5 reacties
Geplaatst door: L.vandenboogaard do 1 okt

De mogelijkheden tot opslag van energie

Als samenleving gaan we steeds meer toe naar een duurzame energievoorziening. Bij sommige hernieuwbare energiebronnen ontstaat echter een probleem dat bij traditionele fossiele brandstoffen niet voorkomt. Zonne-energie, windenergie en in mindere mate waterkracht (afhankelijk van de bron) zijn namelijk niet op ieder moment van de dag evenredig beschikbaar. Dat probleem wordt versterkt doordat de vraag naar energie ook niet gelijk is verdeeld over de dag. Er zijn bepaalde piekmomenten waarop meer energie wordt gebruikt, evenals dalmomenten waarop minder energie benodigd is. Indien deze fases niet gelijk lopen, is er sprake van over- of ondercapaciteit. Er is dus een grote behoefte aan een vorm van energieopslag, waarbij de overcapaciteit benut kan worden voor piekmomenten. In Duitsland worden op dit moment windmolens stilgelegd en wordt groene stroom ‘gedumpt’ omdat er sprake is van overcapaciteit. In 2014 werd door het National Solar Trendrapport al gesteld dat de zonne-energie sector in 2020 meer zal omzetten met opslagsystemen dan met zonnenpanelen. Verwacht wordt echter dat we dagelijkse energieopslag pas nodig zullen gaan hebben als 60% van de wereldproductie uit hernieuwbare energiebronnen afkomstig is. Na een verkenning van de ‘gebruikelijke’ vormen van energieopslag zal in dit stuk ook worden gekeken naar nieuwe, innovatie manieren van energieopslag in binnen- en buitenland.

 

Hydro-energie

Op dit moment zijn er vijf veelgebruikte manieren van energieopslag. De meest voorkomende vorm van opslag is Hydro-energie. Door middel van (groen) opgewekte energie wordt water in een spaarbekken gepompt. Wanneer de reguliere energieproductie onvoldoende is kan er een sluis worden opengezet waardoor water naar beneden stroomt langs alternatoren, die kinetische energie omzetten in elektrische energie. In het buitenland zijn er legio voorbeelden van bekende waterkrachtcentrales. Er kleven echter wel gevolgen voor het milieu aan het gebruik van waterkrachtcentrales in bestaande stromingen. Ecologisch kunnen deze projecten een ware ramp zijn. Door het vlakke landschap komt deze methode in Nederland niet vaak voor. Er is echter wel een plan (O-Pac) om in Limburg een ondergrondse pompcentrale te realiseren. Het project zou 1.400MW elektriciteit kunnen leveren op ieder willekeurig moment, voldoende voor 1.4 miljoen huishoudens. Door niet te interfereren met bestaande waterlopen lijkt deze manier van opslag (en andere ‘laboratoriumopstellingen’) minder milieuonvriendelijk. In 2013 presenteerde Energy Valley een plan om een energiebassin in de Noordzee aan te leggen, welk leeggepompt wordt met behulp van windenergie en ten tijde van stroomtekort(en) kan het bassin gevuld worden door zeewater via generatoren terug te laten stromen.

 

CAES

Een tweede, veel minder vaak gebruikte manier om energie te bewaren is Compressed Air Energy Storage (CAES). Qua werkwijze, output en opslagmogelijkheden is deze methode erg verwant aan opslag door middel van Hydro-energie. Echter wordt er hier in tijden van overproductie lucht samengeperst in ondergrondse ruimtes. Wanneer elektriciteit nodig is wordt de lucht verwarmd en zet deze uit in een turbine die een generator aandraait. De opslag van samengeperste lucht kan plaatsvinden in zoutspelonken en de mogelijkheid wordt onderzocht om het gas ook in uitgeputte gasvelden op te slaan. Bij het samenpersen van de lucht komt echter hitte vrij. In traditionele CAES installaties wordt deze warmte niet hergebruikt en moet additionele warmte worden toegevoegd om het gas uit te laten zetten. In de speciale AA-CAES (Advanced Adiabatic) variant wordt de vrijgekomen warmte gebruikt tijdens het uitzetproces. Bij traditionele CAES installaties wordt ongeveer 40% van de aangeleverde energie wordt omgezet in elektriciteit, bij de AA variant loopt dit op tot 55% en men is bezig om dit naar 70% te verhogen. Van deze laatste variant zijn nog geen werkende centrales gebouwd. Het Duitse RWE Power heeft echter plannen om een centrale te bouwen die zo’n 1.000MW per dag kan genereren.

