De CO2-uitstoot moet in 2030 met 55 % verminderd zijn ten opzichte van 1990. Ongeveer 85 % van de elektriciteit zal dan duurzaam opgewekt zijn, maar de warmtevraag zal minder snel verduurzamen. Afgelopen jaar is de doelstelling voor windenergie op zee verhoogd tot 21 GW rond 2030. Voor 2050 is de doelstelling zelfs 70 GW. Er wordt gerekend op een verdubbeling van het elektriciteitsverbruik door elektrificatie van huishoudens en de industrie.
Opslag van energie is bij deze ambities cruciaal om de energiezekerheid te garanderen: voor onbalans-ondersteuning, vraagfluctuaties gedurende de dag, perioden met weinig zon en wind, en voor de winter. Op al deze terreinen wordt gewerkt aan nieuwe oplossingen voor gecentraliseerde en lokale opslag in laagspanningsnetten.
In de kalender van dit jaar belichten we verschillende vormen van energieopslag. Deze zullen samen met energiebronnen in een geïntegreerd systeem moeten functioneren. De realisatie hiervan is net zo’n grote uitdaging als die van de duurzame opwekking en opslag zelf.
In 2030 moet het aandeel decentraal opgewekte energie in Nederland 35 % bedragen. Dat is alleen te realiseren met grootschalige opslag van energie. Het gaat daarbij om opslag voor de korte, en voor de langere termijn.
Voor deze opslag worden veel verschillende technieken ingezet, die ieder specifieke karakteristieken hebben. Elke vorm van opslag heeft een optimale toepassing en kan daarom een eigen rol vervullen in de netten van de toekomst.
De condensator is – in de vorm van de Leidsche Fles – het oudste opslagmedium voor elektriciteit (1745). Die elektriciteit had toen echter niet veel nut. Na de uitvinding van batterij begon pas de opkomst van de elektriciteit.
Later werden in de elektrotechniek alsnog talloze toepassingen voor de condensator gevonden. Ze werden dan ook steeds verder ontwikkeld, wat in de jaren vijftig van de vorige eeuw leidde tot de elektrolytische condensator met een poreuze koolstofelektrode. Deze werd in 1966 verbeterd door een ionisch geleidend elektrolyt met een membraan te gebruiken. Het membraan laat ionen door, terwijl het kortsluiting tussen de elektrodes voorkomt. De anode trekt de negatieve, en de kathode de positieve ionen aan uit het elektrolyt. Er ontstaat bij beide elektrodes een dubbele laag: het elektrochemisch dubbellaageffect. Dit was de supercondensator (EDLC), die tien jaar later op de markt kwam.
In de lithium-ion condensator bestaat de anode uit koolstof materiaal, dat is gedopeerd met lithium-ionen, zoals in een lithium-ion batterij. Hierdoor wordt het een hybride van een supercondensator en een lithium-ion batterij. De condensator kan nu meer energie bevatten dan een supercondensator en deze energie blijft bovendien gedurende langere tijd behouden.
Forze Hydrogen Racing, een studenten-team uit Delft, werkt aan een waterstof-raceauto. Deze wordt aangedreven door een brandstofcel van 240 kW. De rem-energie levert, opgeslagen in Li-ion condensatoren, nog eens 600 kW boost power. Hiermee trekt de 1.575 kg zware Forze in 4 seconden op van 0-100 km/h.
De hoeveelheid energie in een vliegwiel hangt af van zijn toerental, massa en diameter. Wrijvingsverliezen kunnen worden geminimaliseerd door het vliegwiel in een vacuüm te laten draaien. De hoogte van het toerental wordt beperkt door de sterkte van het gebruikte materiaal. Bij zeer hoge toerentallen zijn exotische composietmaterialen nodig, maar bij lagere toerentallen is een ‘eenvoudig’ stalen vliegwiel sterk genoeg. Om dan de energie-opslagcapaciteit te verhogen moet het vliegwiel uiteraard groter en zwaarder worden.
De Kinext van S4 Energy is zo’n vliegwiel. Het toerental is begrensd tot 1.800 toeren/minuut (waar andere vliegwielen tot 60.000 toeren halen), maar het wiel weegt, bij een diameter van 2,8 meter, wel 5.000 kilo. Bij 1.800 toeren bevat de Kinext 30 kWh.
