november/december 2018
Sla je slag met opslag
De vele opties om energie op te slaan
De warmtebatterij waar TNO onderzoek naar doet, maakt gebruik van zouthydraten.
Elektrische energie van onder meer pv-panelen en windturbines is niet ‘dekkend’, maar wel is er op specifieke momenten een overschot. Om hier efficiënt mee om te gaan, wordt er veel onderzoek gedaan naar hoe deze energie op te slaan. Het liefst zonder verliezen en met de mogelijkheid om de elektrische energie eenvoudig weer beschikbaar te maken.
Wanneer het gaat om de opslag van elektrische energie, dan bestaat de keuze uit de opslag van elektriciteit in een accu (de energie blijft elektrisch) óf het omzetten ervan in een andere vorm, zoals kinetische energie (beweging), potentiële energie (omhoog pompen) of warmte. Ook kunnen met de elektrische energie via chemische processen brandstoffen worden gemaakt, of worden ingezet voor omkeerbare processen die energie kunnen opnemen. Bij het andersom laten verlopen van deze processen komt de elektrische energie dan weer vrij.
De thuisbatterij
Voor thuisopslag ligt de elektrische accu nog het meest voor de hand. Elektrische energie blijft elektrische energie en het gebruik en bediening van deze componenten zijn inmiddels goed afgestemd op de gemiddelde consument. Een nadeel van de accu’s is dat ze nog relatief duur en groot zijn, maar de verwachting is dat door de ontwikkelingen deze nadelen in de toekomst zullen verdwijnen. Thuisaccu’s of thuisbatterijen worden onder meer geleverd door Fronius, LG, Mercedes, Solarwatt en Tesla; veelal in combinatie met slimme software die automatisch de opslag en afgifte regelt.
Thuisbatterijen zullen in Nederland vooral aantrekkelijk worden wanneer het niet meer mogelijk is te salderen. Het is dan goedkoper om de energie zelf op te slaan in plaats van aan het openbare net te leveren. Naast het opslaan van elektrische energie, is het ook mogelijk deze om te zetten in een andere vorm van energie. Steeds met het doel om uiteindelijk de elektrische variant op het gewenste tijdstip weer terug te krijgen.
Hydro-energie
Het omzetten van elektrische naar potentiële energie wordt onder meer toegepast bij hydro-energie. Hierbij wordt het overschot van elektrische energie gebruikt om water omhoog te pompen naar een spaarbekken. Hier kan het – zonder het wegvloeien van de energie – zo lang blijven als nodig. Wanneer elektrische energie nodig is, worden de sluisdeuren opengezet zodat het water naar beneden kan stromen. Daarbij drijft het een dynamo aan waarmee de elektrische energie weer wordt teruggewonnen. Deze manier van opslag is om logische redenen niet direct geschikt voor individuele huishoudens, maar wel toe te passen voor grote bedrijven, industrieterreinen of grotere woongebieden.
Onder andere Tesla ontwikkelt batterijen voor de directe opslag van energie afkomstig van pv-panelen
Mechanische opslag Ook al langer bekend is de mechanische opslag van energie; bijvoorbeeld in een vliegwiel-dynamo combinatie. Deze manier wordt onder meer in energiecentrales gebruikt voor het opvangen van pieken in het kader van een stabiele netspanning. Ook hier is de praktische inzetbaarheid in individuele huishoudens niet bijzonder groot. De vliegwielen en bijbehorende installaties zijn groot en relatief onderhoudsgevoelig, en bovendien niet geschikt voor grootschalige en langdurige energieopslag.
Pneumatische opslag
De opslag van elektrische energie door middel van het samendrukken van een gas – bijvoorbeeld lucht – vraagt eveneens veel ruimte, maar kan voor grote toepassingen wel mogelijkheden opleveren. Bekend zijn onder meer toepassingen waarbij oude mijnschachten of andere ondergrondse ruimtes worden gebruikt om de aanwezige lucht samen te persen en daar vast te houden. Door de lucht weer vrij te laten – net zoals een ballon leegloopt – is het mogelijk een dynamo aan te drijven die op zijn beurt weer elektrische energie produceert.
