Energieopslagtechniek

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Energieopslagtechnieken worden gebruikt om vraag en aanbod van elektriciteit in een elektriciteitsnetwerk te balanceren. Voor de grootschalige belastingsverdeling van een onderling verbonden elektrisch netwerk sturen elektrische energieproducenten de goedkope overtollige dalurenelektriciteit via het transmissienet naar buffercentrales voor tijdelijke opslag van de energie. De energieopslaglocaties worden dan energieproducenten wanneer de vraag naar elektriciteit groter is. Dit vermindert de kosten van de piekvraag van elektriciteit door het beschikbaar maken van de energie voor gebruik tijdens de piekvraag zonder extra investeringen in overtollige productiecapaciteit dat het merendeel van de dag niet gebruikt zou worden.

Pompcentrale[bewerken]

99% van de energieopslag ter wereld gebeurt in pompcentrales (PHES, Pumped Hydro Energy Storage). Dit zijn waterkrachtcentrales die bij elektriciteitsoverschot water van een lager naar een hoger gelegen spaarbekken pompen. Bij tekort aan elektriciteit stroomt het water terug en drijft Francisturbines met generatoren aan. Een voorbeeld is de waterkrachtcentrale van Coo-Trois-Ponts die 1100 MW kan leveren gedurende 5 uur. In Vianden, Luxemburg staat een installatie van 1300 MW. De grootste pompcentrale ter wereld ligt te Bath County in de Verenigde Staten en kan 3000 MW piekvermogen leveren voor een investering van 1,6 miljard dollar. In Fengning in de Chinese provincie Hebei is een pompcentrale van 3600 MW piekvermogen in aanbouw tegen 2019.

Er bestaan ideeën om hetzelfde principe toe te passen maar dan met een spaarbekken 1400 m diep 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 diep in de schacht. Er bestonden plannen om 2,1 miljard euro te investeren in een dergelijk systeem met de naam OPAC Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale in Nederlands Limburg[1] op Graetheide in de gemeente Sittard-Geleen, maar de plannen zijn opgeborgen omdat de ondergrond ongeschikt bleek en vanwege protest van de bevolking.[2]

Er bestaan ook ideeën voor offshore pompcentrales voor de kust van Nederland en in België om de energie van de offshore windparken op te slaan. Het eerste idee was het Plan Lievense. Ze bestaan uit een ringdijk die een kunstmatig eiland of energiedonut vormt in de vorm van een atol met in het midden een valmeer 40 m lager dan de zeespiegel. Het Nederlands project heet IOPAC Inverse Offshore Pump Accumulation.[3] In België zijn twee locaties voorzien: op de Wenduinebank en bij Zeebrugge.[4]

Gecomprimeerde lucht[bewerken]

De CAES van Huntorf werkt sinds 1978.

Een andere energieopslagtechniek CAES is het gebruik van dalurenelektriciteit om lucht te comprimeren, die wordt meestal opgeslagen in een oude mijn of een andere soortgelijke geologische structuur. Wanneer de vraag naar elektriciteit hoog is, gaat de gecomprimeerde lucht samen met aardgas naar een gasturbine om elektriciteit op te wekken.[5] Een dergelijke centrale werkt sinds 1978 te Huntorf om de kerncentrale Unterweser te bufferen. 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, tot 60 m diameter en 150 m hoogte met water uitgespoeld in een zoutmijn.[6]

Een tweede installatie met aardgas van 110 MW werkt sinds 1991 te McIntosh (Alabama).[7]

Een nieuw project gebruikt geen aardgas en stuurt de perslucht meteen naar een expansieturbine. De pilootinstallatie ADELE (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung) van RWE te Staßfurt zal een piekvermogen van 90 MW en een opslagcapaciteit van 360 MWh hebben.[8]De bouw is in 2013 begonnen en zal in 2020 klaar zijn.[9] De investering ligt tussen 100 en 200 miljoen euro.[10]

Er wordt in Orkney, Scapa Flow onderzoek verricht, om 500 m onder water perslucht in een ballon op te slaan, zogenaamd UW-CAES.[11]

Cryogene opslag[bewerken]

De cryogene energieopslag CES cryogenic energy storage of ook LAES liquid air energy storage werkt door omgevingslucht af te koelen tot -196°C zodat ze vloeibaar wordt. Vloeibaar is de lucht in minder volume op te slaan dan als perslucht. De lucht wordt gelost en wordt opnieuw gasvormig, waarbij ze in een expansieturbine uitzet en elektriciteit opwekt. Een pilootinstallatie van 300 kW piekvermogen en 2,5 MWh opslagcapaciteit werkt al enkele jaren te Slough in Engeland.[12]Een grotere installatie 5 MW, 15 MWh is besteld te Manchester tegen 2015 en een nog grotere 50 MW, 200 MWh is in planning.[13]

Accu's[bewerken]

Een redoxflow batterij

Accu-opslag werd gebruikt in de eerste gelijkstroom-elektriciteitsnetten, en is weer aan een opmars bezig. Batterijsystemen verbonden met grote solid-state-wisselrichters worden gebruikt ter regulering van distributienetwerken. In Puerto Rico is een systeem in gebruik met een capaciteit van 20 megawatt gedurende 15 minuten ter regulering van de frequentie van de elektrische energie die geproduceerd wordt op het eiland. Een grote accu is in 2003 opgesteld in Fairbanks, Alaska, om het voltage aan het einde van een lange transportleiding te stabiliseren, en bestaat uit nikkel-cadmium-accus (27 MW, 15 min). Accu's zijn meestal relatief duur, hebben hoge onderhoudskosten en een beperkte levensduur.

