Hoe kunnen we onze elektriciteit opslaan?

Om de verhoging van de CO2-concentratie tegen te gaan, is het hoog tijd om over te schakelen naar duurzame energiebronnen. Helaas hebben die vaak een groot nadeel: de productie hangt af van externe omstandigheden en het is bijgevolg zeer moeilijk om het aanbod en de vraag op elkaar af te stemmen. Een volledig groene elektriciteitsproductie is dus enkel mogelijk als we over een slim energienet beschikken, waar opslag en buffering een substantieel deel van uitmaken. Momenteel is er in België amper opslagcapaciteit. De enige noemenswaardige installatie is het spaarbekken van Coo-Trois-Ponts, dat geenszins volstaat om langere periodes te overbruggen. Een uitbreiding van de opslagmogelijkheden dringt zich dus op, maar hiervoor zijn in België weinig mogelijkheden beschikbaar.

De belangrijkste vereiste om het elektriciteitsnetwerk draaiende te houden is dat het aanbod op ieder moment gelijk moet zijn aan de vraag. Vroeger was dit relatief eenvoudig: het verbruik van gezinnen en fabrieken is vrij goed te voorspellen en je kan dus lang genoeg op voorhand je centrales opstarten. In de huidige situatie, met een steeds groeiend aandeel hernieuwbare bronnen, is dat veel moeilijker: het inschatten van de opbrengst van bijvoorbeeld wind- en zonne-energie is niet zo evident. De productie van elektriciteit gebeurt lang niet altijd op momenten dat het goed uitkomt. Wat als ‘s nachts, wanneer het verbruik het laagst is, de wind plots opsteekt en zorgt voor een verhoogde productie? Waar moet je elektriciteit vandaan komen als ‘s middags een grote wolk je zonnepanelen uitschakelt?

Opslagmogelijkheden voor elektriciteit kunnen hier te hulp komen. Het basisidee is eenvoudig: op momenten met een elektriciteitsoverschot sla je energie op die je later weer kan gebruiken om tekorten weg te werken. In dit proces gaat helaas altijd een deel van de energie verloren, een rendement van 100% is immers onmogelijk. Hoe kan zo’n centrale, die gewoon een hoop energie verloren laat gaan, toch economisch rendabel zijn? Een belangrijke rol hierin zijn de variërende elektriciteitsprijzen doorheen de dag. Mensen met een dubbele meter kennen dit principe: elektriciteit is ‘s nachts beduidend goedkoper dan overdag. Op een hoger niveau, waar de producenten zich bevinden, liggen die prijzen vaak nog veel verder uit elkaar. Prijzen op dalmomenten kunnen dan tot drie keer lager zijn dan tijdens piekmomenten1. Door elektriciteit op te slaan op die goedkope momenten en later weer te verkopen aan veel hogere prijzen kan men dus winst maken, ook al verlies je in dat proces een substantieel deel van de energie.

Het kan dus economisch zeer aantrekkelijk zijn om opslagcapaciteit te bouwen. Helaas is de praktijk niet zo simpel. Opslagtechnieken zijn vaak duur, technisch moeilijk uit te voeren en niet krachtig genoeg om voor een behoorlijke voorraad te kunnen zorgen. Er is dus nog verder onderzoek nodig naar mogelijke manieren om energie op een degelijke manier tijdelijk op te slaan. We sommen de mogelijkheden die op dit moment bruikbaar zijn even op.

Een methode die al enkele decennia gebruikt wordt is de opslag in waterbekkens. Op momenten wanneer de productie hoger ligt dan het verbruik, wordt het overschot aan energie gebruikt om water omhoog te pompen. Later – bij een tekort aan elektriciteit – loopt het water terug naar beneden langs turbines. Het rendement van de totale operatie bedraagt ongeveer 80%2.

Wereldwijd voorzien waterbekkens momenteel in nagenoeg alle opslagcapaciteit. Binnen België is het potentieel echter beperkt: twee vereisten voor een goede installatie zijn een voldoende hoogteverschil en voldoende watervolume in de bekkens. Beide zaken zijn amper aanwezig in het relatief vlakke België. De eerder genoemde centrale van Coo-Trois-Ponts is het enige noemenswaardige opslagbekken in ons land. Deze installatie kan gedurende vijf uur een vermogen van 1,1 GW leveren en slaat dus iets meer dan 5 GWh op. Ter vergelijking: de drie kernreactoren in Tihange leveren ongeveer 3 GW. De centrale is dus in staat om een aanzienlijk deel van de nucleaire productie op te vangen. Dat is ook de reden van de bouw van deze installatie: kerncentrales leveren continu hetzelfde vermogen. Aangezien het stilleggen van zo’n centrale zeer moeilijk ligt, was het een betere optie om een opslagbekken te bouwen dat elektriciteitsoverschotten kon opvangen. Coo-Trois-Ponts is dus niet gebouwd met hetzelfde doel als de centrales die nu gepland worden – het opvangen van productieschommelingen – maar wordt daar nu natuurlijk wel voor ingezet.

Een andere bekende opslagmethode is de opslag in batterijen. Hierbij wordt de elektrische energie omgezet in chemische energie en zo gestockeerd. Batterijen bestaan in een uiteenlopende reeks varianten, met rendementen die oplopen tot 90%3. Deze manier van opslaan lijkt dus heel aantrekkelijk. Waarom worden er dan niet overal batterijgroepen geplaatst? Een belangrijke reden is de lage energiedichtheid van batterijen: een gewone autobatterij kan slechts 0,03 kWh per kilogram opslaan. Om een idee te geven van die hoeveelheid: voor benzine – energie die miljoenen jaren geleden opgeslagen werd – ligt die waarde bijna 500 maal hoger. Installaties om energie in batterijen op te slaan moeten dus gigantisch zijn. Nieuwere types batterijen doen het tot twintig keer beter dan autobatterijen, maar het prijskaartje is dan ook navenant.

