peakshaving Archieven - Utilities

 

Zonne- en windenergie die in een gascentrale wordt opgeslagen om later als koolstofvrije brandstof voor stroom te dienen. Dat is het idee achter de transformatie van de gascentrale in de Groningse Eemshaven tot een ‘superbatterij’. Nuon en de TU Delft verkennen de komende jaren the power of ammonia.

Tekst: Lynsey Dubbeld

‘Er is steeds meer energie uit wind en zon. Dat betekent dat er behoefte is aan mogelijkheden om energie-overschotten van windmolens en zonnepanelen op te slaan. Én dat de vraag naar elektriciteit uit gascentrales steeds flexibeler wordt’, zegt Geert Laagland, technoloog bij Nuon, over de aanleiding voor het onderzoek naar het gebruik van vloeibare ammoniak als brandstof in de gascentrale in de Eemshaven.

De Magnum-locatie is de aangewezen plek voor het onderzoek, omdat de gascentrale al vanaf de bouw in 2013 flexibel opereert: hoeveel de drie stoom- en gasturbines van de centrale draaien, is afhankelijk van de dagelijkse energiebehoefte. Om straks ook te kunnen inspelen op fluctuaties in het energie-aanbod worden de mogelijkheden onderzocht om de centrale de komende tien jaar te voorzien van een innovatieve opslagmethode waarin ammoniak als koolstofvrije brandstof een spilfunctie vervult.

Van elektriciteit naar ammoniak

De eerste stap in het opslagsysteem dat in de gascentrale in de Eemshaven wordt ontwikkeld, is het omzetten van elektriciteit in vloeibare ammoniak. Dit gebeurt door elektrolyse van water, waarna de geproduceerde waterstof met zuivere stikstof wordt omgezet in ammoniak. ‘Er is tot nu toe veel gesproken over de opslag van waterstof, maar dat is moeilijker op te slaan dan ammoniak’, zegt Laagland over de keuze voor ammoniakproductie. Ook batterijen zijn niet geschikt om forse energieoverschotten voor een langere periode, zoals enkele weken of maanden, te bewaren. Het binden van waterstof en stikstof tot ammoniak biedt dan uitkomst: de vloeistof kan op een hanteerbare manier langdurig worden opgeslagen.

‘De technologie om waterstof te produceren met behulp van elektriciteit is zeker niet nieuw en is bovendien op grote schaal uitvoerbaar. Maar tot nu toe waren de processen altijd relatief duur’, zegt Fokko Mulder, die als hoogleraar aan de TU Delft nauw betrokken is bij het onderzoek in de Eemshaven. ‘In de Magnum-centrale verwachten we de productie van vloeibare ammoniak dankzij een nieuwe techniek om waterstof te behandelen efficiënter en goedkoper te kunnen maken.’

Ammoniakopslag

De tweede stap van het nieuwe systeem dat Nuon ontwikkelt betreft de opslag van vloeibare ammoniak. Dit gebeurt bij atmosferische druk en een temperatuur van -33°C. De ammoniak kan op deze manier gedurende een lange periode worden opgeslagen, vertelt Laagland. ‘Het is mogelijk om de opslagduur beperkt te houden tot bijvoorbeeld een dag, maar het kunnen ook maanden zijn. Dat maakt het mogelijk om seizoensverschillen in de productie en het gebruik van zonne-energie te overbruggen.’

Een ander voordeel van de ammoniakopslag is dat de vloeistof goed te transporteren is. Dit biedt de mogelijkheid om ammoniak te produceren op plaatsen waar veel duurzame energie beschikbaar is, maar waar kabelverbindingen ontbreken. Deze zogenoemde remote renewables kunnen naar verwachting in de toekomst een spilfunctie vervullen in de wereldwijde energievoorziening.

