Waterstofcentrale in Waterstofwijk Hoogeveen

Een nieuwbouwwijk in Hoogeveen krijgt de eerste waterstofcentrale die de wijk van energie gaat voorzien. Alfa- en Terra Studenten gaan zich daarover buigen om in juni een geweldig ontwerp te kunnen presenteren aan gemeente en bedrijven. Maar waterstof, waar hebben we het dan over?

Waterstof is het meest voorkomend element in het universum, de brandstof van de zon en het ‘nieuwe aardgas’. Zo wordt ons vaak voorgehouden. Hoewel waterstof overal om ons heen aanwezig is, kost het energie om waterstof in pure vorm ter beschikking te krijgen. Dit afgeleide karakter nuanceert de rol van waterstof in het energie- en warmte systeem en vraagt om een andere manier van denken over waterstof in de bebouwde omgeving ten opzichte van aardgas.

Nedstack heeft met dit perspectief in gedachten het Energie-erf ontwikkeld; een concept voor waterstof als ‘aardgasvrije oplossing’ op wijkniveau. Een concept waarbij alle krachten van waterstof worden benut in balans met andere duurzame energieoplossingen.

Waterstofwijk

In het concept van Nedstack wordt op wijkniveau een waterstofcentrale gerealiseerd. Hierin wordt waterstof geproduceerd middels elektrolyse. De waterstof wordt in de wijk opgeslagen. Op deze wijze kan (niet net-inpasbare) duurzaam opgewekte elektriciteit worden gebufferd in de vorm van waterstof. Elektrolyzers hebben een efficiency van circa 60% op de onderste verbrandingswaarde van waterstof. De rest van de energie is restwarmte.

Aangezien de elektrolyzer met name draait op momenten van lage energievraag vanuit de wijk, kan de restwarmte niet direct volledig worden ingezet voor voeding in een warmtenet. Zodoende is er gekozen om met een thermisch buffer te werken. De restwarmte uit de elektrolyzer kan op die wijze worden opgeslagen in water. De warmte uit de buffer kan vervolgens gebruikt worden op momenten van hoge warmtevraag. Op deze wijze wordt het rendement van de elektrolyzer verhoogd van 60% naar 90%. De overige 10% betreft intern warmteverbruik en stralingswarmte naar de omgeving. Tijdens het produceren en opslaan van waterstof wordt op deze wijze tevens warmte geproduceerd en opgeslagen.

Brandstofcel

Op momenten van hoge vraag vanuit de wijk, wordt de brandstofcel ingezet voor warmte- en elektriciteitslevering.

De brandstofcel gebruikt de waterstof uit de buffer en haalt de nodige zuurstof uit de omgevingslucht. Een brandstofcelsysteem van Nedstack heeft een elektrisch rendement van 50% en een thermisch rendement van 35%. De rest van de energie betreft intern warmteverbruik van het systeem en stralingswarmte naar de omgeving. De interne warmte is onder andere benodigd voor de bevochtiging ter voorkoming van schade aan de membranen. Op momenten van hoge vraag vanuit de wijk levert de brandstofcel zowel elektriciteit als warmte aan de huizen en gebouwen.

Warmtebuffer

De restwarmte afkomstig uit de elektrolyzer wordt opgeslagen in een thermisch buffer. Dit kan een bovengronds geïsoleerd vat zijn maar kan ook ondergronds gerealiseerd worden. Aangezien de restwarmte uit de elektrolyzer ‘gratis’ warmte betreft, wordt deze restwarmte als eerste aangewend bij hoge warmtevraag alvorens de brandstofcel warmte gaat leveren. Tijdens pieksituaties kunnen zowel de buffer als de brandstofcel, eventueel aangevuld met een piekvoorziening, gelijktijdig worden ingezet om het benodigde piekvermogen te leveren.

Piekvoorziening

De volledige warmtevraag dekken middels de brandstofcel en de buffer leidt tot een zeer groot en overgedimensioneerd brandstofcelsysteem. Zodoende dient het systeem gecombineerd te worden met een piekvoorziening voor warmtelevering. Hierin zijn verschillende opties denkbaar zoals een gasgestookte piekketel (waterstof of aardgas), een hoge temperatuur warmtepomp of een elektrisch verwarmingselement. In geval van een hoge temperatuur warmtepomp of een elektrisch verwarmingselement kan de benodigde elektriciteit worden geleverd door de brandstofcel.

Warmtenet

In het concept van de waterstofwijk blijft waterstof op een afgesloten terrein. Vanaf de wijk worden alleen warmte en elektriciteit naar buiten gebracht. Aanvoertemperaturen tot 70 graden Celsius zijn hierbij mogelijk. Daarmee is het concept zowel voor nieuwbouw als bestaande bouw toe te passen met een minimale impact op woningniveau. Voor een warmtenet voor nieuwbouwwoningen kan gedacht worden aan temperaturen van 35 – 40˚C met als grote voordeel het beperken van distributieverliezen. De impact in de woning kan beperkt worden tot een warmte-afleverset.

Waterstofcentrale kansen

De Waterstofwijk is niet alleen aardgasvrij, maar ook 0-emissie. De enige uitstoot is water. Daarbij kan de wijk ondersteuning bieden aan het elektriciteitsnet waardoor netverzwaring kan worden beperkt. Tevens kan de wijk de ontwikkeling van grote zon- en windmolenparken bevorderen doordat de transportcapaciteit op het net niet wordt belast. Meerdere waterstofwijken kunnen daarnaast virtueel geschakeld worden waarmee ze een grote energiecentrale vormen die vraag en aanbod van duurzame energie op elkaar afstemmen. Er zijn ontwikkelingen voor micro-WKK’s op woning- en gebouwniveau waarbij elektrolyse, waterstofopslag en brandstofcellen in één unit zijn geïntegreerd.

Voorbeelden van individuele micro-WKK

Lees ook

• Energie Kennis Update | Waterstof – het ei van Columbus?
• Masterclass H2Point | Tanken met groene waterstof
• Hoogeveen krijgt wijk met een eigen waterstofcentrale
• Proef woningen verwarmen met 100% waterstof

SMARTCirculair Toolkit

• Biobased Bouwmaterialen
• Circulaire Bouwmaterialen
• Natuurinclusief en Klimaatadaptief Bouwen
• Smart Energie Opwekken, Opslaan en Gebruiken
• eLearning Living Lab