Het vliegwiel wordt aangesloten op een standaard motor-generator die via een variabele frequentiedrive aan het net is gekoppeld. Aangesloten op een synchrone machine draagt de massa van het vliegwiel bij aan fysieke inertie. Het vliegwiel fungeert dan als ‘synchronous condenser’.
Het produceren van de vliegwielen is ondanks hun formaat precisiewerk. Ze worden in delen gesmeed en vervolgens op de grootste carousseldraaibank van de fabriek (joint venture met Boessenkool) in Almelo vervaardigd. Het eerste prototype van Kinext is gebouwd en getest bij KEMA / DNV-GL (inmiddels KEMA Labs) in Arnhem.
S4 Energy levert met Kinext – in combinatie met batterijen – vooral diensten op het gebied van onbalansondersteuning, maar de vliegwielen worden ook ingezet om de netaansluiting of de blindlast te beperken en bijvoorbeeld rem-energie van havenkranen te hergebruiken
Li-ion batterijen bestaan nu ongeveer 25 jaar. Ze maakten met hun hoge energiedichtheid de revolutie in mobiele telefoons en elektrisch rijden mogelijk en worden inmiddels ook ingezet voor gridstabilisatie en de opslag van zon- en windenergie.
Beide elektrodes van een Li-ion batterij hebben een gelaagde atomaire structuur waarin lithium wordt opgeslagen: in de negatieve elektrode (meestal grafiet) met een zwakke en in de positieve (doorgaans een overgangsmetaaloxide) met een sterke chemische binding. In geladen toestand wil lithium naar de positieve elektrode stromen. Omdat het elektrolyt alleen Li-ionen geleidt, stromen de bijbehorende elektronen door het externe circuit, wat stroom levert bij het ontladen. Door een spanning aan te leggen wordt het ontlaadproces omgedraaid zodat de Li-ionen en elektronen weer in de negatieve elektrode gedwongen worden. Het concept is steeds verder geoptimaliseerd, maar het zoeken naar verbeteringen gaat door.
De energiedichtheid kan worden verhoogd, door de elektroden uit te voeren in materialen die meer lithium kunnen opslaan. Voor de positieve elektrode bijvoorbeeld nikkelrijke oxides of lithium-zwavel en voor de negatieve lithium-metaal of silicium. Met silicium spelen enkele Nederlandse startups een belangrijke rol.
De veiligheid kan worden verbeterd door het vloeibare elektrolyt in Li-ion batterijen te vervangen door een vaste stof.
De milieubelasting door de grondstofwinning en productie van batterijen moet worden verminderd. Zo kan lithium worden vervangen door natrium. Na-ion werkt hetzelfde als Li-ion, maar de energiedichtheid is waarschijnlijk wat lager. Voor stationaire toepassingen hoeft dat geen bezwaar te zijn.
De grondleggers van de Li-ion batterij kregen in 2019 de Nobelprijs voor de Scheikunde, maar in feite staan batterijen nog in de kinderschoenen. Ook in Nederland vindt veel onderzoek plaats. In het consortium BatteryNL dat in 2023 van start gaat, zet een groot aantal onderwijsinstellingen en bedrijven zich in voor het ontwikkelen van de volgende generatie batterijen.
Het opslaan van energie door water naar een hooggelegen reservoir te pompen (Pumped Hydro Storage) wordt al meer dan een eeuw toegepast. Nederland is er, bij gebrek aan reliëf, minder geschikt voor, al bracht het Plan Lievense daar in 1981 bijna verandering in.
Het Groningse Ocean Grazer heeft een oplossing ontwikkeld, die in en op de zeebodem kan worden gerealiseerd. Met de Ocean Battery kunnen fluctuaties in de opbrengst van windturbines ter plekke worden opgevangen.
Een Ocean Battery bestaat uit diep in de zeebodem ingegraven betonnen reservoirs die een gesloten systeem vormen met flexibele reservoirs op de zeebodem. Onder de zeebodem bevindt zich de machinekamer, waarin pompen en turbines zijn geïnstalleerd. Het hele systeem maakt gebruik van standaard componenten en constructietechnieken.
Een overschot aan elektriciteit wordt door de Ocean Battery opgeslagen door zeewater van de betonnen naar de flexibele reservoirs te pompen. Bij een tekort stroomt het weer terug en levert het systeem elektriciteit. De machinekamer en de ondergrondse reservoirs vevinden zich op een diepte van 50-100 meter t.o.v. de waterspiegel. Ocean Battery is bij uitstek geschikt voor ondiepe zeeën als de Noordzee.
