Energieopslag, onmisbare component van een duurzame energievoorziening

Energieopslag- en distributietechnieken worden gebruikt om vraag en aanbod van elektriciteit of warmte in een klein- of grootschalig netwerk te balanceren.

Niet alle duurzame energiebronnen hebben een continue productie-karakter, een aantal heeft zelfs een uitgesproken wisselend productie-karakter.

  • Zonnestroom. De zon schijnt alleen overdag, bij bewolking en regen is er minder zon. De zon schijnt langer in de lente- en zomermaanden.
  • Windstroom. De wind is ook geen constante. Gedurende de dag en de seizoenen varieert de hoeveelheid wind.
  • Waterkracht. Energievoorzieningen op basis van waterkracht kunnen gedeeltelijk afhankelijk zijn van de hoeveelheid regenval.
  • Ook de prestaties van andere (duurzame) energieopwekkers maar ook energieopslagsystemen zelf, zijn in meer-of minder mate afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Denk bijvoorbeeld aan warmtepompen en warmte-opslagsystemen.

Toch nemen met name zonne- en windenergie een belangrijk en groeiend aandeel in, in de eveneens groeiende productie van duurzaam gewonnen energie.

Deze sterke groei leidt tot noodzakelijke aanpassingen in met name de electriciteitsnetwerken. Deze aanpassingen hebben enerzijds betrekking op de omgang met piek- en dalproducties en anderzijds op het distribueren, bufferen en opslaan van (electrische) energie.

De mogelijkheid tot het opslaan van (electrische) energie heeft ook tot doel om de (piek-)productiecapaciteit te beperken. Bij een tijdelijke hoge vraag hoeft er geeen productie gedraaid te worden maar kan worden geput uit een voorrraad. In de vraag-daluren kan de energievoorraad vervolgens weer worden aangevuld.

Opslagtechnieken

Mede gestuurd door de verduurzaming van de energievoorzieningen wereldwijd worden nieuwe en verbeterde energie-opslagtechnieken geintroduceerd. Ook het aantal en de omvang van de opslagtoepassingen neemt sterk toe.

Er dient een onderscheid gemaakt te worden in de schaalgrootte van de toepassingen. Een aantal oplossingen is geschikt voor woningen en gebouwen en andere oplossingen zijn alleen toepasbaar op lokaal-, regionaal-, nationaal- of internationaal netwerkniveau.

Tevens dient een onderscheid gemaakt te worden tussen de verschillende vormen van opslag en de mogelijkheid de opgeslagen energie om te zetten in andere vormen van energie. Zoals de omzetting van een waterbuffer naar electriciteit, of een omzetting van warm water naar heet water, of een omzetting van electriciteit naar brandbare gassen (in vloeistofopslag).

In onderstaande overzichten worden de verschillende opslagtechnieken daarom beschreven op basis van verschillende criteria. 

  • Boven- en ondergrondse spaarbekkens / pompcentrale
  • Koude- en warmteopslag (zie bodemenergie- en aardwarmte)
  • Gecomprimeerde lucht
  • Cryogene opslag
  • Thermische energie-opslag
  • Energie-opslag in vliegwielen
  • Accu's en capacitatoren
  • Magnetische opslag
  • Power to Gas
  • Combinaties

Pompcentrale

Een pompcentrale (PHES) is een waterkrachtcentrale die ’s nachts water pompt van een lager naar een hoger gelegen spaarbekken. Als er piekbelastingen zijn, worden de sluizen open gezet en worden er door het vallende water één of meerdere generatoren aangedreven.

Een voorbeeld is van een PHES is de waterkrachtcentrale van Coo-Trois-Ponts in Belgie die binnen een aantal minuten 1100 MW vermogen kan leveren. Dit vermogen kan de centrale leveren gedurende 5 uur alvorens het water weer moet worden opgepomt van het benedenbekken naar het bovenbekken.

Het is mogelijk hetzelfde principe ondergronds toe te passen. Het beneden spaarbekken bevindt zich dan op (grote) diepte ondergronds, waarbij het water 's nachts naar een spaarbekken bovengronds wordt gepompt. Wanneer er piekbelasting is, wordt het water weer in het ondergrondse bekken gestort, waar het een turbine aandrijft die zo diep mogelijk in de schacht is geplaatst.

Er zijn / waren plannen om een dergelijk systeem in Nederlands Limburg te bouwen. Er zou een investering van 2,1 miljard euro mee gemoeid zijn.

Er bestaan ook ideeën voor offshore pompcentrales voor de kust van Nederland en in België. Een voorbeeld is het plan van KEMA, Bureau Lievense en de Das Brothers uit 2006 genaamd IOPAC (Iinverse Offshore Pump Accumulation). Het ontwerp bestaat uit een ringdijk die een kunstmatig eiland vormt (energiedonut) met in het midden een valmeer van 6 x 10 kilometer. Dit valmeer reikt 50 m lager reikt dan de zeespiegel en wordt gedragen door een sterke zeebodem van klei. In het ontwerp pompen windturbines het valmeer leeg, waardoor een verval ontstaat. Bij het vullen van het meer worden generatoren aangedreven. 