 

Accu’s

Energie kan ook worden opgeslagen in accu’s. Momenteel worden er veelal natrium-zwavel accu’s gebruikt. Deze vaak grote installaties hebben een hoge energiedichtheid, waardoor er veel energie per volume-eenheid kan worden opgeslagen. Het nadeel is wel dat ze brandgevaarlijk zijn en op 300 °C moeten worden gehouden, omdat de accu anders beschadigd raakt. Een alternatief, bijvoorbeeld voor de consumentenmarkt, is de lithium-ion accu. Deze heeft echter te maken met een capaciteitsverlies, zelfs wanneer deze niet wordt gebruikt. Natrium-zwavel accu’s hebben niet te maken met een verminderende levensduur door laden en ontladen. Het voordeel van accu’s is dat deze lokale vorm van energieopslag erg efficiënt is.

Flywheels

Ook voor huishoudens zijn er energieopslagmogelijkheden. Energie die wordt opgewekt door wind- of zonne-energie kan worden ‘opgeslagen’ in een ‘vliegwiel’. Elektrische energie drijft een motor aan welke een ronddraaiende schijf in beweging zet. Op deze manier wordt gebruik gemaakt van mechanische traagheid om energie als het ware op te slaan. Door dit vliegwiel in een (zo goed als) vacuüm te plaatsen wordt energieverlies geminimaliseerd. Wanneer energie benodigd is zorgt het momentum van het draaiende vliegwiel een generator voor het terugvloeien van de opgeslagen energie naar het huishouden. Een gemiddeld huishouden in Nederland verbruikte in 2013 zo’n 9kWh per dag. Met behulp van een vliegwiel kan (op dit moment) zo’n 15 kWh worden opgeslagen, met een efficiëntie van ≥80%. Op dit moment wekken de meeste huishoudens nog niet voldoende energie op om dit een rendabele vorm van duurzame energieopwekking te noemen. Het is echter een goed teken dat de energieproductie nog moet stijgen terwijl de mogelijkheid tot opslag al wel aanwezig is.

 

Power2Gas

Het Power2Gas concept wordt in Nederland door Stedin uitgevoerd. Hierbij wordt elektriciteit in aardgas omgezet. De gedachte hierachter is dat elektrische overschotten worden omgezet in gas om zo de noodzaak tot (op dit moment dure) opslag van elektriciteit te verminderen en de Nederlandse gasvoorraad aan te vullen. Elektriciteit wordt door middel van elektrolyse omgezet in waterstof en zuurstof. De waterstof wordt toegevoegd aan fossiel aardgas, waarbij de geleverde kwaliteit van het aardgas niet vermindert. Dit kan echter maar tot een bepaald percentage, waarna is besloten om synthetisch aardgas te maken uit elektriciteit. Deze vorm van synthetisch aardgas is op dit moment nog vele malen duurder dan het normale aardgas. Schaalvergroting lijkt dus noodzakelijk om het rendabel te maken. Synthetisch aardgas zou als hernieuwbare energiebron kunnen worden gezien. Bovendien is de CO2 uitstoot van aardgas lager dan bijvoorbeeld bij de verbranding van biomassa.

 

(Kleinschalige) innovatieve manieren van energieopslag

Bij elektrolyse komt als eerder uitgelegd onder ander waterstof vrij. In het Power2Gas concept wordt deze waterstof gebruikt om energie mee op te wekken. Echter kan waterstof ook gebruikt worden om energie in op te slaan.

De Europese Comissie heeft een onderzoek laten uitvoeren naar de mogelijkheden en gevaren van de opslag van energie in ondergrondse waterstofreservoirs (HYUNDER). In 2013 kwam uit dit rapport naar voren dat zo’n 85 extra opslagruimten benodigd zijn om wind- en zonne-energie op te slaan omdat de Hydro-opslag en CAES niet voldoende zijn. Net als bij het CAES systeem zouden zoutspelonken en uitgeputte gasvelden alsmede aquifer (watervoerende lagen in de ondergrond) in aanmerking komen voor deze vorm van opslag. Het ETI (Energy Technologies Institute) is tot de conclusie gekomen dat het Verenigd Koninkrijk genoeg zoutvelden heeft om tientallen GW op te slaan via deze methode. Uit het HYUNDER rapport is bovendien naar voren gekomen dat verder met name Nederland en Duitsland goede geologische omstandigheden kennen voor waterstofopslag.