Rond de constructie op de zeebodem zal zich al snel een kunstmatig rif ontwikkelen, wat een gunstige invloed heeft op de biodiversiteit.
In 2021 is in de Eemshaven een succesvolle proef gedaan. De eerste Ocean Battery zal naar verwachting in 2024 operationeel zijn – in dat geval is het een versie op land, bij een groot zonnepark.
Het smelten van 1 kilo ijs van 0 ºC tot water van 0 ºC kost evenveel energie als het verder opwarmen van dat water tot 80 ºC. De faseverandering kost veel energie, maar kan ook veel energie leveren. Dit komt doordat de watermoleculen bij het bevriezen in een kristalrooster minder beweeglijk worden en daardoor energie kwijtraken.
Door gebruik te maken van materialen met een smeltpunt rond comforttemperatuur kan de klimaatbeheersing van gebouwen zeer efficiënt worden georganiseerd. ’s Zomers wordt de koude van de nacht opgeslagen in phase change material (PCM) om overdag te worden gebruikt voor passieve koeling. ’s Winters wordt de warmte van de zon en de mensen in het gebouw opgeslagen om het gebouw in de nacht warm te houden.
In het glazen Co-Creation Centre van The Green Village in Delft, waarin uiteenlopende onderzoeksprojecten worden getest, wordt de temperatuur geregeld met behulp van circa 2.500 kilo PCM, dat in lamellen in het ventilatiesysteem is opgenomen. Lucht stroomt via het plafond naar een naast het gebouw staande ‘klimaattoren’ met PCM, dat hierdoor stolt of smelt. De gekoelde of verwarmde lucht komt vervolgens het gebouw weer binnen door de geperforeerde vloer. Door de opslag van warmte en koude is het energiegebruik van het Co-Creation Centre is 50 % minder dan dat van een regulier vergelijkbaar gebouw.
Elektrolyse van water om waterstof te maken heeft een rendement van ca. 75 %. Waterstof omzetten in elektriciteit met een brandstofcel heeft een rendement van ca. 40 %. In combinatie blijft zo’n 30 % over. Tenminste, als we alleen geïnteresseerd zijn in elektriciteit en de vrijkomende warmte van 70 °C niet benutten. Maar ook dan kan, bij overschotten van duurzame elektriciteit, waterstof een bruikbaar opslagmedium zijn. Dat kan op zee, om curtailment van windenergie te voorkomen, maar evengoed op lokaal niveau, als lokaal netcongestie optreedt. Voor het eerste is het vooralsnog wachten op grootschalige electrolyse, maar op lokaal niveau zijn er nu al praktische mogelijkheden.
HyMatters biedt oplossingen voor opslag in laagspanningsnetten. Door te voorkomen dat lokaal opgewekte elektriciteit in het distributienet moet worden verwerkt, kan netverzwaring worden uitgesteld of zelfs achterwege blijven. Eén van de oplossingen is een ‘waterstoftrailer’ waarin netinteractie, waterzuivering, elektrolyse, compressie en waterstofopslag zijn gecombineerd. De waterstoftrailer heeft genoeg aan een simpele krachtstroom- en wateraansluiting en kan per dag tot 25 kilo waterstof produceren, waarbij 1.500 kWh wordt geabsorbeerd. Voorlopig levert het systeem waterstof voor verwarmings- of transportdoeleinden, maar met een brandstofcel kan het ’s avonds natuurlijk ook weer energie terugleveren in de vorm van elektriciteit.
Bij tests van Enexis in Drentse netten voldeed het systeem aan alle verwachtingen. Hoge en fluctuerende netspanningen werden teruggebracht tot stabiele spanningen binnen de norm.
Als zoet en zout water langs anion- en kationselectieve membranen stromen (A en K in de tekening), worden positieve natrium- en negatieve chloride-ionen van elkaar gescheiden. Met het potentiaalverschil dat zo ontstaat, kan in een flowbatterij blauwe energie worden opgewekt. Op de Afsluitdijk wordt zo elektriciteit opgewekt met IJsselmeer- en Waddenzeewater.
AquaBattery gebruikt hetzelfde principe om twee soorten zoutwaterbatterijen te bouwen. De BlueBattery bestaat uit twee reservoirs met resp. zout en zoet water en een membraanstack. Zout en zoet water wordt langs membranen gepompt, waarbij brak water ontstaat en elektriciteit wordt geleverd. Als elektriciteit wordt toegevoegd keert het proces om en wordt het brakke water minder zout.
