Toekomst van de elektriciteitsvoorziening

Laatst geactualiseerd in 2007

De gebruikelijke energieomzetting in motoren is een woest fysisch proces. Verbranding en ontploffing creëren druk- en temperatuurverschillen. Op mechanische wijze wordt hieruit de gewenste energie verkregen. Daarbij gaat echter veel energie verloren. Dat kan veel beter. Reeds lang is bekend dat elektriciteit en warmte ook direct uit chemische reacties kunnen worden betrokken. Dit gebeurt in een brandstofcel (i).

Schematische weergave van verschillende typen brandstofcellen, en de reacties/reactietemperaturen waarop ze werken. Van koud (onder) naar heet (boven). (bron: Cambridge)

De brandstofcel

De inzet van brandstofcellen is te vergelijken met de komst van de stoommachine, de wisselspanning en de computer. Het legt een fundament voor een andere manier van werken. Het rendement van een brandstofcel is hoog en de uitstoot van de cel kan zelfs volledig schoon zijn. Hierdoor kunnen afgassen, zoals water en zuivere CO2, nuttig worden gebruikt. Twee systeemtypen voor brandstofcellen zijn voor Nieuwe Nuts van belang: de systemen die lokale reststromen in energie omzetten, en de systemen die zon- en windenergie goed hanteerbaar maken. Beide laten niet lang meer op zich wachten.

Brandstofcel in nutsbedrijf

Sinds 2001 doet men in Duitsland op diverse plaatsen ervaring op met het gebruik van brandstofcellen voor decentrale elektriciteits- en warmtevoorziening. Voorbeelden zijn het ziekenhuis in Bad Neustadt a/d Saale en Deutsche Telekom in München.

De gebruikte brandstofcel (type MCFC – molten carbonate fuel cell) wordt gevoed met  aardgas. Het elektrisch rendement is hoog: 50% (ii). Daarbij komt warmte op hoge temperatuur beschikbaar die voor allerlei doeleinden kan worden gebruikt. Sinds 2006 lopen er ook pilotprojecten voor brandstofcellen op biogas (iii).

SOFC-GT

Een verdere ontwikkeling is de combinatie van brandstofcel met gasturbine (GT). Hiervoor wordt een hetere brandstofcel gebruikt (type SOFC - solide oxide fuel cell). De afgassen van deze brandstofcel hebben voldoende druk om een gasturbine aan te drijven. Het elektrisch rendement van deze combinatie is hoog. Schattingen voor de eerste generatie SOFC-GT  liggen rond de 75% (iv). Voor latere generaties worden nog hogere rendementen verwacht. De SOFC hoeft geen waterstof te worden gevoed. Hij is omnivoor en kan ook koolwaterstoffen aan, zoals biogas en biodiesel. Een dergelijke combinatie is bij uitstek geschikt om reststromen te verwerken en basislast te leveren voor de elektriciteitsvoorziening. De afgassen zijn zuiver en toepasbaar voor andere functies (v).

De koudere brandstofcellen worden met waterstof gevoed. Dit zijn de brandstofcellen waarover in de pers het meest wordt geschreven. De ontwikkelhorizon van deze cellen ligt ver in de toekomst. De hetere cellen worden in de praktijk al toegepast, onder andere voor decentrale nutsvoorziening. De heetste brandstofcel (SOFC) kan worden ingezet als aandrijving van een gasturbine. Dit geeft een zeer hoog elektrisch rendement. Gestookt kan worden op organische reststromen. De afgassen zijn zuiver en bruikbaar.

Redox flow

Een complementaire techniek is de redox flow batterij. Deze slaat elektrische energie uit bijvoorbeeld zon (vii) en wind op waardoor deze als zelfstandige en stabiele elektriciteitsbronnen kunnen gaan fungeren. In Ierland werkt men inmiddels aan de inzet van windmolens in combinatie met redox flow batterijen (viii). De techniek levert op termijn mogelijk ook een ‘portable’ energiebron voor volkomen emissieloze voertuigen.      

Windmolenpark (32 MW, J-Power, Sapporo, Japan) gecombineerd met redoxflowbatterijen (4MW 1,5 uur - 6 MW piek VRB) voor uitvlakking van fluctuaties in het aanbod van windenergie. Linksonder: redoxflowbatterijen (proefopstelling van Sumitomo Electric, 1,5 MW 1 uur - 3 MW 1,5 seconde). Rechts: elektrolyttanks. 

Decentrale opzet van elektriciteitsvoorziening

De technieken om de elektriciteitsvoorziening integraal te verduurzamen liggen binnen  handbereik. Op termijn van vijf tot tien jaar kunnen lokale duurzame bronnen (reststromen, zon, wind en water) een substantieel deel van de elektriciteitsvoorziening op zich nemen. De productie wordt dan decentraal van opzet. Warmte is beschikbaar daar waar het nodig is, de transportkosten zijn relatief gering en de integrale elektriciteitsvoorziening raakt ongevoelig voor terreur en geopolitiek.

Verandering van de energievoorziening

Het landschap van de energievoorziening kan zo drastisch veranderen. Fossiele afhankelijkheid wordt beëindigd en energie wordt vooral lokale business. Voor nieuwkomers zijn succesvolle investeringen in deze decentrale energievoorziening snel terugverdiend. Voor de gevestigde belangen zijn deze investeringen - zonder aanpassing van het businessmodel - minder interessant. Het ondergraaft de huidige winstpotenties. Realisatie van een duurzame decentrale elektriciteitsvoorziening vergt dan ook gedurfd ondernemerschap en bestuurlijke doortastendheid. Het zet ontwikkelingen in gang die bestaande machtsstructuren ondergraven, wat ongetwijfeld stuit op weerstand en ondermijnende strategieën.

Vergelijking van twee complementaire brandstofceltechnieken waarmee de elektriciteitsvoorziening ingrijpend kan worden verduurzaamd.