Ammoniak als koolstofvrije brandstof

Het hergebruik van de ammoniak als brandstof vormt de derde stap naar de toekomstige Magnum-centrale. Hiervoor wordt ammoniak (in plaats van aardgas) als brandstof toegevoerd naar een gasturbine, die de brandstof omzet in elektriciteit voor het net. In eerste instantie wordt gekeken naar de benodigde voorzieningen om de ammoniak bij te mengen in aardgas. Laagland: ‘Uiteindelijk – over ongeveer tien jaar – verwachten we volledig op ammoniak te kunnen draaien. Dat levert een gigantische verbetering van de ecologische voetafdruk op, want de CO2-uitstoot gaat omlaag naar praktisch nul.’

De nieuwe Tesla

Ammoniak wordt sinds jaar en dag veel gebruikt, bijvoorbeeld voor de productie van kunstmest, plastics en andere materialen. Ook als koolstofvrije energiedrager staat ammoniak al langere tijd op de agenda. Maar het traditionele procedé om ammoniak te maken via elektriciteit was relatief kostbaar en energie-intensief. Eerst is een elektrolyser nodig om waterstof te maken en vervolgens worden de stikstofmoleculen met waterstof gebonden onder hoge druk en op een hoge temperatuur. De omzetting van elektriciteit naar ammoniak was daardoor niet goedkoop – en niet efficiënt. Mulder: ‘Vooral met de lage prijzen voor fossiele brandstoffen had ammoniak het tij niet mee. Bovendien waren de ontwikkelingen in duurzame energiesector nog niet zo ver dat een doorbraak van ammoniak als brandstof voor de hand lag.’

Is er nu wel een doorbraak voor stroom uit ammoniak op handen? Mulder trekt een vergelijking met de modellen van Tesla. ‘De technologieën voor het type ammoniakproductie die nu wordt ontwikkeld in de Magnum-centrale zijn voldoende rijp om op te schalen. Maar in feite ligt er nu een versie 1.0 van een nieuwe methode die het aantrekkelijk maakt om in gascentrales deze koolstofvrije brandstof te gebruiken. De versie 2.0 wordt na verdere ontwikkeling en onderzoek – net als de nieuwste Tesla – goedkoper en beter.’

Veiligheid en milieu op de agenda

Omdat ammoniak bekend staat als een giftige stof, is veiligheid een nadrukkelijk agenda-item van het onderzoek naar de productie en opslag van vloeibare ammoniak uit stroom. Mulder: ‘Ammoniak wordt niet voor niets altijd in strak gecontroleerde omgevingen gebruikt. Maar er is al ruim honderd jaar heel veel ervaring met het opslagproces, zowel in Nederland als daarbuiten. Er gebeuren zelden ongelukken. En mocht er toch iets misgaan, dan is ammoniak nog altijd biologisch afbreekbaar en dus kan het milieu er – in tegenstelling tot bijvoorbeeld olie – niet ernstig door geschaad worden.’

Het onderzoek naar de productie en het gebruik van ammoniak uit duurzame energiebronnen wordt uitgevoerd binnen een consortium waarvan het Institute for Sustainable Process Technology de penvoerder is. Deelnemers aan het Power to Ammonia project zijn naast Nuon en de TU Delft ook Stedin Infradiensten, ECN, de Universiteit Twente, Proton Ventures, OCI Nitrogen, CE Delft en Akzo Nobel. Het consortium kijkt naar verschillende aspecten van innovaties in energiebronnen: de technische en financiële haalbaarheid, de milieu-impact en de veiligheidsrisico’s. Hierbij wordt ook gekeken naar de mogelijke uitstoot van schadelijke stoffen, zoals bijvoorbeeld stikstofoxiden (NOx). ‘Dit is een veelvoorkomend probleem als brandstoffen op hoge temperaturen worden verbrand’, nuanceert Mulder. De gascentrale van Nuon in Eemshaven beschikt dan ook al over passende voorzieningen voor de nabehandeling van de rookgassen.

