In 2030 moet zeventig procent van de energievoorziening in Nederland komen van duurzame energiebronnen zoals zon en wind. De integratie van deze grote aantallen variabele, hernieuwbare energie vraagt om technologische innovaties om schommelingen in de energievoorziening te voorkomen. Want, hernieuwbare energiebronnen zijn immers sterk afhankelijk van weersomstandigheden. Het FlexH2-project (Flexible Offshore Wind Hydrogen Power Plant Module) van het GROW-consortium kijkt hoe windenergie een consistente bijdrage kan leveren aan de energievoorziening.
“Als we het aandeel windenergie willen vergroten, moet er een tussenstop ingebouwd worden tussen het opwekken van windenergie en het uiteindelijke gebruik ervan om het systeem in balans te brengen”, legt Dongsheng Yang uit. Hij is als assistent professor bij Electrical Energy Systems van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) betrokken bij FlexH2.
Waterstof als tussenstop
Binnen het FlexH2-project fungeert groene waterstof als die tussenstop. “We kunnen het opwekken van duurzame energie op zee snel opschalen en een significant deel ervan omzetten in waterstof. Zo kunnen we die energie opslaan. Bovendien kan die zo verkregen waterstof door de industrie gebruikt worden als grondstof of worden omgezet in andere gassen of brandstoffen, die mensen thuis veilig kunnen gebruiken om te koken en hun huis te verwarmen. Zo kunnen we meer duurzame stroom benutten zonder het elektriciteitsnet verder te belasten.”
Nederland is van plan om in 2050 tussen de 38 en 72 gigawatt offshore windenergie te generen. Een kink in de kabel is dat het Nederlandse elektriciteitsnet op dit moment een totale capaciteit van ongeveer twintig gigawatt heeft. De mogelijkheid om waterstof om te zetten in gas is dus een goed alternatief voor het gebruik van die duurzaam opgewekte stroom.
Die enorme hoeveelheden opgewekte elektriciteit op het vaste land krijgen en aldaar om te zetten in waterstof is op z’n zachtst gezegd nogal een opgave.
Transport van enorme hoeveelheden energie naar land
Een van de grootste uitdagingen is het transporteren van enorme hoeveelheden energie naar de elektrolysers op het land. “Je hebt twee manieren om de op zee opgewekte energie te verplaatsen. Als wisselstroom (AC) of als gelijkstroom (DC). AC-technologie is over het algemeen meer volwassen en relatief goedkoper. Voor energietransport over lange afstanden vanaf windparken op zee, is AC-technologie echter niet efficiënt genoeg. Het vermogen van de AC-kabel om stroom over te brengen neemt namelijk sterk af, als gevolg van capacitieve oplading,” legt Yang uit.
Met gelijkstroomtechnologie is transmissie over lange afstanden geen probleem, maar er is een ingewikkeld stroomconversiesysteem nodig om windkracht om te zetten in hoogspanningsgelijkstroom. Dat systeem is vele malen duurder dan dat van een wisselstroomalternatief. Bovendien is het installeren van stroomconversie apparatuur ver van de kunst überhaupt al verre van goedkoop. “Als we de gelijkstroomconversiestations compacter maken, is dat de beste optie. Voor het zover is, hebben we nog veel doorbraken nodig.”
Het verschil tussen wisselstroom en gelijkstroom
De naam zegt het al: bij gelijkstroom is de spanning constant, bij wisselstroom wisselt de spanning vijftig keer per seconde tussen positieve spanning en negatieve spanning. Het hele Nederlandse energienet werkt op wisselstroom. Dat komt met 230 volt uit het stopcontact. Gelijkstroom is bijvoorbeeld de stroom die we gebruiken voor onze smartphones. Daarom zit er een adapter bij, die de wisselstroom uit het stopcontact omzet in gelijkstroom.
Gelijkstroomnet
Yang ziet een offshore elektriciteitsnetwerk op gelijkstroom, waarop al die windturbines direct zijn aangesloten, als de beste keuze. “Op die manier kunnen we de energie als gelijkstroom naar het vaste land vervoeren. De combinatie van nieuwe DC-technologie met netvormende windturbines is in de praktijk nog nooit toegepast. Er zijn veel technische risico’s. Vanuit de wetenschap kijken wij puur naar de technologie, maar bij FlexH2 kijkt de industrie mee. Zonder hun betrokkenheid zouden we veel zaken over het hoofd zien, zoals bijvoorbeeld storingsafhandelingen.”
Veel druk
Toen de wetenschappers tien jaar geleden begonnen aan onderzoek naar dit onderwerp, geloofden veel mensen niet dat duurzame energie een leidende rol zou krijgen. “Toen werd een aandeel van tien procent al als veel gezien. Tien jaar later zijn er momenten waarop er in het Nederlandse elektriciteitsnet meer duurzame, dan regulier opgewekte energie zit. Maar we lopen nu nog achter op schema om opwarming van de aarde tegen te gaan. Dat brengt veel druk met zich mee.”
Yang ziet daardoor ook dat veel partners uit de industrie actief naar oplossingen zoeken. Dat TU/e zo nauw samenwerkt met partners uit deze sector, is een van de voornaamste redenen waarom hij zo graag bij de universiteit wilde werken. “De onderwerpen waar ik onderzoek naar doe, hebben een hoog technology-readiness gehalte. Dat betekent dat de resultaten van het onderzoek op relatief korte termijn in gebruik kunnen worden genomen. Het idee dat ik met mijn onderzoek écht het verschil kan maken, motiveert mij enorm.”
“We lopen nu nog achter op schema om opwarming van de aarde tegen te gaan. Dat brengt veel druk met zich mee.”
Dongsheng Yang
Versnellen van de energietransitie
Het FlexH2-project is er een goed voorbeeld van. Shell trekt de kar van het onderzoeksproject. Naast de TU/e zijn ook General Electric, ABB, VONK en de Technische Universiteit Delft verantwoordelijk voor de elektrotechnische innovaties. Shell, Van Oord, TKF, TNO en DNV zetten hun expertise op onder andere het gebied van waterstofelektrolyse en balans van de installatie in.
Augustus 2023 hoopt Yang een demonstratie van het FlexH2-project klaar te hebben. “Dat is heel belangrijk, zo kunnen alle betrokken partijen zien welke technologie we ontwikkelen. Mijn grootste motivatie is dat het onderzoek dat ik doe, écht bijdraagt aan het versnellen van de energietransitie.”
Samenwerking
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