Toch kunnen batterijen in de toekomst nog belangrijk worden: de laatste jaren maakt het onderzoek naar betere batterijen grote vorderingen, onder meer door de opkomst van elektronische gadgets. Langzaam maar zeker duiken dan ook steeds meer grote installaties op. De batterijgroep met de grootste capaciteit bevindt zich momenteel in China. Deze opstelling kan 36 MWh aan elektriciteit opslaan, maar heeft daar wel een hal ter grootte van een voetbalveld voor nodig. Het kostenplaatje bedroeg ongeveer een half miljard euro4.

Een creatief idee is het gebruiken van de batterijen van elektrische wagens als één grote batterij. Voorlopig verouderen die batterijen wel sterk door voortdurend op- en ontladen waardoor ze bij het gebruik van zulke systemen vroegtijdig vervangen zouden moeten worden. Een beter alternatief is dan wat men actieve vraagsturing noemt. Hierbij wordt de auto wel opgeladen op momenten die gunstig uitkomen, maar zal deze energie niet gebruikt worden om terug aan het net te voeden. Actieve vraagsturing zorgt ervoor dat batterijen steeds met de goedkoopste elektriciteit opgeladen worden, een zeer interessant systeem voor de eigenaars.

Aangezien de enige vereiste voor batterijopslag voldoende plaats is, zijn installaties in België ook een mogelijkheid. Men moet dan wel bereid zijn enorme investeringen te maken en waardevolle industriegrond op te offeren, in ruil voor slechts een beperkte opslagcapaciteit.

Samengeperste lucht kan ook gebruikt worden als opslagmedium. Dit principe werd tientallen jaren geleden al toegepast in mijnen, waar andere energiedragers voor problemen zorgen. Mijntreintjes werden dan voorzien van drukvaten en bewogen zich voort op perslucht. Op grotere schaal is het echter niet langer mogelijk om met drukvaten te werken: we moeten dan overgaan naar opslag in ondergrondse, al dan niet natuurlijke holtes. Voorlopig zijn er enkel nog maar testinstallaties actief in Duitsland en de VS, waarbij rendementen van slechts 50%5 gehaald worden. Nieuwe ontwikkelingen beloven wel verbetering op dat vlak, maar voorlopig is dat toekomstmuziek. Verschillende wetenschappers zijn het er wel over eens dat, na het verbeteren van het rendement, persluchtopslag een belangrijke rol zal spelen.

Voorlopig is er in België weinig onderzoek naar mogelijke locaties voor persluchtopslag. Het is dus moeilijk om het potentieel in te schatten.

Waterstof werd enkele jaren geleden nog gezien als een mirakeloplossing voor de energieproblematiek. Het kan zonder vervuiling geproduceerd worden uit water, voor langere tijd opgeslagen worden en gebruikt worden als brandstof in auto’s. Vandaag de dag zien echter weinigen waterstof nog als een waardig alternatief. Er bestaan verschillende verklaringen voor deze stille dood. Ten eerste is het rendement van het proces niet zo geweldig. Bij het produceren van waterstof gaat namelijk tot de helft van de energie verloren. Ook de opslag blijkt uiteindelijk niet zo triviaal te zijn en vereist gigantische investeringen in infrastructuur. Bij auto’s worden de eigenschappen van waterstof ondertussen geëvenaard door batterijen. Conclusie: het lijkt onwaarschijnlijk dat waterstof in pure vorm nog een fundamentele rol zal gaan spelen bij het opslaan van energie. Momenteel lijkt het wel een rol te kunnen spelen in methanisatie, de kunstmatige productie van aardgas. Dat proces wordt momenteel overwogen door Duitsland, dat regelmatig met enorme overschotten windenergie zit. Het totale rendement ervan ligt bedroevend laag, maar in tegenstelling tot waterstof is er voor aardgas wel al een uitgebreide opslag- en transportinfrastructuur aanwezig, waardoor het geheel weer interessant wordt. Aardgas is ook veel eenvoudiger te gebruiken in auto’s.

Bovenstaande opties zijn slechts een greep uit het totale aanbod van technieken die op stapel staan om energie op te slaan. Behalve waterstof zijn het wel degene waarvan gedacht wordt dat ze in de toekomst een substantiële rol gaan spelen. Toch is het steeds moeilijk om de toekomst in te schatten: methodes die vandaag de dag economisch niet te verantwoorden zijn, kunnen dat morgen misschien wel zijn. Methanisatie is daar een voorbeeld van: zo’n idee was tot voor kort ondenkbaar. Door veranderingen in het energielandschap, in dit geval de explosie van windenergie, treedt het opeens toch op de voorgrond. De tijd zal dus uitwijzen welke methode overwint. Eén ding is zeker: zonder degelijke opslag is een volledig duurzame energievoorziening onmogelijk.

Jomme Vrolix
info@yera.be

Bronnen:
Belpex, “The Market Today”
Electricity Storage Association, “Pumped Storage”
Muller, R.A., “Energy Storage” in Energy for Future Presidents, New York, W.W. Norton, 2012
Shanan Z, “China & BYD Launch Largest Battery Energy Storage Station in World”
Elmegaard, B. en Brix, W., “Efficiency of Compressed Air Storage”, DTU Technical University of Denmark

Skills

Posted on

28/08/2015

1 Comment

  1. Duidelijk artikel, bedankt!

    Reply

Submit a Comment

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *