ook beschikbaar in pdf

/technologie
Energieopslag in het
smart grid
Wat zijn de technische mogelijkheden?
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?
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 vooren 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.
>>er zijn meer mogelijkheden
voor energieopslag, elk met
voor- en nadelen
>>opslag helpt
om stroom lokaal
te houden
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 zonneenergie 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.
>> het energienetwerk kan pas echt ‘smart’ worden
als we energie kunnen opslaan en regelen
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.

Download Report