Aan de GreenBattery is een extra bipolair membraan (BP in de tekening) toegevoegd dat onder een elektrisch veld zout water splitst in waterstof (H+) en hydroxide ionen (OH–). Hierdoor ontstaan in combinatie met het zout (NaCl) zoutzuur (HCl) en natronloog (NaOH). Door deze combinatie heeft de GreenBattery in de praktijk een 10 keer grotere capaciteit dan de BlueBattery. AquaBattery zet dan ook vooral in op de GreenBattery.
Beide batterijen zijn onafhankelijk en onbeperkt schaalbaar. Een groter membraanoppervlak vergroot het vermogen, terwijl de hoeveelheid opgeslagen energie eenvoudig kan worden uitgebreid met grotere reservoirs.
De batterijen zijn inmiddels uit de testfase en op dit moment worden demo-projecten gebouwd om de techniek op te schalen. Het is de bedoeling om eind 2024 commercieel te beginnen.
Lokale opslag van thermische energie kan de belasting van zowel elektriciteits-distributie- als warmtenetten beperken. Warmtenetten verminderen in de eerste plaats de elektriciteitsbehoefte voor verwarmen en koelen, en binnen warmtenetten schaaft opslag pieken en dalen in de belasting af. De optimale oplossing vraagt om een geïntegreerde benadering van de verschillende energienetten.
Het aanbod van warmte en koude varieert sterk, zowel op dag- en nachtbasis als op seizoensbasis. Om vraag en aanbod in balans te houden, is opslag essentieel. Water is een uitstekend medium om warmte of koude op te slaan. Een geïsoleerd vat van een paar m3 kan in een huishouden al zijn nut bewijzen, maar voor de opslag van warmte is een zo groot mogelijk vat het meest efficiënt: in een half jaar heeft water van 90 °C dan nog maar 10 % energieverlies.
Ecovat heeft hiervoor een schaalbaar concept ontwikkeld met vaten tot 100.000 m3. Het vat is een gesloten systeem, gevuld met grondwater, dat via warmtewisselaars wordt verwarmd met duurzame warmte zoals proceswarmte van bedrijven, datacenters en zonneboilers. In het grootste Ecovat kan 8 GWh worden opgeslagen, waarmee in de warmte- en koudebehoefte van meer dan duizend woningen kan worden voorzien.
Het water in het vat moet zo weinig mogelijk stromen, zodat de gelaagdheid (stratificatie) van de verschillende temperaturen binnen het opslagvat in stand blijft. Met diffusors op verschillende dieptes kan zo water van verschillende temperaturen worden benut.
Begin jaren zestig ontwikkelde NASA de flowbatterij als energiebron voor een toekomstige maanbasis. Toen die niet doorging, was de flowbatterij voorlopig van de baan. Hij kwam pas weer in beeld, toen duidelijk werd dat de energietransitie alleen kan slagen met grootschalige, en betaalbare opslag van energie.
Een flowbatterij bestaat uit twee tanks en een membraan. De inhoud van de tanks circuleert langs een ionen-selectief membraanpakket, waar uitwisseling van ionen plaatsvindt. Tijdens het (ont)laden verandert hierbij de chemische samenstelling van de inhoud van de tanks, maar omdat het geheel gesloten is, gaat er niets in of uit, behalve elektriciteit. De reactor bepaalt het vermogen, de maat van de reservoirs de hoeveelheid opgeslagen energie. Flowbatterijen kunnen volledig worden ontladen en kennen geen zelfontlading.
Elestor heeft een batterij ontwikkeld op basis van waterstofbromide, bedoeld om een periode tot een week te overbruggen. Omdat er geen zeldzame grondstoffen voor nodig zijn (broom is eenvoudig te winnen uit zeewater) is het een betaalbare vorm van opslag. De batterij bestaat uit een membraanstack en reservoirs met waterstofbromide en waterstof (of een waterstofnet). Tijdens het laden wordt HBr gesplitst in H- en Br-ionen. H+-ionen passeren het membraan, nemen een elektron op en worden als waterstofgas (H₂) opgeslagen. Het broom (Br₂) wordt weer opgelost in dezelfde tank als het HBr. Bij het ontladen wordt uit H₂ en Br₂ opnieuw HBr gevormd, waarbij de elektronen weer vrijkomen.