Het initiele project zou een vermogen kunnen genereren van 2500 MW en een opslagcapaciteit hebben van 30GWh.

Gecomprimeerde luchtopslag systemen

Bij gecomprimeerde lucht opslag systemen worden ondergrondse ruimten, zoals bijvoorbeeld een zoutkoepel of luchtdichte grotten, gebruikt voor het opslaan van samengeperste / gecomprimeerde lucht of gassen. Deze techniek is ook bekend onder de Engelse term CAES of Compressed Air Energy Storage. CAES kan gebruik maken van dalurenelektriciteit om lucht te comprimeren. 

In Huntorf in Duitsland is sinds 1978 een CAES centrale actief om de kerncentrale Unterweser te bufferen. Wanneer de vraag naar elektriciteit hoog is, gaat de gecomprimeerde lucht samen met aardgas naar een gasturbine om elektriciteit op te wekken. De installatie kan gedurende vier uur 321 MW piekvermogen leveren. Ze is eigendom van E.ON en werkt onbemand. De perslucht wordt op een druk van 72 bar 700 m diep opgeslagen in twee ondergrondse holtes van samen 310.000 m³.

Moderne CAES projecten gebruiken geen aardgas en sturen de perslucht meteen naar een expansieturbine. De pilootinstallatie ADELE te Stassfurt heeft een piekvermogen van 90 MW en een opslagcapaciteit van 360 MWh.

Cryogene opslag

Bij cryogene energieopslag (Cryogenic Energy Storage / CES of Liquid Air Energy Storage / LAES) wordt omgevingslucht afgekoeld tot -195°C zodat deze vloeibaar wordt. Water (H²O en koolstofdioxide (CO²) zijn vooraf uit de lucht gehaald omdat deze anders zouden bevriezen. In vloeibare toestand is het volume van lucht afgenomen tot 1/1000 van het originele volume. De vloeistof wordt geisoleerd onder vacuum opgeslagen.

Wanneer er behoefte is aan stroom vindt omzetting plaats door de volgende stappen:

  • De vloeibare lucht wordt onder druk in een warmtewisselaar gepompt
  • Deze warmtewisselaar fungeert als een verwarmingsketel
  • Met behulp van relatief warme omgevingslucht of warm water wordt de vloeistof opgewarmd
    • Het warme water is bij voorkeur afkomstig van een proces (restwarmte) of duurzaam gegenereerd
  • De vloeistof wordt hierbij opnieuw gasvormig en zet daarbij sterk uit.
  • Het uitzetten gebeurd in een expansieturbine die een generator aandrijft waardoor stroom wordt opgewekt.

Een test-installatie van 300 kW piekvermogen en 2,5 MWh opslagcapaciteit staat te Slough in Engeland. De installatie is gerealiseerd door een samenwerkingsverband van de University of Leeds en Highview Power Storage.

De standaard efficiency van CES is laag, zo'n 25%. Maar in combinatie met betere opslagtechnieken en door gebruik te maken van proces-restwarmte zou de AC⇒AC efficiency kunnen stijgen tot 70%.

Accu's

De inzet van accu systemen in zowel groot- als kleinschalige electriciteitsnetwerken neemt sterk toe. Accu systemen in stroomnetwerken hebben meerdere functies:

  • Voltage- en frequentieregulering binnen distributienetwerken
  • In de functie van snelle response opslag. Wanneer er een onverwachte piekvraag optreedt springen de accu systemen bij. 
  • Het opvangen van fluctuaties van wind- en zonne-energie
  • Voor meer informatie over accu systemen klik hier (DGEM).

Thermische energieopslag

Voor informatie over thermische energie-opslag ga naar Opslagsystemen voor zonnewarmte (DGEM).

Energieopslag in vliegwielen

Mechanische traagheid is de basis van de opslagmethode FES (Flywheel Energy Storage). Een roterende schijf wordt versneld door een elektromotor waardoor kinetische energie wordt opgeslagen. Wanneer er vraag is naar stroom wordt de schijf vertraagd door een electromotor die als een generator elektriciteit genereert.

Voor energiebehoud moet wrijving moet tot een minimum beperkt blijven. Dit wordt veeal bereikt door onder meer het plaatsen van het vliegwiel in een vacuüm en het gebruik van magnetische lagers. De techniek is beperkt tot de opslag van enkele megawatt-uren.

FES wordt veel in datacenters toegepast als een direct beschikbare noodstroomvoorziening:

Magnetische opslag

Magnetische opslag of SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) gebruikt het magneetveld van een elektrische stroom in een gekoeldesupergeleidende spoel om elektrische energie op te slaan. De technologie is beperkt tot 2 megajoule. In Japan is een pilootinstallatie gebouwd met eentorische spoel die 100 kWh energie kan opslaan en 20 MW piekvermogen leveren (kopie Wiki).

