Technische mogelijkheden voor energieopslag

enexis-smartstorage

Onze energievoorziening gaat de komende decennia fors op de schop. Duurzame bronnen als wind en zon nemen het over van kolen en gas. Een grote bottleneck van duurzame energie is het fluctuerende aanbod, dat zelden gelijk loopt met de vraag. Opslag van energie is een oplossing, maar wel een lastige. Want hoe sla je stroom op voor een straat, een wijk of zelfs een hele stad?

Artikel uit Objective 21, mei 2014 - ook beschikbaar in pdf

Ons huidige energiesysteem werkt met grote energiecentrales die continu stroom produceren. Afhankelijk van de vraag kan de producent meer of minder stroom leveren. Dat is anders bij duurzame energie, waar het aanbod wordt gestuurd door klimatologische omstandigheden, niet door de vraag. Het mooie van duurzame energie is dat de bronnen gratis en onuitputtelijk zijn. De zon schijnt gratis en zonnepanelen worden steeds goedkoper. Maar 's avonds als de vraag naar stroom piekt, laat de zon het afweten. En zonder wind staan windturbines stil. Het is soms letterlijk alles of niks. Nu springen de grote energiecentrales nog bij als het aanbod uit zon en wind te gering is. Maar met de toename van gebruik van duurzame energie wordt dat steeds lastiger. Dus zijn er vormen van energieopslag nodig om duurzame energie tijdens dalmomenten op te vangen en die energie beschikbaar te stellen tijdens piekmomenten. Welke techniek het meest geschikt is, hangt af van de toepassing.

Meer dan alleen accu’s

Energie kun je op heel veel manieren opslaan. Nu nog schiet iedereen in de ‘accu-reflex’. “Sla het overschot maar op in de accu's van de elektrische auto's.” Maar wat als die op het werk staan of bij de winkel? Accu's spelen zeker een rol. Maar er zijn veel meer mogelijkheden voor energieopslag, elk met voor- en nadelen. Kleinschalige, lokale opslag kan bijvoorbeeld per huis in accu's of door omzetting in warmte of kou van het huis of de koel-vriesapparatuur. Accu's kunnen ook op grotere schaal worden ingezet, om een hele buurt van opslag te voorzien. Experimenten daarmee lopen nu al, zoals valt te lezen in het artikel in Objective 18 over Smart Storage dat elektriciteit opslaat voor een woonwijk. Een accupakket ter grootte van een transformatorhuisje kan ongeveer 200 woningen ruim 2 uur van elektriciteit voorzien. Als experiment is dit een goede schaal. Maar voordat zoiets als standaard opslag inzetbaar is, is er nog veel werk te doen. Zowel in de technische periferie als in het hart van de accu's.

Chemische en elektrische opslag

Een accu is een chemische vorm van opslag, waarbij elektriciteit via een elektrochemische reactie wordt opgeslagen. Daarbij gaat energie verloren, de accu wordt warm. Bovendien vraagt het reactietijd, zowel bij laden als ontladen. Dat is ook het geval bij de elektrische auto: je tankt niet in een minuut je accu vol. Omgekeerd kunnen accu's ook geen grote vermogens in korte tijd leveren, ze moeten beheerst worden ontladen. De chemische omzetting kost tijd. Snel opslaan en ontladen kan wel met condensatoren, de meest pure vorm van elektrische opslag. Hier wordt elektriciteit als lading opgeslagen, zonder chemische omzetting. Dat maakt ook zeer hoge piekbelastingen mogelijk. Het rendement is dus hoog doordat er geen omzetverlies optreedt. Echter, de interne lekweerstand is niet oneindig hoog, doordat de lading langzaamaan wegvloeit treedt hier een klein verlies op.  Condensatoren hebben de laatste jaren een enorme technologische vlucht gemaakt en zijn een factor honderd goedkoper geworden in 10 jaar. De huidige 'supercapacitors’ hebben het formaat van een koffiemok en slaan met een capaciteit van wel 5000 Farad dezelfde lading op als een AA-batterij. Dankzij de geringe interne weerstand kunnen condensatoren zeer snel laden en ontladen, zonder noemenswaardige warmteontwikkeling. Die eigenschap maakt ze bijzonder geschikt voor het leveren en opslaan van piekstromen.

Mechanische opslag

Piekstromen kun je ook opslaan en genereren met een vliegwiel-dynamo combinatie. Een techniek die onder andere wordt gebruikt in centrales voor peak shaving, het opvangen van fluctuaties in de netspanning. Een vliegwiel heeft een hoog rendement, tot wel 99%, maar de apparatuur is te fors en onderhoudsgevoelig voor grootschalige energieopslag. Waterkracht is een andere vorm van mechanische opslag die Nederland gebruikt. We sturen ons stroomoverschot via een dikke kabel naar Noorwegen waar het als waterkrachtenergie wordt opgeslagen. Een technologie die we in eigen land kunnen gebruiken is persluchtopslag. Zoals je een ballon opblaast en laat leeglopen, kun je ook een ondergrondse holte volpompen met perslucht. Denk aan een oude mijn of een bestaande geologische structuur. Bij grote stroomvraag drijft de perslucht turbines aan. Een persluchtinstallatie is vrij prijzig, maar dan heb je ook wat: ze kunnen uren tot wel dagen energie leveren, met een piekvermogen van enkele honderden megawatts.