All-electric society

Met de inzet van de Magnum-gascentrale als ‘superbatterij’ voor de opslag van energie uit wind en zon kiest Nuon definitief voor een duurzaam alternatief voor het vergassen van steenkool, waarvoor de locatie oorspronkelijk gebouwd was. Het is de bedoeling dat over vijf jaar een demonstratieproject met ammoniak als brandstof kan draaien. Dan zal de centrale de vloeibare ammoniak met voldoende efficiëntie kunnen produceren en deze – in aanvulling op aardgas – als brandstof voor het maken van elektriciteit gaan gebruiken. Op prijs kan de nieuwe brandstof dan waarschijnlijk niet concurreren met gas. Nuon verkent wel prijsscenario’s voor 2023 en 2030. Vanuit het perspectief van the all-electric society ziet Mulder op die termijn volop kansen voor stroom uit wind en zon. ‘Stroom is een fantastisch mooie energiebron; er zijn zoveel toepassingen die efficiënter zouden zijn als ze geëlektrificeerd zouden worden. Denk aan elektromotoren die vijf keer zo energiezuinig kunnen zijn als diesel of benzine. Dan is het ook geen probleem als de prijs per kilowattuur wat hoger ligt: de elektrificatie zorgt voor een zodanige energiebesparing dat de totaalkosten uiteindelijk niet hoger zijn. Bovendien: als Europa willen we de CO2-emissies met 95 procent reduceren. Dan moeten we echt alle wind- en zonne-energie benutten die er is.’

 

 

 

 

Met de inpassing van duurzame, intermitterende energiebronnen op het energiesysteem, ontstaat meer volatiliteit op de elektriciteitsmarkt. De industrie kan grote pieken en dalen opvangen door zijn productie aan te passen aan het elektriciteitsaanbod. Deze zogenaamde power to products-trend levert niet alleen voordelen op voor de energiesector, maar kan ook voor de energiegrootverbruikers een interessante businesscase opleveren.

De energiemarkt is behoorlijk in beweging. De Europese Unie stuurt aan op decarbonisatie van de energievoorziening terwijl een aantal landen ook de nucleaire energieopwekking aan de kant heeft gezet. Tel daarbij op de toenemende investeringen in duurzame intermitterende bronnen zoals wind- en zonne-energie en het mag duidelijk zijn dat de stroomvoorziening steeds grotere fluctuaties gaat vertonen. Aan de andere kant van het spectrum staat de ontwikkeling van grensoverschrijdende connecties tussen de Europese landen. De zogenaamde crossborder capaciteit is vaak een behoorlijke bottleneck geweest in de uitwisseling van elektriciteit, maar daar is inmiddels flink verbetering in gekomen en wordt ook nog hard aan verder gewerkt. Wanneer het transportbereik van stroom groter wordt, kunnen hierdoor sommige pieken afvlakken. De koppeling van de Europese energiemarkten is al langer gaande en ook die ontwikkeling zorgt ervoor dat er gemiddeld over Europa minder fluctuaties optreden en elektriciteitsvraag en aanbod beter op elkaar wordt afgestemd. Voor Nederland betekent dat, naast een betere convergentie met de buitenlandse prijzen, dat er soms juist meer prijsschommelingen worden geïmporteerd uit het buitenland.

Elektrificering

Hoe dan ook zullen er steeds meer situaties op gaan waarin er een groot aanbod is van duurzame elektriciteit. Afspraken in het Energieakkoord leiden naar verwachting tot een additionele 3,8 gigawatt windvermogen op land en 3,45 gigawatt wind op zee in 2023. Daarnaast verwacht men dat er ongeveer vier gigawatt aan vermogen bijkomt van zonnepanelen. Dat betekent samen in totaal elf gigawatt extra duurzaam productievermogen. Dat is relatief veel aangezien de dagelijkse elektriciteitsvraag fluctueert tussen circa acht en achttien gigawatt.

Het is voor energiegrootverbruikers interessant om mee te spelen op de elektriciteitsmarkt. Door de productie terug te schroeven als de elektriciteitsprijzen hoog zijn of juist de productie op te voeren bij een laag prijspeil, is veel geld te besparen. De industrie raakt dan ook steeds meer geinteresseerd in oplossingen als power to heat of een stapje verder: power to products. Elektriciteitsaanbodgestuurde productie kan worden ingevuld door grote elektriciteitsvragers uit of aan te zetten bij hoge of lage elektriciteitsprijzen. Dit is bijvoorbeeld mogelijk bij elektrochemische processen zoals elektrolyse.