Waterstof

Ondergrondse waterstofopslag is de praktijk van de opslag van waterstofgas in ondergrondse grotten zoutkoepels en uitgeputte olie- en gasvelden. Sinds vele jaren worden zonder problemen grote hoeveelheden gasvormig waterstof opgeslagen in ondergrondse grotten door ICI. De opslag van grote hoeveelheden waterstof in ondergrondse mijnen,zoutkoepels, aquifers of uitgegraven rotsgrotten kan functioneren als energieopslag die noodzakelijk is voor de waterstofeconomie. De elektriciteit die nodig is voor gecomprimeerde waterstofopslag op 200 bar bedraagt 2,1% van de energie-inhoud. Het Europese project HyUnder concludeerde in 2013 dat voor de opslag van wind en zonneenergie 85 extra opslagplaatsen benodigd zijn omdat de huidige opslagsytemen PHES en CAES niet voldoende zijn.

Power to Gas

Een techniek die sterk in opkomst is, is Power to Gas.

In Duitsland test men de technologie Power-to-Gas of P2G om van elektriciteit gas te maken. Er zijn twee methodes die verschillen per project, de eerste methode is een concept dat het overschot aan elektriciteit door elektrolyse van water in waterstof omzet en met een verhouding 20% waterstof / 80% aardgas in het aardgasnet injecteert,

Energiebedrijf EON bedrijft volgens deze methode te Falkenhagen een installatie van 2 megawatt en ook een te Hamburg-Reitbrook. Het blenden van gassen is een bekende techniek die ook toegepast wordt in HCNG. Het Duitse aardgasnetwerk bestond vroeger uit stadsgas dat voor 60-65 % uit waterstof bestond.

In de tweede minder efficiente methode wordt het overschot aan elektriciteit door elektrolyse van water in waterstof omzet en in een tweede stap, met koolstofdioxide converteert in synthetisch methaan. De opslag van dit methaan kan gebeuren in de de bestaande infrastructuur voor aardgas. Het is ook mogelijk om tot 3% waterstof direct in het gasnet te injecteren. De ÖVWG richtlijn beperkt de injectie tot 4% en tot 2% als er een gaspomp nabij is. Meer mag niet vanwege explosiegevaar en corrosie van leidingen en tanks en het gebruik in gasturbines.

Er gaan stemmen op om de beperking te versoepelen tot 10%, 15% of zelfs 20% waterstof.

Audi bedrijft volgens deze methode te Wertleeen installatie van 6 megawatt om met elektriciteit van windenergie methaan te maken voor auto's op gas.In Nederland overweegt de Gasunie een project in de Eemshaven om methaan te maken met windenergie en in het gasnet te injecteren.

Buurtbuffers

Onder meer door KEMA is een grootschalig Europees onderzoek (Growders) uitgevoerd naar de opslag van elektriciteit op lokaal niveau in buurtbuffers.

Door de transitie van de elektriciteitsvoorziening en het toepassen van steeds meer lokale opwekking van elektriciteit is er grote behoefte aan stabilisatie van vraag en aanbod op lokaal niveau. Dit voorkomt investeringen in de verzwaring van lokale netten om deze fluctuaties op te vangen.

Experimenten zijn gedaan met buurtbuffers bestaande uit een combinatie van accu's en vliegwielen. De accu's zorgen voor de benodigde capaciteit en het vliegwiel levert het gevraagd piekvermogen. Een woonwijk van gemiddelde omvang heeft voldoende aan een opslagcapaciteit van 50 kWh en een piekvermogen van 150 kW. In Amerika verdienen commerciële bedrijven al geld met het stabiliseren van elektriciteitsnetten met buurtbuffers.

Buurt-buffers kunnen onderdeel uitmaken van (kleinschalige) smart grids.

 

Nieuws tracker

SDE Voorjaarsronde fase 2 debacle bij het RVO

Geplaatst op 13/03/2017
We leven toch al een aantal jaren in het e-tijdperk. Secure access, load balancing, automatische capaciteitsaanpassingen, 24x7 ondersteuning. Daarvan was...

Meer SDE voor meer kansen op verduurzaming

Geplaatst op 23/05/2016
SDE staat voor Stimulering Duurzame Energieproductie. Omdat de kostprijs van duurzame energie (tot nog toe) hoger is dan die van grijze energie, is...

Green Battery introduceert accu container

Geplaatst op 12/04/2016
Eerder berichten wij over Green Battery. Een Nederlands bedrijf dat zich richt op het verzorgen van event- en festival stroom, maar dan...

Neem contact op

De Groene Energie Maatschappij

Tel: 0031 85 00 35 300
email: info@dgem.nl

KVK: 58676872
BTW nr. NL166513350B02

Blijf in contact