Vopak en Elestor zijn in 2021 gaan samen‑ werken om de techniek op te schalen naar industriële schaal. De tanks die Vopak wereldwijd bezit, kunnen daarbij dienst doen als reservoirs. De opslag van aardolieproducten kan bij de voortschrijdende energietransitie worden vervangen door opslag van elektriciteit.
Elestor is één van de deelnemers aan het Melody-project, dat met EU-subsidie werkt aan de ontwikkeling van een membraanloze HBr-flowbatterij.
De industrie, verantwoordelijk voor meer dan 50 % van de CO2-uitstoot, kan moeilijk aan de eisen van de Klimaatwet voldoen. De infrastructuur om elektriciteit en/of waterstof te leveren in voldoende hoeveelheden ontbreekt en kan ook niet snel worden gerealiseerd.
Hier kan ijzerpoeder worden ingezet als CO2-vrije brandstof. De roest die bij het verbranden van ijzerpoeder ontstaat, kan met waterstof weer tot ijzer worden gereduceerd. Zo ontstaat een CO2-vrije cyclus, die in principe eindeloos kan worden herhaald, mits de waterstof uit duurzame bronnen is geproduceerd.
Studententeam Solid bouwde – in het Metal Power Consortium met TU/e en MKB-partijen – volgens dit principe in 2020 een proof of principle van 100 kW waarmee drie dagen stoom werd geproduceerd voor bierbrouwerij Bavaria.
In de iron fuel boiler wordt ijzerpoeder verbrand, waarbij temperaturen van 1.500-1.900 ºC worden bereikt. De roest die hierbij ontstaat, wordt in de waterstofreactor geregenereerd tot ijzerpoeder. Afgezien van de iron fuel boiler en de waterstofreactor is alle techniek conventioneel.
Uit Solid kwam de startup RIFT (Renewable Iron Fuel Technology) voort, die nu een 1 MW installatie heeft gerealiseerd voor de stadsverwarming in Helmond. Voor het verwarmen van 500 huishoudens is 140 liter ijzerpoeder per uur nodig (equivalent aan meer dan 89.000 liter aardgas). De roest wordt op de eigen waterstofreactor bij Connectr in Arnhem weer tot ijzerbrandstof gereduceerd. Het is de bedoeling in 2024 in opdracht van Veolia een 5 MW installatie te bouwen.
Ondertussen werkt een nieuwe jaargang studenten van Team Solid aan een installatie waarbij het ijzer niet met vuur, maar met stoom wordt geoxideerd. Hierbij komt waterstof vrij. Zo wordt ijzerpoeder mogelijk een alternatieve opslagmethode voor waterstof.
Industriële restwarmte wordt in veel steden via warmtenetten gedistribueerd als stadsverwarming. Het aanleggen van zo’n warmtenet is kostbaar en de afstand tot de warmtebron mag, in verband met verliezen, niet te groot zijn. Hierdoor blijft veel restwarmte ongebruikt: in Nederland in theorie voldoende voor de warmtebehoefte van meer dan 3.000.000 huizen.
Cellcius, spin-off van TU Eindhoven en TNO, heeft een duurzame techniek ontwikkeld om deze warmte op te slaan in zouthydraat en waterdamp. Bij de warmtebron wordt zout gedroogd, waarna het potentiële energie bevat. Deze energie is onbeperkt houdbaar en zout kan eenvoudig worden vervoerd. Op de plek van bestemming wordt het zout bevochtigd en komt de warmte weer vrij. Dit kan in een lokaal warmtenet zijn, maar ook in een huishouden. Het gehydrateerde zout gaat vervolgens retour naar de warmtebron.
Het principe is al heel lang bekend, maar de capaciteit van zout vermindert na enkele cycli. Cellcius heeft nu een zoutcomposiet ontwikkeld dat stabiel is in cycli van op- en ontladen. Daaromheen is een praktisch modulair systeem gebouwd om de warmte optimaal te kunnen inzetten.
In Limburg start in 2024 een praktijktest. Restwarmte van industrieterrein Chemelot – met temperaturen van 70-150 ºC – wordt in het oplaadpunt opgeslagen in cassettes met zouthydraat, die vervolgens worden vervoerd naar een ontlaadpunt in Sittard-Geleen. Daar wordt voor vijftig huishoudens warmte met een temperatuur van 90 ºC afgeleverd. Op Chemelot is zoveel restwarmte beschikbaar, dat er tienduizenden woningen mee verwarmd zouden kunnen worden.
Phase to Phase is onderdeel van Technolution. © 2009-2024