Chemie
In de afgelopen jaren is er veel onderzoek uitgevoerd naar de rol van chemie bij de opslag van elektrische energie. Elektrische energie wordt hierbij gebruikt om specifieke processen te laten verlopen die omkeerbaar zijn. Bij het omgekeerde proces komt de toegevoerde elektrische energie weer vrij. Dit is onder meer aan de orde bij de Flow- of Redox Flow-batterij. Het gaat hier om een elektrochemische cel, waarbij elektrische energie wordt gebruikt om een bepaalde stof – bijvoorbeeld waterstofbromide – om te zetten naar een of meer andere stoffen; bijvoorbeeld waterstof en bromide. Wanneer de reactie omgekeerd verloopt, wordt als vanzelf weer elektrische energie geproduceerd, waarbij nauwelijks slijtage optreedt. De theoretische levensduur van deze batterij is oneindig. In tegenstelling tot traditionele batterijen is het vermogen van de Flow-batterij niet gekoppeld aan de capaciteit van de batterij, maar aan het membraanoppervlak waar zich de chemische reacties afspelen. Dit betekent dat hij relatief eenvoudig is op te schalen. Of de Flowbatterij echt succesvol wordt, hangt onder meer af van de mogelijkheid om voor de reactie goed verkrijgbare en veilige chemicaliën in te zetten. Het toekomstscenario lijkt positief, met onder meer de eerste commercieel geïnstalleerde toepassing bij TIM Group in Kampen, in mei van dit jaar.
Opslag in de straat
Naast de mogelijkheid om elektrische energie van ‘eigen’ pv-panelen op te slaan in een ‘eigen’ thuisaccu, is het ook mogelijk om dit te doen in een zogenaamde buurtbatterij. In 2013 was netbeheerder Enexis een van de eerste bedrijven die - in samenwerking met Alliander en TNO - in Etten-Leur een buurtbatterij installeerde: de Smart Storage Unit. Niet alleen om de buurtbewoners te helpen hun overtollige energie te kunnen opslaan, maar vooral ook om de belasting op het net te minimaliseren. De accu voorkomt pieken op het net, omdat de pv-systemen op zonnige uren het overschot niet ‘en mass’ terugleveren aan het net, maar afgeven aan de batterij. Daarnaast fungeert de buurtbatterij als bron wanneer de transformator – die middenspanning omzet naar laagspanning – aan het begin van de avond relatief zwaar wordt belast. Er hoeft op dat moment minder door het net te worden geleverd. In 2015 bleek uit een tussenbalans dat de buurtbatterij nog niet rendabel was. Concreet betekent het dat het toen nog goedkoper was om het net te verzwaren in het kader van de netstabiliteit, dan de buurtbatterij als buffer in te zetten. De verwachting is echter dat er een omslagpunt zal komen. Enerzijds omdat netverzwaring een lange afschrijvingstermijn heeft, terwijl batterijen in rap tempo goedkoper worden. Anderzijds omdat de kosten die samenhangen met onbalans in het net (onder andere door een fluctuerende decentrale opwekking) steeds verder toenemen.
Warmtebatterij
Geen chemische, maar natuurkundige principes liggen ten grondslag aan de werking van de zogenaamde warmtebatterij. Hij berust op cyclische reacties met zouthydraten, die vallen onder de noemer ‘thermo chemical materials’ (TCM). Bij dit type materiaal leidt het toevoeren van warmte tot het – heel simpel gezegd – drogen van de materialen. Door het toevoegen van water verloopt de reactie in omgekeerde volgorde waarbij de warmte weer vrijkomt. Onder meer TNO doet onderzoek naar dit type batterij om – uiteindelijk in samenwerking met de markt – te komen tot een commercieel product voor toepassing in woningen.
Waterstof en ammoniak
Een overschot aan elektrische energie is ook te gebruiken voor de productie van bijvoorbeeld waterstofgas of ammoniak. Waterstof is eventueel weer te verbranden en – via een turbine – om te zetten naar elektrische energie, maar ook direct te gebruiken als brandstof voor voertuigen met brandstofcellen. Een voordeel van waterstof is dat dit gas goed is op te slaan en te transporteren en – niet onbelangrijk – dat er bij verbranding uitsluitend water vrijkomt. Elektrische energie omzetten naar ammoniak gebeurt door de elementen stikstof uit lucht, en waterstof uit water te combineren. Om de elektrische energie vervolgens weer terug te winnen, wordt het gas verbrand en langs een turbine geleid. Ook hier zijn de verbrandingsproducten gunstig te noemen; met uitsluitend stikstof en waterdamp komt er bij het verbranden van ammoniak geen CO2 vrij.
Plasmatechnologie
Een andere ‘chemische’ mogelijkheid is een overschot aan elektrische energie in te zetten voor plasmatechnologie. Bij Differ in Eindhoven wordt bijvoorbeeld gewerkt aan het splitsen van CO2 in CO en O2 met behulp van plasmatechnologie. De CO is vervolgens te gebruiken als brandstof waarbij weliswaar CO2 vrijkomt, maar uiteindelijk geen nieuwe CO2 wordt geïntroduceerd. Het doel is hier niet specifiek de opslag van elektrische energie om deze vervolgens terug te winnen, maar het is wel een proces waarbij het overschot elektrische energie zinvol wordt gebruikt voor omzetting naar een andere vorm van energie.
Tekst: Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Industrie