Haalbaarheidstudie Power–to–Power / Power-to-X installatie afgerond

Dekra, HAN, MTSA, Alliander en Kiemt hebben, met steun van de Provincie Gelderland, de Gemeente Arnhem en het Arnhemse Ondernemersfonds, hun haalbaarheidsstudie naar een groene waterstof Power–to–Power / Power-to-X installatie afgerond.

Wat was het doel van het onderzoek?

Het gemeenschappelijk doel van een Power–to–Power / Power-to-X installatie is om de netcongestie als gevolg van overcapaciteit te verminderen. Daarbij had iedere partij een eigen werkpakket, maar was daarnaast ook bij ieder ander onderdeel betrokken. Leo Polak, onderzoeker van de HAN zegt hierover: ”De HAN heeft onderzocht wat de (marginale) kostprijs van waterstof is (extra kosten ten gevolge van de inzet van P2P/P2X) en wat de opgeslagen elektriciteit per kWh kost. Dekra heeft onderzocht welke veiligheidsnormen en vergunningen er nodig zijn om een P2P-installatie neer te zetten. MTSA heeft het onderzoek met name gebruikt voor het onderzoeken van de ROI en Alliander richtte zich op de potentie van het concept in netcongestiegebieden”

Wat is Power–to–Power / Power-to-X installatie?

Het doel is om met behulp van een Power–to–Power / Power-to-X installatie, die decentraal ingezet kan worden op wind- en zonneparken, fluctuaties in energieaanbod af te stemmen op de vraag.

Paul Peters van MTSA Technopower B.V. zegt hierover: “Er ontstaat een groot probleem met netcongestie in Nederland. We wekken steeds meer duurzame energie op. Dat is een goed uitgangspunt, maar heeft ook zo z’n uitdagingen. Want er is een teveel aan energie als er veel wind en zon is. En tegelijkertijd een tekort aan energie bij te weinig wind en zon. Om deze fluctuatie te kunnen opvangen, moet je dus energie kunnen bufferen. Waterstof zal hier een grote rol in kunnen spelen. De P2P/P2X-installatie kan hiervoor de oplossing zijn”

Hoe gaat dit in z’n werk? De P2P/P2X-installatie zet zonne-energie en windenergie om in waterstof. Hiermee wordt dus groene waterstof gecreëerd. Deze omzetting naar waterstof vindt plaats als elektriciteit voldoende aanwezig is op de markt, waardoor de elektriciteit uit wind en zon niet veel opbrengt op de markt. Het omzetten wordt uitgevoerd met een elektrolyser. In dit project is uitgegaan van een  systeem van  4 MW input . Wanneer elektriciteit daarentegen  te weinig aanwezig is op de markt, zet de installatie waterstof om in elektriciteit. Uit energetische analyse blijkt dat een 0,75 MW brandstofcel min of meer optimaal is bij de 4 MW elektrolyser.

De omzetting van elektriciteit naar waterstof en andersom op basis van de marktbehoefte heet power-to-power (P2P). Als de waterstof direct gebruikt wordt voor doeleinden in bijvoorbeeld de mobiliteit of industrie dan heet het power-to-X (P2X).

P2P/P2X verkleint de disbalans tussen vraag en aanbod van energie

In de kern creëert een P2P/P2X-unit de mogelijkheid om de disbalans tussen vraag en aanbod van energie in het elektriciteitsnet te verkleinen en vergroot ze daarmee de flexibiliteit in het omgaan met de pieken en dalen in vraag en aanbod van elektriciteit. Deze disbalans kan maar voor een deel ook worden verminderd door het ‘verzwaren’ van het elektriciteitsnetwerk. Bovendien  kan het lang duren om dit te realiseren door het grote werkpakket van de netbeheerders. Met de P2P/P2X-unit ontstaat er een alternatief voor netverzwaring, welke afhankelijk van de situatie een betere optie is.

Hoe wordt de flexibiliteit verkregen?

Het principe werkt als volgt: Door het teveel aan energie om te zetten in waterstof, deze waterstof op te slaan als buffer en vervolgens wanneer nodig hetzij te verbranden als gas hetzij terug om te zetten in elektriciteit wordt deze flexibiliteit door de P2P/P2X-unit gecreëerd.

