan werkt: de thermo-akoestische warmtepomp. Deze gebruikt laagfrequente geluidsgolven in een gas in plaats van een compressor en koudemiddel. Deze warmtepomp levert juist op de genoemde temperatuurrange van zo’n tweehonderd graden Celsius opmerkelijk hoge rendementen. In het laboratorium is al een zogenoemd Carnot rendement van 48 procent gehaald. De onderzoekers vestigden daarmee niet alleen een record, maar kregen ook het vertrouwen dat de technologie een oplossing kan bieden voor de hoge temperaturen die nodig zijn in de industrie. Binnen het STEPS-project wordt met name gekeken naar toepassing van restwarmtestromen die in temperatuur dalen. Verwacht wordt dat de thermo-akoestische warmtepomp daar specifieke voordelen zal bieden.

 

Consortium van eindgebruikers

STEPS wordt uitgevoerd door een omvangrijk industrieel consortium onder leiding van penvoerder ECN. Dit consortium bestaat uit eindgebruikers AkzoNobel, Bavaria, Dow, DSM, Heineken, Huntsman, Lamb Weston / Meijer, SmurfitKappa, Warmtebedrijf Rotterdam, technologie leveranciers Bronswerk Heat Transfer, IBK en engineering & consultancy bedrijf IF Technology. Het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT) is betrokken bij de disseminatie van de resultaten naar een breder industrieel platform.

Meer informatie is te vinden op de STEPS website