Een andere optie is warmte op te wekken via elektriciteit. Dat kan met een elektrische boiler(power to heat), maar bijvoorbeeld ook met stoomrecompressie of via warmtepompen. Daarnaast zijn er ook andere mogelijkheden om gas te vervangen door elektriciteit  of juist (waterstof)gas te produceren uit elektriciteit (power to gas).

Peakshaving

Een consortium van adviesbureaus CE Delft, ISPT en Berenschot, netwerkbedrijven en een groot aantal industriële bedrijven onderzocht de potentie van Power to Products en concludeerde dat in de huidige omstandigheden peakshaving, ofwel het tijdelijk terugdraaien van de vraag bij hoge elektriciteitsprijzen, interessant is. Power to heat op de momenten van goedkope stroom is momenteel nog niet heel interessant, maar kan dat wel worden als de omstandigheden of de regelgeving veranderen. De inzet van stoomrecompressie bij projectdeelnemer DOW bleek nu al een goede businesscase op te leveren. Die positieve resultaten kwamen vooral doordat stoomrecompressie een zeer efficiënte manier is om laagwaardige warmte her te gebruiken voor de productie van stroom.

Bert den Ouden is managing director energy & sustainability bij Berenschot en medeopsteller van het rapport: Power to products. ‘De resultaten uit het onderzoek dat we publiceerden zien er op het eerste gezicht niet heel gunstig uit voor de power-to- heat oplossingen vandaag de dag. Maar daarmee is het laatste woord nog niet gezegd:  het rapport wijst ook op bepaalde knelpunten, waarop we nu verder studeren.  Ik dat er wel degelijk een toekomst is voor de industrie als flexibele elektriciteitsverbruiker. Naarmate er meer intermitterende bronnen bijkomen, wordt het interessanter om de productie aan te passen op het elektriciteitsaanbod. Daar hoort zeker ook de inzet van stroom voor warmteproductie bij. Met name als warmte kan worden gebufferd, kan de balans van de businesscase soms naar de positieve kant schuiven. De markt voor warmte wordt momenteel nog gedomineerd door aardgas, maar wanneer je warmte efficiënt elektrisch kunt produceren en daarna die warmte opslaan, ontkoppel je de vraagpatronen waardoor partijen beter kunnen profiteren van de markt.

Daarbij geldt nog het feit dat de maatschappelijke baten van peakshaving verder gaan dan alleen de industriële besparingen. Wanneer de industrie zijn elektriciteitsgebruik flexibel kan regelen, scheelt dat kosten voor het verzwaren van netten. Bovendien ontstaat er een bodemprijs voor duurzame elektriciteit waardoor het investeringsklimaat voor windenergie weer gunstiger wordt.  Je zou dan ook met name in de contractvormen kunnen innoveren om de voordelen van peakshaven voor de netbeheerder zoveel mogelijk te verwaarden.’

Energiemarkt

Het flexvermogen kan zowel op de onbalansmarkt als op de intraday-markt worden verhandeld. ‘De onbalansmarkt is belangrijk, maar beperkt in omvang’, zegt Den Ouden. ‘Die markt kent grote prijsverschillen maar is niet groter dan dertig miljoen euro. De day ahead-markt is fysiek veel groter van omvang met veel kleinere prijsverschillen, maar daar zie je dat de volatiliteit toeneemt. Bedrijven doen er dan ook verstandig aan om in de businesscase de verschillende markten met hun eigen dynamiek mee te nemen. De termijnmarkt draait vooral om risicomanagement terwijl de day ahaed markt direct is gekoppeld aan de productieplanning, de intraday markt kan worden gebruikt om de productie aan te passen terwijl de onbalansmarkt alleen bedoeld is om de energiebalans te herstellen. Bedrijven die hun processen kunnen aanpassen op al die verschillende markten, zullen het meeste profiteren van de prijsschommelingen.’

Hoe groot die schommelingen worden is afhankelijk van de marktomstandigheden. Momenteel is er nog veel flexvermogen aan de productiezijde omdat er nog veel fossiele centrales zijn die snel kunnen bijspringen. Naarmate de roep om decarbonisatie van de energieopwekking groter wordt, zal de productiezijde minder flexibiliteit kunnen leveren.

