Van wind naar wiel: elektrisch of liever met waterstof? Dat is de vraag die TNO met HYGRO Technology gaat onderzoeken. Op dit moment zijn de kosten van de elektrische infrastructuur en de kenmerken van de elektriciteitsmarkt bepalend voor het ontwerp van windparken en daarmee de hoeveelheid wind die omgezet wordt naar bruikbare energie. De vraag is hoe het ontwerp van turbines en parken, en daarmee economisch winbare windenergie, verandert door over te stappen naar waterstof als primaire energiedrager tussen turbine en afname in de transportsector. Het onderzoek wordt ondersteund door het Topconsortium voor Kennis en Innovatie (TKI) Offshore Energy.

Het ontwerp van windparken en windturbines, en daarmee de kosten van de elektriciteit, worden sterk beïnvloed door de infrastructuurkosten. Het kabelnetwerk moet zwaar genoeg uitgelegd zijn om de piekproductie bij harde wind te transporteren. De hoeveelheid winbare energie neemt exponentieel toe bij bij hogere windsnelheden. Wanneer een windturbine dus wordt ontworpen om bij toenemende windsnelheid meer energie op te wekken, moet het kabelnet zwaarder worden aangelegd om die energie af te voeren. Maar een windturbine kan ook dusdanig ontworpen worden dat een windturbine reeds bij windkracht 5 haar maximale vermogen bereikt en dan zoveel mogelijk uur op die vaste piekproductie draait, waardoor het kabelnet niet zwaarder maar wel optimaal belast wordt. Nog meer energie produceren boven die windsnelheid kan wel, maar is minder rendabel door de hogere aanlegkosten van het kabelnet. Daarbij is de marktwaarde van die elektriciteit bij hoge windsnelheden juist erg laag door een optredend overschot aan productie op de markt, opgewekt door windenergie.

Bij een optimaal ontwerp van de windturbine om meer waterstof op te wekken bij hogere windsnelheid, wordt wel significant meer energie uit de wind gehaald. Transport van energie via waterstofleidingen is veel goedkoper en kan veel gemakkelijker de piekproductie aan. Ander zeer belangrijk voordeel daarnaast is, dat de energie in die leiding kan worden opgeslagen. De economie van winbare energie, door die slimme omzetting naar waterstof in de windturbine, zal daardoor sterk veranderen en daarmee het ontwerp van windpark en turbine. Eerste berekeningen doen vermoeden dat er mogelijk tot wel twee keer meer energieopbrengst kan worden gehaald uit de wind met het beschikbare zeeoppervlak waar Nederland turbines wil bouwen, tegen lagere kosten dan met elektriciteit.

Twee aparte ketens in samenhang bekeken

Voor het onderzoek wordt er van uit gegaan dat de waterstof gebruikt gaat worden voor vrachtwagens. Ook bij het laden van elektrisch aangedreven vrachtwagens, speelt de kostprijs van elektrische infrastructuur een grote rol en kan waterstof mogelijk kansen bieden. Daarbij wordt ook nog gekeken naar het verschil in efficiency tussen batterij elektrisch en waterstofelektrisch.

Jan Willem Langeraar, mede-oprichter van HYGRO geeft aan: “Er wordt vaak gediscussieerd over de vraag of het gebruik van waterstof als brandstof wel een goed idee is. Sommigen beweren dat elektrische voertuigen met batterijen drie keer efficiënter en daardoor goedkoper zijn, vanwege de nodige energieomzettingen. Maar vaak wordt over het hoofd gezien hoe waterstof de totale energieopbrengst beïnvloedt, evenals de kosten van de benodigde infrastructuur voor snel opladen in vergelijking met waterstoftankstations.

Waterstoftrucks zijn lichter omdat ze geen groot accupakket hoeven mee te nemen, wat resulteert in minder energie om goederen te vervoeren. Aan de andere kant zijn batterijen efficiënter dan brandstofcellen. De kosten van batterijen dalen snel door nieuwe ontwikkelingen en grootschalige productie, en hetzelfde gebeurt met brandstofcellen en waterstoftanks. Het is positief dat TNO een integrale blik werpt op beide systemen en waarschijnlijk nieuwe wetenschappelijk onderbouwde inzichten biedt voor de lopende discussie.”

TNO Wind Energie, ondersteund door HYGRO en de afdeling TNO voertuigtechniek, onderzoekt wat kosteneffectiever is: het transporteren van windenergie naar het land en leveren aan elektrische vrachtwagens, of de route via waterstof-infrastructuur. TNO gaat hierbij onderzoeken hoe de beide gecombineerde volledige ketens van energieopwekking en het gebruik in diverse modaliteiten van transport zich ten opzichte van elkaar verhouden.

Piet Warnaar, Senior Business Developer Wind Energy: “Het mooie aan deze studie is dat het teruggrijpt op de ontwerpbasis van windenergie, de specialiteit van TNO sinds de jaren 80. We verwachten dat deze studie nieuwe inzichten zal geven waardoor Nederland weer bij kan dragen aan innovatie in de windenergie.”

Verduurzaming van de transportbranche door het efficiënt opwekken en integreren van waterstof door windenergie in de windturbine lijkt zeer kansrijk. Hierbij zouden waterstof en elektrisch aangedreven voertuigen de huidige vrachtauto’s op fossiele brandstof kunnen gaan vervangen. Energiedragers spelen een belangrijke rol bij de voertuig-efficiency. Vooral binnen de transportsector, waar marges over het algemeen laag zijn (<2%), is het belangrijk te weten hoe de distributiebranche zich de komende jaren zal ontwikkelen op het gebied van kosten en performance van energiebronnen.

Focus op transportsector

Mobiliteit is op dit moment verantwoordelijk voor 19% van het totale energieverbruik. Circa 50% van het totale brandstofverbruik is toe te schrijven aan zwaar vrachtvervoer. Gegeven de kostenontwikkelingen binnen de transportsector, voorspellen diverse rapporten dat al in 2035 het overgrote deel van het vrachtvervoer zonder CO2-uitstoot mogelijk is.

TNO zal deze ketens nu onderzoeken en HYGRO Technology zal hierbij ondersteunen op gebied van aanleveren van data.