Thermische opslag

Energieopslag in de vorm van kou of warmte kent vele varianten. Nu al worden grote koel- en vriespakhuizen gebruikt als buffer. Bij een overschot aan elektriciteit wordt extra gekoeld en bij een tekort mag de temperatuur weer wat oplopen. Een echte energieopslag, bedoeld om de kou of warmte later weer terug naar elektriciteit om te zetten, is niet te prefereren. Er gaat te veel energie verloren bij de omzetting naar warmte en weer terug naar elektriciteit. Onze traditionele stroomproductie loopt via een thermische tussenstap, waarbij stoom een turbine aandrijft. Het rendement van deze productie is maar zo'n 50-60%. Toch wordt er wel met warmteopslag gewerkt. In Spanje staat een installatie die zonne-energie opslaat in gesmolten zout. Op momenten dat de zon niet schijnt wordt de warmte omgezet in elektriciteit. De centrale heeft een vermogen van 20 MW en kan dat 15 uur volhouden zonder zon. De centrale kan 75% van het jaar stroom leveren.

Omzetting van energie in brandstof

Een laag rendement van een opslagtechniek hoeft geen belemmering te zijn. Als je gratis energie in overvloed hebt, wil je best wat verliezen accepteren bij energieopslag. Zeker als dat je probleem met continuïteit oplost, zoals in de Spaanse zonnecentrale. Die gedachtegang gaat ook op voor de omzetting naar (vloeibare) brandstof, een praktisch medium dat we al eeuwen kennen als energieopslag. Als je dat toch eens voor elkaar kan krijgen. Gratis brandstof uit zon en wind. De alchemie van de 21e eeuw.

Brandstof uit lucht of mest

Toch is deze omzetting al zo oud als het leven op onze planeet. Immers, planten zetten zonne-energie om in brandstof, waarbij ze CO2 uit de lucht opnemen en zuurstof afgeven. Al onze huidige fossiele brandstoffen zijn langs deze weg ontstaan. Het zou dus een mooie manier zijn om deze processen nu te gebruiken om overtollige energie op te slaan als brandstof. In het ideale geval maak je brandstof uit energie die je over hebt en CO2 uit de lucht. Technisch is dat mogelijk, en het gebeurt al in laboratoria. Maar dit is wel toekomstmuziek. Je hoeft echter niet te beginnen met lucht. Mest en ander biologisch afval zijn ook prima uitgangsmateriaal om vloeibare brandstof te maken. Mest dient nu al als grondstof voor vergistingsinstallaties die er methaan van maken. Met een aantal extra biochemische stappen kun je er vloeibare brandstof van maken.

Brandstof is compact

Het grote voordeel van vloeibare brandstof is dat het aansluit op de bestaande situatie: je kunt het makkelijk opslaan, transporteren en distribueren via de bestaande kanalen. Je hoeft er geen nieuwe netwerken voor aan te leggen of motoren voor te ontwikkelen. Bovendien is brandstof de meest compacte manier om energie op te slaan. Geen ander opslagmedium bevat meer energie (kWh) per liter.
Houd het lokaal

Opslag helpt om stroom lokaal te houden. Het is een hulpmiddel om zoveel mogelijk zelf opgewekte energie ook zelf te gebruiken. Dat is immers het meest efficiënt. Zo vermijd je ook nog energiebelasting. Die betaal je over energie die je inkoopt, maar ontvang je vooralsnog niet bij verkoop van je overschot. Bovendien is het netwerk gebaat bij het lokaal houden van stroom: dat voorkomt overbelasting van het netwerk en transport over grote afstanden. Lokale opslag is geen oplossing als je structureel meer produceert dan je zelf nodig hebt. Dan kun je het overschot beter direct aan de buren verkopen. Een belangrijke vraag is dan wie vraag en aanbod bij elkaar brengt, in welke vorm en met welke infrastructuur.

Business case

Naast het rendement zijn prijs en technische haalbaarheid belangrijk om een opslagmethode te beoordelen. Veel technologieën voor opslag en omzetting zijn nog erg duur. Accu's worden steeds beter en goedkoper. Maar om een woonwijk te bedienen, moet een opslagsysteem megawatts aan vermogen leveren. Dan heb je nog steeds heel veel accu's en dus heel veel geld nodig. Het onderzoek naar energieopslag gaat door, waarbij de aandacht vooral uitgaat naar materiaalkunde en chemie. Grafeen staat bijvoorbeeld volop in de aandacht als materiaal om accu's een serieuze boost te geven.

Stroom lokaal houden en opslaan voor dalmomenten vraagt ook om meet- en regeltechniek. Er moet bekend zijn wanneer stroom moet worden opgeslagen en wanneer de reserves moeten worden aangesproken. Daar zijn nog stappen te zetten, zoals het netwerk uitrusten met meet- en regeltechniek die nodig is voor een goed gebruik van opslag geïntegreerd in het net.

Technolution werkt nu al mee aan de technologie die daar straks bij komt kijken: meet- en regeltechniek om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen, communicatie, verrekenmodellen en betaalsystemen. Waar moet de stroom vandaan komen en waar moet het naartoe? Wie moet wie betalen, hoe en hoeveel? Dat is allemaal te automatiseren.

Energieopslag is essentieel

Het energienetwerk kan pas echt smart worden als we energie kunnen opslaan en regelen. Dat vraagt om technische aanpassingen in infrastructuur, maar ook veranderingen in politiek en regelgeving. Er lopen al veel experimenten met opslag van energie, maar het opschalen naar het grote geheel is nog een hele grote stap. De transitie naar een duurzame energievoorziening is onontkoombaar. We kunnen niet doorgaan op de huidige weg, met fossiele brandstoffen die eindig zijn en het milieu vervuilen. Daar moeten we nu mee aan de slag en energieopslag is daarin een essentieel aspect.

Contact:

wilbert-prinssen

Gerelateerde items

'Smart storage' van duurzame energie

Lees meer

Project

Pilot slim energiegebruik uitgebreid met opslag

Lees meer

Nieuws

Cloudia: altijd en overal inzicht in jouw energiedata

Lees meer

Bouwblok