Maatwerk

De business cases laten zien dat er geen one size fits all oplossing is voor de industrie. Bedrijven zullen dus zelf aan de slag moeten en duidelijke keuzes maken. Dat wil zeggen: de juiste technologie om elektriciteit om te zetten in warmte of bijvoorbeeld luchtdruk (perslucht) en de bij het bedrijfsproces aansluitende demand side management-strategie. Ook de contracten vergen maatwerk en constante bijsturing. Ook niet onbelangrijk is dat bedrijven hun processen aanpassen op een onregelmatige inzet van elektriciteit. Ze zullen niet alleen de regeling van de productie-installatie moeten aanpassen, maar ook de ICT-systemen die hierbij worden gebruikt.

Scope

Den Ouden is in ieder geval tevreden met de resultaten die de pilots tot nog toe hebben opgeleverd. ‘De pilots leverden twee positieve businesscases op en drie cases die wat meer onderzoek vergen. We zijn inmiddels verder gegaan met onze onderzoeken naar power to heat en als je met een aantal factoren rekening houdt, kan de business case daarvoor een stuk positiever uitvallen. De investeringen in bijvoorbeeld een stoomrecompressie-systeem zijn hoog, dus moet de benuttingsgraad voldoende hoog zijn. Desondanks denk ik dat die systemen zich in de nabije toekomst wel gaan terugverdienen. Dat zou makkelijker worden als de industrie zijn scope zou gaan verschuiven van de korte termijn naar de middellange termijn. Bedrijven hanteren soms criteria van korte terugverdientijden van één a drie Investeringen in flexibiliteit vergen doorgaans een wat langere adem, maar betalen zich uiteindelijk dubbel en dwars terug. Sommige andere sectoren hanteren al langere terugverdiencriteria. De energieprijs is momenteel misschien wel laag om investeringen te verantwoorden, maar de rentestand is ook heel laag. Bovendien komen veel van de benodigde technieken ook steeds goedkoper beschikbaar. Bedrijven die anticyclisch willen investeren, zouden dan ook goed naar hun processen moeten kijken en hun positie bepalen in de toekomstige energiebalans.’

Chloorproductie

Een van de deelnemers aan het onderzoek naar Power to products was AkzoNobel dat in Delfzijl een aantal chloorchemiefabrieken bedrijft. Een van de processen die profijt zou kunnen hebben van de hoge productiepieken van met name windenergie en daaraan gerelateerde lage prijzen is het proces van chloor-alkali elektrolyse. Hierbij produceert men belangrijke basischemicaliën zoals chloor, waterstof en natronloog uit natriumchloride (zout) en water.  In dit proces gebruikt het chemiebedrijf een slordige tweehonderd megawatt. Een voordeel van het proces is dat deze eenvoudig kan worden aan- en uitgezet. Maar Marco Waas directeur RD&I en Technologie van AkzoNobel Industrial Chemicals, ziet ook kansen in het omzetten van overtollige elektriciteit in Ammoniak. ‘Electrolyzers hebben veel stroom nodig. De vestigingen van AkzoNobel in Rotterdam of Delfzijl kunnen nu al de productie terugschakelen als er weinig duurzame energie wordt opgewekt. Bijvoorbeeld op windstille of zonarme dagen. En op piekmomenten kunnen ze op volle toeren produceren. We hebben al prijspieken gezien van vijfhonderd euro per megawattuur, maar ook negatieve prijzen in dezelfde orde. Door de productie slim te sturen, kunnen we dus geld verdienen.’

Waas zet het verbruik van AkzoNobel in Nederland in perspectief: ‘We gebruiken ongeveer evenveel elektriciteit als 660 duizend huishoudens of, om maar een voorbeeld te noemen: 15,5 miljoen koelkasten. En als je naar steden kijkt, dan gebruiken we evenveel elektriciteit als Amsterdam, Utrecht en Amersfoort samen. We kunnen dus een flinke rol spelen in de balancering van duurzame energie. Vandaar ook dat we zowel bij de power to products als power to ammonia-projecten zijn betrokken.’