De kracht van de P2P/P2X-unit is dat deze rechtstreeks gekoppeld kan worden aan een zonnepark en/of windpark waarbij het teveel wordt omgezet in waterstof. Of het wordt gekoppeld aan het lokale net, waaraan mogelijk meerdere zonneparken, windmolens en ook veel particuliere zonnepanelen gekoppeld zijn. Door deze meervoudige koppelingsmogelijkheid worden pieken van wind en zon uitgemiddeld waardoor de P2P/P2X-unit minder start/stop-situaties zal ondervinden en er een langere bedrijfstijd mogelijk is.

Gebruik, opslag en bewerking van waterstof

Het waterstof afkomstig van de elektrolyser is erg zuiver en kan daarom goed gebruikt worden voor

brandstofcellen en (met enige nabehandeling) mobiele toepassingen. Om die reden heeft het een hoge economische waarde. Deze waarde wordt echter verkleind door de waterstof te mengen met aardgas en of te gebruiken voor industriële toepassingen waar (meestal) de zuiverheid een kleinere rol speelt.

De waterstof is goed te gebruiken als buffer, maar moet dan in veel gevallen gecomprimeerd worden en onder hoge druk worden opgeslagen (bijvoorbeeld bij gebruik bij een waterstoftankstation).

Deze bewerking is echter duur en moet zo veel mogelijk worden vermeden. Dit kan door levering aan  een waterstofpijplijn. Zodra het mogelijk is om gebruik te maken van een waterstofnet, is (plaatselijke) hogedruk-opslag niet meer nodig evenmin als extra zuiveringsstappen in de elektrolysefabriek. Afhankelijk van de kwaliteit van dit waterstof moet het bewerkt worden (CO- en zwavelvrij gemaakt worden) om het weer geschikt te maken voor brandstofcelgebruik, of nog verder gezuiverd worden voor gebruik in de mobiliteit.

Wat kan de P2P/P2X-unit interessanter maken qua businesscase?

In de P2P/P2X-unit bevinden zich 2 waterkringlopen waarvan de zuiver water kringloop op 60°C moet worden gehouden. Warmte afkomstig van de elektrolyser en/of brandstofcel moet weggekoeld worden. In de P2P-unit wordt dit via de tweede waterkringloop gekoeld via de lucht. Wat op haar beurt zorgt voor energieverlies. Het zou mooi zijn als, in plaats van verloren te gaan, deze warmte (50-60°C) binnen een ander proces kan worden gebruikt. waardoor de businesscase wat interessanter wordt. Ook door lagedruktoepassingen van zuurstof en gebruik van de zuiver-waterinstallatie voor andere doelen op momenten dat het niet door de elektrolyser gebruikt wordt, kan de P2P/P2X-unit interessanter worden. Dit is bijvoorbeeld het geval in perioden waarin de brandstofcel gebruikt wordt of, als de elektrolyser alleen gekoppeld is aan zonnepanelen, in perioden waarin er niet genoeg licht is. Het kan ook een tijdsblok zijn waarin de elektriciteitskosten te hoog zijn om het rendabel te maken de elektrolyser aan te zetten. De zuiver-waterproductie kan dan ingezet worden voor  andere toepassingen.

Waarneembare trends

“Er zijn duidelijke trends die ten goede komen aan de kosten en baten van P2P- en P2X-systemen. Zo is de verwachting dat elektriciteit steeds duurder wordt, de waterstofmarkt sterk zal groeien, er steeds hogere CO2-heffingen ingevoerd zullen worden en de kosten van de componenten zullen dalen”, aldus Bas ter Horst, student HAN.

Desondanks zijn de kosten hoog en de baten beperkt, en is energie nog relatief goedkoop ten opzichte van de kosten van opslagsystemen. Subsidies voor de ontwikkeling en uitrol blijven daarom noodzakelijk. Het gasnet, waar in principe waterstof in kan worden bijgemengd en dat in principe geschikt gemaakt kan worden voor pure waterstof, en opslag in zoutcavernes zouden ook een cruciale rol kunnen spelen om P2X rendabel te maken.