Het voordeel van waterstofopslag is dat deze vorm van energieopslag tweeledig is. Enerzijds kan er worden gekozen voor de traditionele vorm van opslag waarin het waterstofgas indien benodigd geëlektrificeerd worden en zo in de energie kan voorzien. Daarnaast kan het waterstofgas ook direct worden gebruikt in bijvoorbeeld auto’s, als verwarmingsbrandstof in de industrie en toegevoegd worden aan het reguliere gasnetwerk, als beschreven bij het Power2Gas concept.

 

Hydraulische water opslag

Dit idee is afkomstig van Prof. Dr. Eduard Heindl en rekent af met de geringe bruikbaarheid van hydrolische opslag die ontstaat door hoogtegebrek. Het idee achter dit principe is simpel. Een groot rotsblok wordt opgetild en zo wordt kinetische energie opgeslagen. Wanneer deze energie nodig is kan het rotsblok neergelaten worden en de vrijgekomen energie omgezet worden in elektrische energie. Het in beweging brengen van de rotspartij kan door middel van hydrauliek. Een cilindrische rotspartij (met een voorkeur voor graniet) wordt “uitgezaagd” en door water onder deze cilinder te pompen kan het rotsblok worden opgetild. Het granieten blok dient als ‘zuiger’, waarin de potentiële energie wordt opgeslagen. Het terugwinprincipe is hetzelfde als bij een conventionele Hydro-opslag. Het onder druk staande water wordt door een turbine geleid die in verbinding staat met een generator, welke elektrische energie opwekt.

Het grote voordeel ten opzichte van deze aanpak ligt in het feit dat er gigantische hoeveelheden energie kunnen worden opgeslagen, tegen relatief lage investeringskosten in vergelijking met conventionele installaties. Dit voordeel wordt vergroot wanneer de radius (r) van de cillinder wordt vergroot. De capaciteit groeit met r4 terwijl de kosten slechts met r2 stijgen. Dit betekent dat iedere andere vorm van energieopslag duurder is, als de straal van de cilinder maar groot genoeg is. In het rekenvoorbeeld levert een radius van 150m 13GWh opslagcapaciteit op, bij een radius van 500m is dit 1614GWh. Dit is evenveel als de dagelijkse energieproductie van Duitsland. Een analyse laat zien dat een mix van zonne- en windenergie ongeveer een tweedaagse productiehoeveelheid aan opslagcapaciteit vereisen. Bij het gebruik van dit principe zou minder dan 2km2 voldoende ruimte zijn om alle benodigde energie voor Duitsland op te slaan. Wanneer men dit zou willen bereiken met Hydro-opslag is ongeveer 100 km2 nodig. De uiteindelijke kosten worden op 0.50€/KWh geschat, waar deze bij Hydro-opslag ongeveer 50€/KWh zijn.

 

Zout

De opslag van energie in gesmolten zout kan met name worden toegepast rondom thermische zonne-energiecentrales. Bij deze centrales reflecteren en concentreren duizenden bewegende spiegels het zonlicht op een centraal punt om zo warmte te genereren. Met behulp van deze warmte wordt elektriciteit opgewekt. Het centrale punt bevindt zich op een 170 meter hoge toren. In deze ‘ontvanger’ bevindt zich een vloeistof, die de warmte van het geconcentreerde zonlicht opneemt. Een voorbeeld van zo’n vloeistof is gesmolten zout. Gesmolten zout is erg geschikt als hitteopvangende vloeistof doordat het bij een breed temperatuurscala werkzaam is. Hierdoor is weinig druk nodig om het systeem te laten opereren. Het opgewarmde zout vloeit naar een thermische opslag tank, waar het wordt bewaard totdat elektriciteit nodig is. Indien dit het geval is vloeit het zout naar een stoomgenerator, waar het water opwarmt om zo met behulp van stoom elektriciteit op te wekken. Het afgekoelde zout vloeit vervolgens terug naar de opslag voor ‘koud’ zout, waarna het dezelfde cyclus kan doorlopen. De stoom wordt na gebruik door de generator gecondenseerd en het water vloeit terug naar de wateropslagtank. Het proces is hetzelfde als in conventionele stoomgenererende fabrieken (kolen, gas of nucleair). Echter is deze vorm 100% hernieuwbaar zonder dat er uitstoot of afval ontstaat. Een voorbeeld is de Gemasolar centrale in Spanje, waar men een productiereserve tot 15 uur kan genereren.

