Electriciteits opslag en windturbines

Zon en wind worden gezien als duurzame, groene energie-bronnen voor de toekomst, en terecht vindt er op dat gebied in de wereld veel ontwikkeling plaats. Een probleem is nog dat de zon niet 24 uur per dag schijnt en dat ook de wind niet altijd waait. Daarbij komt dat ook de behoefte aan electriciteit juist groot is als de zon niet schijnt ('s avonds en 's nachts) en windturbines bij lage windsnelheden maar ook bij hoge snelheden (storm) niet kunnen werken. Aangezien eenmaal opgewekte electriciteit meteen moet worden gebruikt en slecht te bewaren is wordt er hard gewerkt aan methoden om de electriciteit ook op grote schaal 'bewaarbaar' te maken. Dit staat ook wel bekend als het 'smart' maken van het electriciteits-net. Wij vinden het heel vanzelfsprekenddat het licht in ons huis aan gaat als we de knop omdraaien, maar in feite voltrekt zich, steeds als we dit doen, een klein wonder: we krijgen instantaan electriciteit toegevoerd vanuit een onzichtbare bron (de electriciteits-centrale) die daar onmiddellijk moet worden opgewekt. Het zal duidelijk zijn dat, als iedereen in Nederland op hetzelfde moment het licht aan doet, de centrales ook onmiddellijk veel harder moeten werken om aan de plotseling toegenomen vraag te voldoen. Als dit niet lukt krijgen we 'brown-outs' of zelfs een 'black-out'. Electriciteits-opslag moet de pieken en dalen in electriciteits-aanbod en -vraag afvlakken, zodat een ongestoorde werking van het net ontstaat.

Iedereen kent de oplaadbare batterij, zoals de Lood-accu uit de auto of de Nikkel Metaal Hydride of Lithium-ion batterij uit kleinere apparaten, bijvoorbeeld laptops, GSM's of digitale camera's. Om grote hoeveelheden electrische energie (van de orde van vele MWatt.uren) op te slaan zijn deze batterijen veel te duur, te groot en in-efficient (beperkt in aantal laad-ontlaad cycli). Methoden die wel in aanmerking komen om grote hoeveelheden electiciteit op te slaan zijn:

1. Oppompen van water naar grote hoogte en de aldus opgespaarde energie in electriciteit omzetten via water-turbines (hydro-electriciteit).
2. Samenpersen van lucht in grote tanks of ondergrondse holtes en de opgespaarde energie terugwinnen via perslucht-turbines (pneumatische electiciteit).
3. Een vliegwiel snel laten roteren en via een dynamo electriciteit terugwinnen
4. Via een electrochemische reactie opslaan en chemisch terugwinnen (electrochemische batterij).

De efficiency van deze methodes varieert van ca 95% (water of vliegwiel) tot ca. 75% voor samengeperst gas. In het laatste geval gaat energie verloren doordat bij samenpersen van lucht veel warmte wordt opgewekt die verloren gaat en dus niet kan worden teruggewonnen (ref 1).

Een toepasing die in opkomst is voor middelgrote electriciteits opslag is het vliegwiel. Door een zware metalen ring met ultrasterke koolstof-fiber spaken te verbinden met een magnetische wiel-naaf en het geheel in een vacuum zeer snel aan het roteren te brengen (10,000 tot 25,000 RPM) kan een kinetische energie van 100 tot 500 KW.uur worden opgeslagen en weer worden vrijgemaakt als electriciteit door met het vliegwiel een dynamo aan te drijven. De nodige investering is vrij laag, circa 300 tot 500 Euro per KW.uur, maar een zorg is nog de veiligheid. Bij ongelukken met exploderende vliegwielen zijn meerdere technici omgekomen en veilige werking over vele jaren moet eerst wel worden gegarandeerd voor deze methode op grotere schaal kan worden gebruikt.

Hydro-electrische en samengeperste lucht opslag zijn economishe methoden om grote hoeveelheden energie op te slaan, maar zijn afhankelijk van de lokale geologie (aanwezigheid van bergen met een hooggelegen stuwmeer of natuurlijke ondegrondse holtes die volledig luchtdicht moeten zijn en waarin veilig samengeperste lucht onde hoge druk kan worden opgeslagen. In Nederland zijn deze condities niet aanwezig dus komen deze methoden voor ons niet in aanmerking.

Industriele batterijen gebaseerd op NatriumSulfide zijn op meerdere plaatsen in de wereld in gebruik om grote hoeveelheden electriciteit op te slaan en later weer aan het net terug te geven: in Japan en de VS (bij American Electric Power in Columbus, Ohio) (ref 2). In Europa zijn, zover mij bekend, geen grootschalige opslag faciliteiten van electriciteit voorhanden.

Voor de Verenigde Staten is de toestand van vandaag goed bekend en beschreven in rapporten van het MIT, o.a. van de hand van professor Bernard Lee (ref 3). Het amerikaanse electriciteits-net heeft een capaciteit van ruim 1000 GigaWatt en vervoert circa 4500 TeraWatt.uur energie per jaar. De meeste electriciteit wordt ogewekt met kolen-gestookte centrales en kern-centrales. Daarnaast is er 7% hydro, 2% gasgestookte centrales en circa 2.5% wind- en zonne-energie. Omdat gasgestookte centrales redelijk snel kunnen reageren op piek-vraag fungeren deze centrales nu als de stabiliserende factor in ons net.

Als de bijdrage van zon en wind in de toekomst veel groter wordt (er wordt gemikt op 20% in 2025) ontstaat een heel nieuwe situatie. Zonder maatregelen zal ons elctriciteits-net instabiel worden en zullen 'brownouts' en 'blackouts' tot de dagelijkse praktijk gaan behoren, met alle schade daarvan als gevolg.

Omdat wind en zon niet altijd electriciteit kan genereren moet er ongeveer drie keer zoveel capaciteit worden gebouwd als er nominaal nodig is, dus circa 300 MWatt capaciteit om 100 MWatt te leveren. De daarbij horende opslag-capaciteit moet 6 tot 8 uur energie kunnen leveren, circa 400 Mwatt.uur opslag. Voor de hele Verenigde Staten bedraagt de benodigde opslag-capaciteit circa 110 GigaWatt.uur, een formidabele batterij!

Bijgaand een plaatje van een Natrium Sulfide batterij met een capaciteit van 9,6 MWatt voor 6 uur. De installatie vergt een investering van circa 20 Millioen Euro. Een snelle berekening geeft aan dat, als in Europa 20% van de energie via windturbines en zonnepanelen wordt opgewekt (20% van de huidige 900 GigaWatt capaciteit in heel Europa is 180 GigaWatt), er een opslagcapaciteit van circa 700 GigaWatt.uur moet worden gebouwd. Dit zou een investering van ruwweg 1400 Miliard Euro vergen, tenzij de kosten van deze technologie sterk omlaag kunnen.

Referenties:

[http://www.aep.com/newsroom/newsreleases/default.aspx?dbcommand=displayrelease&ID=956]

[http://www.pewclimate.org/docUploads/10-50_Berry.pdf]

[http://portal.acs.org/portal/PublicWebSite/policy/acsonthehill/briefings/electricity/CNBP_022404]