Oplaadbare vloeistofaccu’s kunnen worden gebruikt als snelle respons opslagmedia. Vanadium-Redox-accu’s en andere vloeistofaccu’s worden ook steeds meer gebruikt voor energieopslag en om de fluctuaties van wind- en zonne-energie op te vangen. Dit soort accu’s is relatief hoog efficiënt, ter grootte van 90% of meer, en heeft een lange levensduur.

Ook Natrium-zwavelaccu's worden daartoe gebruikt, zo staat er 34 MW in het noorden van Japan voor Japan Wind Development.[14]

De grootste batterij-opslag bevindt zich te Zhangbei in de Chinese provincie Hebei: LFP-accu's slaan een vermogen van 140 megawatt en een energie van 36 MWh op met een investering rond 500 miljoen euro.[15]

Energieopslag in vliegwielen[bewerken]

Opbouw van een vliegwiel

Mechanische traagheid is de basis van de opslagmethode FES. Een roterend vliegwiel wordt versneld door een elektromotor. Elektriciteit wordt opgeslagen als de kinetische energie van het vliegwiel. Wanneer energie nodig is, werkt de elektromotor als een generator die het vliegwiel vertraagt en elektriciteit genereert. Wrijving moet tot een minimum beperkt blijven ter verlenging van de opslagduur door het vliegwiel in vacuüm te plaatsen en magnetische lagers te gebruiken. De opslagcapaciteit wordt beperkt door de materiaalsterkte, dikwijls wordt koolstofvezel toegepast. Bij een klein scheurtje vliegt het vliegwiel aan scherven door de middelpuntvliedende kracht. Onderhoud van de lagers stelt een probleem. De techniek is beperkt tot enkele megawatt.[16]Te Stephentown, New York werkt een installatie van 20 MW.[17]

Magnetische opslag[bewerken]

Magnetische opslag of SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) gebruikt het magneetveld van een elektrische stroom in een gekoelde supergeleidende spoel om elektrische energie op te slaan. De technologie is beperkt tot 2 megajoule.[18] Installaties werken met magneten in vloeibare stikstof, vloeibare waterstof of vloeibaar helium met toenemende complexiteit en efficiëntie. Kleine magneten zijn solenoïdes, grotere zijn torisch. In Japan is een pilootinstallatie gebouwd met een torische spoel die 100 kWh energie kan opslaan en 20 MW piekvermogen leveren.[19]

Waterstof[bewerken]

Waterstoftank

Ondergrondse waterstofopslag is de praktijk van de opslag van waterstofgas in ondergrondse grotten[20], zoutkoepels en uitgeputte olie- en gasvelden. Sinds vele jaren worden zonder problemen grote hoeveelheden gasvormig waterstof opgeslagen in ondergrondse grotten door ICI.[21] De opslag van grote hoeveelheden waterstof in ondergrondse mijnen, zoutkoepels[22], aquifers[23] of uitgegraven rotsgrotten kan functioneren als energieopslag die noodzakelijk is voor de waterstofeconomie[24]. Het Europese project HyUnder[25] 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[26].

Power-to-Gas[bewerken]

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, E.ON bedrijft volgens deze methode te Falkenhagen[27] een installatie van 2 megawatt en ook een te Hamburg-Reitbrook.[28].

Het mengen 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. Het is ook mogelijk om tot 3% waterstof direct in het gasnet te injecteren.[29] De ÖVWG richtlijn beperkt de injectie tot 4% en tot 2% als er een gaspomp nabij is.[30] Meer mag niet vanwege de specificaties van de aangekoppelde gasturbines en CNG tanks aan het leidingennet.[31] Er is in de USA uitgebreid onderzoek gedaan naar de toevoeging van waterstof en er is geen extra explosiegevaar en corrosie van het aardgasnet of de drukstations.[32] Er gaan stemmen op om de beperking te versoepelen tot 10%[33], 15%[34] of zelfs 20% waterstof.[35]

In de tweede minder efficiënte 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. Audi bedrijft volgens deze methode te Wertle een installatie van 6 megawatt om met elektriciteit van windenergie methaan te maken voor auto's op gas.[36] In Nederland overweegt de Gasunie een project in de Eemshaven om methaan te maken met windenergie en in het gasnet te injecteren.[37]

Thermische energieopslag[bewerken]

De zonnetoren van Gemosolar slaat warmte op in gesmolten zout

Er zijn ontwerpvoorstellen voor het gebruik van gesmolten zout als warmteopslag voor het opslaan van warmte verzameld door een zonnetoren zodat het kan worden gebruikt om bij slecht weer of 's nachts elektriciteit op te wekken.[38] Voorbeeld hiervan is de centrale van Gemosolar in Fuentes de Andalucia bij Sevilla in Zuid Spanje met een productie van ca. 110 GWh per jaar, en een productiereserve van 15 uur.[39] Het is ook mogelijk om elektriciteit om te zetten naar warmte, power to heat of P2H, hetzij om ermee te verwarmen, hetzij om uit gesmolten zout met een stirlingmotor later weer elektriciteit op te wekken.