 

LAES

Liquid Air Energy Storage (LAES) is een vorm van energieopslag die niet aan geografische gebieden gebonden is. Piekenergie wordt gebruikt om lucht af te koelen tot -196°C waarbij het een vloeistof wordt. Deze vloeistof wordt onder lage druk opgeslagen in tanks en bij een vraag naar elektricteit wordt de druk verhoogd doordat opgeslagen warmte van het vloeibaar maken wordt toegevoegd. Het resultante hoge druk gas wordt gebruikt om een turbine aan te drijven. De grote voordelen van deze manier van energieopslag zijn de lage kosten van zowel de aanbouw van de installatie als de operationele kosten, de lange looptijd, de eerdergenoemde niet-geografische gebondenheid en bovendien is er geen uitstoot. Een voorbeeld is de Highview Power Storage in Slough.

 

 

Voor Nederland zijn niet al deze methoden geschikt. De meest geschikte vorm van opslag heeft bovendien niet enkel met het landschap te maken, maar ook met de hoeveelheid energie die opgeslagen moet worden en hoe snel deze beschikbaar moet zijn. Deze inventarisatie geeft echter een overzicht van de huidige technieken en de mate van bruikbaarheid van deze technieken. Hopelijk kunnen we samen tot een vruchtbare oplossing tot 2040 komen!

5 Reacties

  • 2015-10-13 17:38:31
    henk daalder
    Ontwikkelt een super aantrekkelijk consumentenproduct voor windenergie

    Valentijn, waarom zouden Vehicle to grid toepassingen een aanpassing van de infrastructuur vergen?
    Er gaan al vele laadpunten voor elektrische auto's komen. Maar ik zie die niet als "infrastructuur"

    Er zijn 2 soorten laadpunten, 

    - snelladers, vaak gelijkstroom laders, worden vaak kort gebruikt om verder te kunnen rijden.
    - langzaam laders, deze werken meestal op wisselstroom en gebruiken de lader in de auto. Hier is het vermogen meestal beperkt tot 3 tot 10 kW.

    Bij snelladers zal er weinig animo zijn om iets bij te dragen aan andere diensten, omdat dat het laden zal vertragen

    Bij langzaam laden zitten de auto's lager verbonden aan der lader, omdat dat samenvalt met parkeren.
    Die gebruikers zijn wel geschikt voor balans diensten.

    Stel dat dat per auto 5 kW kan zijn, wat de lader kan opzuigen uit het net of terug leverenaan het net.
    Dat is puur iets van de laad installatie zelf, het lokale net hoeft daar niet echt voo raangepast te worden.
    Al zullen er plekken zijn waar het net verderop aabgepast moet worden voor terug stromende stroom, van zonnepanelen of inderdaad auto laders.

    Bij gemiddeld 5 kW per auto zijn er dus 200 geparkeerde autos nodig om 1 MW stuurbaar vermogen te hebben. En om dat 24 uur per dag te hebben zijn er bijv 5 keer zo veel nodig, omdat de gebruiker aanhet eind een volle accu zal willen heben.

    Dus er zijn 1000 auto's nodig om 1 MW balans vermogen te kunnen hebben.
    En ik denk dat pas vanaf 100 MW, 100.000 auto's het relevant wordt. 
    En dat er 1 miljoen elektrische auto's nodig zijn om echt een belangrijke bijdrage te leveren aan balans handhaving.

    Er zijn nog meer diensten waarmee op een apof andere manier warde is te creeren met opslag, 
    Daar geeft dit rapport een overzicht van.
    http://www.rmi.org/Content/Files/RMI-TheEconomicsOfBatteryEnergyStorage-ExecutiveSummary-FINAL.pdf

    Voor het aspect gebruik van de ruimte is het vooral relevant of auto laders allemaal alsa paal bij eenparkeer plek worden uitgevoerd, dat worden heel veel palen.
    Of dat het toch vooral draadloze laders in de vloer, straat, van de parkeer plek worden.
    Dit laatste lijkt mij vanuit gebruikers vriendelijkhedi en beeld van de straat, verre te prefereren.
    Maar vergt weer leiderschap waar he tin ons land overal aan ontbreekt.
    Gemeenten en de landelijke politiek zullen zich hier voor moeten uitspreken, om een signaal af te geven aan auto fabrikantenen leveranciers vanb laad apparatuur.


