Energieopslag


Er is een groot belang bij het handhaven van de balans van ons elektriciteitsnetwerk. Door de opkomst van duurzame energieopwekking wordt het aanbod steeds wisselender en is de balans lastiger te behouden, lees hier verder over op de pagina elektriciteit-balanshandhaving. Het kan bijvoorbeeld voorkomen dat de zon een hele dag achter de wolken blijft of de wind volledig gaat liggen, hierdoor is het aanbod op het netwerk te laag. Het omgekeerde is ook mogelijk. De zon is de volledige dag aan het schijnen en de wind is fors, hierdoor is het aanbod op het netwerk groter dan de vraag op dat moment. Het is duidelijk dat een te laag aanbod problemen oplevert, maar een te groot aanbod kan tot congestiew op het net leiden. Dit hoeft echter niet altijd het geval te zijn. Zelfs als de vraag en het aanbod in balans zijn, kan er congestie optreden. Congestie heeft namelijk te maken met hoeveel elektriciteit er door het net kan. Als de vraag en aanbod gelijk zijn maar beiden zo hoog dat het net de elektriciteit niet van de plek van aanbod kan verplaatsen spreekt men van congestie. Om de vraag en het aanbod zo goed mogelijk aan elkaar te kunnen matchen wordt er geprobeerd de vraag op bepaalde momenten te verschuiven of door het aanbod aan te passen. Een van de manieren om het aanbod aan te passen in met opslag. Hierdoor kun je energie opslaan op momenten van lage vraag om deze te gebruiken als het wel nodig is.

Energieopslag technieken

Er zijn verschillende manieren van energie opslag. Al deze technieken hebben hun eigen voor- en nadelen. Hierdoor zijn ze voor verschillende functies geschikt. In figuur 1 worden acht verschillende technieken met elkaar vergeleken. Hiervan zijn de loodzuur, Li-ion, nikkel en natrium elektrochemische batterijen, redoxflow is een flow batterij. Pumped Hydroelectric Storage, Compressed Air Energy Storage en het vliegwiel zijn daarentegen mechanische technieken voor energieopslag.
• Loodzuur, Li-ion, nikkel, natrium en zijn dus allemaal elektrochemische batterijen Het grootste verschil tussen deze batterijen is het materiaal waarvan de anode en kathode zijn gemaakt. Het verschil tussen de conventionele batterijen en de redoxflow batterij is dat is de flow batterij de energie in de elektrolyt wordt opgeslagen i.p.v. als electrode. Deze elektrolyt wordt ook niet opgeslagen rondom de elektrodes, zoals bij de elektrochemische batterijen, maar los hiervan en komt pas in aanraking met de elektrodes als de energie nodig is.
• Het vliegwiel (FES): Flywheel Energy Storage is een techniek waar met elektriciteit een vliegwiel in beweging wordt gebracht, in een vacuüm. Dit vacuüm is nodig om het vliegwiel met zo min mogelijk weerstand te laten draaien, weerstand zou namelijk leiden tot energieverlies. Als de energie weer nodig wordt er een generator aangedreven met de beweging van vliegwiel. Hierdoor kan de energie weer gebruikt worden en is het vliegwiel afgeremd.
• Compressed Air Energy Storage (CAES) is een techniek waarmee elektriciteit wordt opgeslagen door het te gebruiken om lucht samen te persen. Als de elektriciteit weer nodig is wordt de samengeperste lucht gebruikt om een generator aan te drijven.
• Pumped Hydroelectric Storage (PHS) is een techniek waar elektriciteit wordt gebruikt om water omhoog te pompen, bijvoorbeeld naar een hoger gelegen meer. Als de elektriciteit weer nodig is worden de sluizen open gezet en worden generatoren aangedreven door het vallende water. In Nederland is deze techniek niet relevant vanwege het gebrek aan hoogteverschil, lees verder op de pagina over waterkracht.


Figuur 1. Energieopslag technieken. Data uit:Sabihuddin et al. (2015)w

Let op, figuur 1 heeft een logaritmische schaal, het verschil tussen het middelpunt en de eerste cirkel is dus maar 0,99, maar het verschil tussen de buitenste en de een-na-buitenste cirkel is 9000.

LoodzuurLithiumNikkel(NiMH)Natrium(NaS)Flow(VRB)PHSCAESVliegwiel
Specific energy [Wh/kg]29,8143,966,514524,40,8728,558,16
Energy density [kWh/m3]59,629018521321,71,077,1995,16
Specific Power [W/kg]195606408176110,460,0516,136592
Power density [kW/m3]123366,438321,817,960,053,03816,29
Self-discharge rate [%/day]0,330,1581,168,01 - 0,010,0164,61
Cyclelife [cycles]10531018112927717759290001600041100
Scale [MW]10,340,931,5113,13,581542467,721,96
Lifespan [y]8,3310,136,3312,2210,549,23017,5
Efficiency [%]76,989,965,881,577,076,668,389,3
Energy captial cost [USD/kWh]3031,11451387488,157,9435,6712454
Power capital cost [USD/kW]3832,3253621,73624611414649,55296,14

De batterijen en mechanische opslagtechnieken worden op 11 eigenschappen met elkaar vergeleken:
Specific energy beschrijft de capaciteit van de opslagtechniek. Hoeveel Wh kan er opgeslagen worden per kg materiaal. De Li-ion (143,9 Wh/kg) en natrium batterijen (145 Wh/kg) scoren hier het beste op en pumped hydro scoort het laagst (0,9 Wh/kg). Dit is bijvoorbeeld belangrijk voor een telefoon of laptop. Je wilt niet een zware batterij in dit soort apparaten. Deze eigenschap van de Li-ion batterij in combinatie met de lage kosten per opgeslagen kWh (zie energy capital costs) hebben er mede voor gezorgd dat Li-ion batterijen nu in zoveel telefoons en laptops worden gebruikt.
Energy density beschrijft hoeveel energie (W) er per m3 opgeslagen kan worden. In dit opzicht lijkt het dus op de specific energy. Het verschil is echter dat het er hier om gaat hoeveel ruimte een eenheid energie inneemt en bij specific energy werd er gekeken naar hoe zwaar een eenheid opgeslagen energie is. Hier komt de Li-ion batterij weer als beste naar voren (290 kWh/m3). Dit is ook een van de redenen waarom li-ion batterijen zoveel in telefoons en laptops worden gebruikt. Ze zijn klein en licht voor de hoeveelheid energie die ze op kunnen slaan. De laagst scorende techniek in de pumped hydro (1,1 kWh/m3). Het valt dus op dat pumped hydro een ‘zware’ en veel ruimte innemende techniek is. Deze techniek heeft echter wel andere voordelen, die later meer worden toegelicht.
Specific power geeft een indicatie van de vermogen t.o.v. het gewicht van de opslag. Hoe snel kan de opslag volgeladen worden t.o.v. een eenheid gewicht. De term specific power wordt vaker gebruikt bij het vergelijken van auto’s. Welke auto kan per kg gewicht het meeste vermogen produceren. Hoe snel kan een energieopslag techniek zijn energie weer vrijgeven? Op deze eigenschap is de grootste spreiding te zien onder de verschillende techniek. Bij het vergelijken van de opslagtechnieken scoort het vliegwiel hier het hoogst (6592 W/kg) en pumped hydro het laagst (0,1W/kg).
Power density geeft aan wat de dichtheid van het vermogen is. Net zoals het verschil tussen specific energy en energy density is er een verschil tussen specific power en power density. Waar het bij specific power om een eenheid vermogen per kg van de opslagtechniek ging, gaat het hier over het vermogen per m3. Wat is het vermogen van de opslagtechniek t.o.v. de ruimte die de opslagtechniek inneemt? Hier scoort het vliegwiel (816,3 kW/m3) weer het hoogst en pumped hydro (0,1 kW/m3) het laagst. Dit betekent dat het vliegwiel niet alleen snel energie kan leveren voor het gewicht van de techniek maar ook m.b.t. de ruimte die het inneemt.
Self-discharge rate gaat over energieverliezen. Hoeveel procent energie gaat er per dag verloren in opslag. Denk hier bijvoorbeeld aan je telefoon die langzaam leegloopt zelfs als je hem de hele dag niet gebruikt. Pumped hydro en CAES hebben allebei een energieverlies van 0 procent per dag, in tegenstelling tot het vliegwiel, wat een verlies van 64,6% heeft per dag. van de mechanische opslagtechnieken zijn Pumped hydro en CAES dus geschikter voor het opslaan van energie op de lange termijn dan het vliegwiel.
Cyclelife geeft aan hoeveel cyclussen de batterijtechniek aan kan. Hoe vaak kan de opslag volgeladen en daarna weer ontladen worden voordat hij niet meer (goed) werkt? Het vliegwiel heeft het hoogste aantal cyclussen (41100) en de Li-ion batterij kan het laagste aantal cyclussen aan (1018).
Scale (= Power Rating) gaat over het vermogen (MW) van de opslagtechniek . Om een indicatie te geven: minder dat 1 MW wordt gebruikt voor je mobiel en elektrische voertuigen. Tussen de 10 en de 100 MW vermogen wordt gebruikt voor bedrijfspanden en afgelegen gemeenschappen. Een vermogen van meer dan 300 MW wordt ingezet voor bijvoorbeeld energiecentrales. De hoogst scorende opslagtechniek op dit gebied is pumped hydro (1542 MW), de laagste scorende techniek is de Li-ion batterij (0,9 MW).
Lifespan geeft aan hoe lang een batterij gemiddeld meegaat. Dit begrip is natuurlijk verbonden aan het aantal cyclussen, hoe vaker een batterij wordt opgeladen en ontladen hoe sneller de batterij niet meer zal werken. Maar het gaat hier om de gemiddelde levensduur. De hoogste levensduur heeft de pumped hyro (49,2 jaar), de laagst scorende opslagtechniek is de Nikkelbatterij (6,33 jaar).
Efficiency geeft aan hoe efficiënt de energie kan worden omgezet naar opslag en dan weer terug naar gebruik (roundtrip). De efficiëntie van de verschillende technieken liggen redelijk dicht bij elkaar. De laagste efficiëntie is van de Nikkelbatterij (65,8%) en de hoogste efficiëntie heeft de Li-ion batterij (89,9%) en het vliegwiel (89,3%).
Energy capital cost zijn de operationele kosten die gemaakt worden per opgeslagen eenheid energie. De hoogst scorende techniek is het vliegwiel (12454 USD/kWh), de laagste scorende opslagmethode is Li-ion batterij (1,1 USD/kWh).
Power capital cost zijn de operationele kosten die gemaakt worden per eenheid vermogen. De hoogst scorende techniek is de redoxflow batterij (2461 USD/kW), de laagste scorende opslagmethode is de Natrium batterij (1,7 USD/kW).