De P2X -unit lijkt nu al kosteneffectief in te zetten

Op dit moment is een P2P-unit nog niet kosteneffectief in te zetten. Een P2X-unit in bepaalde gevallen wel.

Voor een goede marktontwikkeling van de P2P/P2X-units is in elk geval het volgende nodig:

• prijsverlaging van de stacks van elektrolyser en brandstofcel.
• nabijheid van een waterstofpijpleiding.
• het toelaten van waterstof in het aardgasnet
• meer mobiele waterstofverbruikers.
• hogere kosten grijze waterstof.
• toename van congestieproblemen *.
• een (markt) partij die een P2P/P2X-unit gaat aanschaffen voor de vele marktmogelijkheden die een P2P/P2X-unit biedt.
• een manier om vermeden netwerkkosten van de netbeheerder te verrekenen met de P2P/P2X-eigenaar.

* En bijkomstige hogere elektriciteitsprijzen tijdens piekmomenten en lagere of zelfs negatieve elektriciteitsprijzen tijdens dalmomenten.

Conclusie van het haalbaarheidsonderzoek

De conclusies van het haalbaarheidsonderzoek zijn:

1. De business case van de P2P is (op dit moment) alleen positief te maken met subsidies en verrekening van de kosten voor het verzwaren van het elektriciteitsnet. Dit is niet in het onderzoek meegenomen.
2. Voor de elektriciteitleverende bedrijven kan de P2P/P2X-unit nodig zijn om hun leveringsverplichtingen uit te voeren. In het algemeen is het mogelijk dat een P2P/P2X-unit ook sneller en makkelijker te realiseren is dan verzwaring van het net. Maar in het begin, in de introductieperiode, zal subsidie nodig zijn om de eerste P2P/P2X-units gedeeltelijk te bekostigen.
3. Een P2X-installatie  geeft bij het gebruik van een waterstofpijplijn al een positieve businesscase (en in de toekomst ook met compressie) . Ook deze installaties zijn te gebruiken in congestiegebieden waarbij er alleen een overschot aan energie is.
4. De algemene conclusie is dat de P2P/P2X-unit mogelijkheden biedt om flexibiliteit te leveren aan.
5. congestiegebieden in het elektriciteitsnet. Met een koppeling met een waterstofpijplijn (en zonder brandstofcel) geeft dit nu al een positieve businesscase; voor scenario’s met waterstoflevering onder hoge druk en met brandstofcel moeten de kosten van netverzwaring worden afgezet tegen de kosten van een P2P/P2X-unit.

Algemene aanbevelingen

Vanuit de HAN worden de volgende algemene aanbevelingen gedaan met betrekking tot beleid en financiële stimulatie van de noodzakelijke ontwikkeling van energieopslagsystemen en ondersteuning van het elektriciteitsnet:

• Reguleer het bijmengen van waterstof in het gasnet, dit is laaghangend fruit met potentieel grote positieve gevolgen voor de ontwikkeling van energieopslagsystemen. De reden hiervoor is dat dit de hoge kosten voor compressie, opslag en transport in P2X elimineert. Daarnaast is er ook nog de mogelijkheid om de zuiverheidseisen te verlagen, waardoor er nog extra kosten bespaard kunnen worden op de waterstofnabehandeling.
• Elektrische energie uit opslag kost aanzienlijk meer dan direct uit hernieuwbare bron en zorgt niet altijd direct voor meer benutting van hernieuwbare energie of CO2-reductie. Subsidieaanvragen zouden daarom niet hierop beoordeeld moeten worden, maar op kosten per geleverde kWh uit opslag of per kg waterstof.
• Investeer eerst in P2X-systemen (met verschillende typen elektrolysers) nabij zonneparken en windturbines. Dit levert de meest gunstige scenario’s;  de technieken kunnen zich ontwikkelen en het werkveld kan de broodnodige ervaring opdoen.
• Investeer in verschillende typen in P2P-systemen, niet alleen die op basis van waterstof. Voor het behalen van de klimaatdoelen is opslag van elektriciteit op verschillende tijdschalen en voor verschillende toepassingen noodzakelijk, waterstof is hiervoor niet perse altijd de beste oplossing.