Buurtbuffers[bewerken]

Door KEMA is een grootschalig Europees onderzoek (Growders) uitgevoerd naar de opslag van elektriciteit op lokaal niveau in buurtbuffers.[40] 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.

Zie ook[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Hoe werkt een OPAC?. Graetheide Comite Geraadpleegd op 03-07-2014
  2. http://sittard-geleen.nieuws.nl/nieuws/20130315/OPAC-niet-op-Graetheide
  3. Energy Island for large-scale electricity storage. DNV GL Geraadpleegd op 3 juli 2014
  4. Kunstmatige energie-eiland voor Belgische kust. ode, organisatie duurzame energie Geraadpleegd op 3 juli 2014
  5. Daniel Pendicka (29 september 2007). Storing energy from the wind in compressed-air reservoirs. The New Scientist 195 (2623): 44-47 .
  6. Compressed Air Energy Storage | University of Saarland
  7. http://www.dresser-rand.com/literature/general/85164-10-CAES.pdf
  8. (de) Johannes Kaiser. Mehr als heiße Luft. Deutschlandfunk (14 april 2010) Geraadpleegd op 3 juli 2014
  9. http://www.iphe.net/docs/Events/Seville_11-12/Workshop/Posters/IPHE%20workshop_ADELE_poster.pdf
  10. http://www.energieportal24.de/artikel_4391.htm
  11. http://www.kennislink.nl/publicaties/ruimtevaartballon-voor-energieopslag-in-diep-water
  12. Stephen Harris. The 2011 Energy & Environment Winner - CES. The Engineer (2 december 2011) Geraadpleegd op 3 juli 2014
  13. http://www.highview-power.com/wp-content/uploads/Highview-Brochure-2014.pdf
  14. http://www.ngk.co.jp/english/products/power/nas/installation/index.html
  15. Zachary Shahan. China & BYD Launch Largest Battery Energy Storage Staion. Clean Technica (3 januari 2012) Geraadpleegd op 3 juli 2014
  16. Martin LaMonica. One megawatt of grid storage, 10 big flywheels (17 juni 2008) Geraadpleegd op 3 juli 2014
  17. http://beaconpower.com/stephentown-new-york/
  18. http://www.bruker-est.com/bas_special_applications.html
  19. http://www.wtec.org/loyola/scpa/02_06.htm
  20. Praxair Expands Hydrogen Supply with Gulf Coast Start-Up. Praxair (22 juli 2013)
  21. 1994 - ECN abstract
  22. 2006-Underground hydrogen storage in geological formations, and comparison to other storage solutions by BENT SØRENSEN
  23. Brookhaven National Lab -Final report (Salt caverns, excavated caverns, aquifers and depleted fields)
  24. U.E. Lindblom. A conceptual design for compressed hydrogen storage in mined caverns 667-675
  25. Hyunder
  26. Storing renewable energy: Is hydrogen a viable solution? by Luis Correas
  27. E.ON inaugurates power-to-gas unit in Falkenhagen in eastern Germany. E.ON SE (28 augustus 2013) Geraadpleegd op 3 juli 2014
  28. Power to gas at E.ON Hanse in Hamburg: Consortium of science and technology sectors starts innovation project. NOW: National Organisation Hydrogen and Fuell Cell Technology (4 augustus 2013)
  29. Wind Power-to-Gas (P2G) technology. Energy Storage Journal (24 maart 2013)
  30. Wasserstoff-Einspeisung ins Gasnetz. OO.Ferngas
  31. Zumischung von Wasserstoff zum Erdgas. Energie: Wasser-praxis (oktober 2010)
  32. Blending hydrogen into natural gas pipeline networks: A review of key issues
  33. Beimischung von Wasserstoff ins Gasnetz von zentraler Bedeutung für Power-to-Gas-Technologie: DVGW
  34. Der Rechtsrahmen für die Nutzung des Gasnetzes als Speicher für Strom aus Erneuerbaren Energien
  35. Power-to-Gas Seminar by Oliver Schmidt
  36. Audi opens 6 MW power-to-gas facility. pv magazine (27 juni 2013)
  37. Gasunie wil met ‘power-to-gas’ gas maken van elektriciteit. Stichting Groen Gas Nederland (15 oktober 2013)
  38. Advantages of Using Molten Salt Tom Mancini, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM
  39. GemaSolar. Torresol Energy
  40. Buurtbuffers kunnen elektriciteitsnet stabiliseren. ProfNews (8 juli 2011)