VertalingEenheidDefinitie
Specific energySpecifieke energieWh/kgOpslagcapaciteit per kg
Energy densityEnergiedichtheidkWh/m3Opslagcapaciteit per kubieke meter
Specific powerSpecifiek vermogenW/kgVermogen per kg
Power densityVermogensdichtheidkW/m3Vermogen per kubieke meter
Self-discharge rateZelfontladingsnelheid%/dayProcent energieverlies per dag
CyclelifeCycluslevensduurCyclesGemiddeld aantal keren van volledige opgeladen naar volledig leeg
Scale = Power ratingVermogenMWVermogen
LifespanLevensduurYearsGemiddelde levensduur
EfficiencyEfficiëntie%Efficiëntie van een roundtrip
Energy capital costEnergie kapitaalkostenUSD/kWhOperationele kosten per opgeslagen eenheid energie
Power captial costVermogen kapitaalkostenUSD/kWOperationele kosten per gebruikte eenheid vermogen

Gebruik opslagtechnieken

Doordat alle technieken dus verschillende scoren op deze eigenschappen zijn ze geschikter of minder geschikt voor bepaalde functies. Dit wordt nu toegelicht aan de hand van drie voorbeelden.
• Seizoenswisselingen, hoger aanbod in de zomer hogere vraag in de winter, kunnen opgevangen worden met opslag. Maar aan welke criteria moet deze opslag voldoen? Om te beginnen moet de energie over een lange tijd opgeslagen worden. Een opslagtechniek met een lage self-discharge rate is dus essentieel. Het tweede belangrijke criterium is de grootte van de opslag. Het gaat hier om grote hoeveelheden energie die voor langere tijd opgeslagen moeten worden. Het is dus ook belangrijk dat deze opslagtechniek op een grote schaal toegepast kan worden. De twee best scorende technieken op self-discharge rate zijn Pumped Hydroelectric Storage (PHS) en Compressed Air Energy Storage (CAES). Deze twee technieken scoren ook het beste op het criteria ‘scale’. Hierdoor zijn deze twee technieken de beste keus voor de opslag van elektriciteit met de functie om seizoenswisselingen op de vangen.
• Huishoudens kunnen zelf gebruikmaken van ‘energieopslag achter de meter’. Op momenten van lage vraag kunnen ze dan de vraag verhogen en energie opslaan in hun eigen huis. Deze energie kunnen ze dan weer gebruiken als de vraag op het net hoog is. Maar welke opslag technieken zouden hiervoor geschikt zijn? Als eerste criterium kun je kijken naar de energiedichtheid van de verschillende technieken. Het moet in een huis passen en ook nog een degelijke hoeveelheid energie kunnen opslaan. Hier scoren de elektrochemische batterijen en het vliegwiel het beste op. Het tweede criteria voor een consument is natuurlijk de prijs. Als er echter gekeken wordt naar de energy capital costs valt op dat het vliegwiel eigenlijk gelijk weer afvalt als mogelijkheid. De andere batterijen zijn ongeveer even duur behalve de Li-ion. Deze is meer dan 300 USD goedkoper per opgeslagen kWh dan de andere elektrochemische batterijen. Het is daarom ook geen verassing dat de thuisbatterij van Tesla, de Powerwallw, een Lithium ion batterij heeft. Voor het gebruik als energieopslag achter de meter zijn deze batterijen echter nog niet aantrekkelijk. Ze kosten te veel ten opzichte van de korting die je bijvoorbeeld krijgt door ‘s nachts energie te gebruiken i.p.v. overdag. Voor het opslaan van eigen opgewekte zonne-energie zou het wellicht een interessantere investering kunnen zijn.
• Zoals wordt uitgelegd op de pagina elektriciteit-balanshandhaving, maakt TenneT onder andere gebruik van regel- en reservevermogen om de balans op het net te handhaven. Voor regelvermogen moet de elektriciteit snel, binnen een kwartier, geleverd kunnen worden. Bij reservevermogen is de tijdsdruk iets minder hoog met een activatietijd van een uur. Het gaat hier dus in eerste instantie over de ontlaadsnelheid van de opslagtechnieken. Als een oplaadtechniek een hoge ontlaadsnelheid heeft betekent dit dat er snel veel energie geleverd kan worden, dus een hoog vermogen. Er moet dus gekeken worden naar de power rating (is het zelfde als scale in #FIGUP#). Hier kun je zien dat zowel PHS als CAES hoog op dit criterium scoren. Ook het feit dat deze technieken een zeer lage self-discharge rate hebben komt goed van pas. Je kunt dat energie lang opslaan en vervolgens snel inzetten als het nodig is.

Balanshandhaving zonder opslag

Er zijn ook methodes voor balanshandhaving zonder het gebruik van opslag. Een voorbeeld hiervan is Demand Responsw. Demand respons heeft als doel de vraag (tijdelijk) aan te passen. Bedrijven kunnen tijdelijk hun productie, en daarmee hun vraag, verminder. Hiervoor worden de bedrijven vergoed. Naast demand respons voor bedrijven kan er door huishoudens ook gebruikt worden gemaakt van verschillende tarieven gedurende de dag en de nacht. Hierdoor zou er een economische stimulans zijn om je elektriciteitsverbruik naar de avond te verplaatsen. Dit zou de piekvraag kunnen verminderen op het net, en in samenwerking met slimme-meters ook nog een voordelige energierekening opleveren.



Bronnen

Sabihuddin et al. (2015)w,

Laatste wijziging: 06-02-2019
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.