    We willen drtaadloos laden! 

     

  • 2015-10-13 11:02:09
    Valentijn Muit
    Adviseur RO

    Ik mis in je verhaal opslag in auto-accus's. Voor zover ik kan overzien wordt breed verwacht dat dat een grote bijdrage gaat leveren aan energieopslag. Dat heeft geen grote ruimteclaim tot gevolg, wel vergt het aanpassingen aan de elektriciteitsinfrastructuur.

  • 2015-10-09 09:41:40
    Hans Schneider
    adviseur energietransitie

     https://youtu.be/rF9H7aIYAzE   Amory Lovins (RMI) over de oplsagmythe.

  • 2015-10-09 09:38:24
    Hans Schneider
    adviseur energietransitie

    Elektrische opslag is minder nodig dan we nu denken als we onze energievraag slimmer plannen.  In Nederland enerzijds de dag-nacht onbalans. Met een een combinatie van zon en wind, stuurbare warmtepompen en WKK's, fexilbele gasgestookte generatoren en laadstations voor elektische auto kom je al een heel eind. 

    Een probleem van een heel andere orde is de zomer-winter onbalans. Naarmate we meer elektrisch gaan verwarmen, met warmtepompen of met infraroodverwarming, zou dat wel eens heel erg pijn kunnen gaan doen.  Ook hier zit de oplossing niet in accu's maar in slimme inzet van alternatieve warmtebronnen (restwarmte, biomassa, biogas) en de pslag van warmte in de ondergrond (WKO) of in warmwarmteoplsagvaten.

    Bijgaand filmpje is een aadige 'debuning' van de heftige Solar power's rapid growth and the myth of storage breakthrough's necessityopslagverlangens.

     

  • 2015-10-02 15:08:28
    henk daalder
    Ontwikkelt een super aantrekkelijk consumentenproduct voor windenergie

    Onderzoek en kennis ontwikkeleign naar opslag is mooi.Maar we moeten uitkijken om ze ook al meteen grootschalig toe te passen.

    Inde EU geld de regel dat duurzaam opgewekte stroom voorrang heef top fossiel opgewekte stroom. Dus als er ergens, op een bepaald moment "te veel" stroom is, betekent dat dat de centrales in dat gebied, niet genoeg worden tergui geregeld.
    Dat is dus altijd de oplossing, dwing centrales verder terug te regelen.

    Dat terug regelen van centrales leidt tot brandstof besparing, en dat is meteen een vorm van opslag.
    Als later de beschikbaarheid van duurzaamopgewekte stroom afneemt, kunnencentrales weer opreglen, en verbruiken ze een deel van de eerder bespaarde brandstof weer (maar niet alles, omdat een deel van de stroom uit wind of zon kwam)

    Deze vorm van opslag is verreweg het goedkoopst, en gebeurt al 100 jaar.
    probleem is alleen dat centrales geoptimaliseerd zijn voor de bovenste helft van hun vermogens bereik.
    En dat centrale exploitanten tot nu toe weigeren verder terug te regelen, als ze dat volgens de EU regels zouden moeten doen.
    Landen handhavendeze regel niet, omdat overheden nogal eens zelf belang hebben in de fossiele centrales.

    Dus een deel van de oplossing is dat er andere regels komen om centrales te dwingen wel verder terug te regelen.Door samen te werken kunnen ze dat best. De hoeveelheid wind en zon is heel goed 24 uur vooruit te voorspellen. Dat gebeurt nu ook al.
    Toch weigeren centrales voldoende ver teruig te regelen ze manipuleren zelfs de stroom markt op de momenten dat ze eigenlijk verder zouden moeten terug regelen. Door dan net wat te veel fossiel stroom op de markt aan te bieden, daalt de prijs van stroom tijdelijk. Dit zijn bewuste regelfouten. Op momenten met veel duurzame stroom, maken de centrales minder omzet, dus is hun verlies ook kleiner, als ze dan zelf lage prijzen veroorzaken.

    Op tijden dat er weinig wind of zon is, hebben de centrales nooit problemen om precies voldoende stroom op te wekken, dan zijn ze wel in staaeen overschot aan stroom te vorokomen, en d eprijs op peil te houden.
    Dit is feitelijk kartel gedrag en zou door de ACM beoordeeld moeten worden. Ook als het in Duitsland gebeurt, want de markten zijn gekoppeld.