Energieopslagsystemen

Bij dit onderwerp hoort het artikel Hadjipaschalis et al. (2009), dat te downloaden is via deze link^w (vanaf TU Delft-computers). Het is niet de bedoeling alle feiten te kennen, maar wel de globale eigenschappen van de opslagmedia, en de relatieve positie van de technieken in figuur 10.

Typen

Energieopslagsystemen kunnen worden onderverdeeld op basis van de vorm waarin de energie opgeslagen is. Hieronder staan de belangrijkste typen.

   Potentiële energie
      gravitatie: stuwmeer, gewichten (klok)
      elektrisch: condensator
      chemisch: accu, batterij, waterstof, biomassa, bioethanol
      mechanisch: veer, luchtdruk
   Kinetische energie
      macroscopisch: vliegwiel
      microscopisch: warmte
   Massa: nucleaire energiedragers

Chemische en elektrische energie staan vermeld onder potentiële energie, omdat het hierbij in wezen om krachtvelden gaat, net als bij zwaarte-energie. Een elektron in een condensator heeft elektrische energie vanwege het elektrische veld waarin het zich bevindt. Ook de energie in chemische bindingen, die bijvoorbeeld bij verbranding vrij kan komen, is het gevolg van het (ook weer) elektrische veld binnen de moleculen. Na verbranding bevatten de verbrandingsproducten samen minder van deze potentiële energie dan ervoor.

In fossiele en nucleaire brandstoffen is uiteraard ook energie opgeslagen, maar deze worden eerder gezien als energiebron dan als energieopslag.

Systeemkenmerken

Een energieopslagsysteem heeft kenmerken met betrekking tot het opladen, de opslag zelf en het gebruik.

Opladen
$P_S$	vermogen	W
$η_S$	rendement	—
Opslag
$C$	capaciteit	J, kWh
$V$	volume	m³
$m$	massa	kg
$P_L$	verlies	W
Gebruik
$P_U$	vermogen	W
$η_U$	rendement	—
Systeem als geheel
$η$	totaal rendement	—
$n$	maximum aantal cycli	—

(In deze tabel staan de subscripten S, L en U voor respectievelijk storage, loss en usage.)

De vermogens en de capaciteit worden vaak gegeven per volume of per massa, uitgedrukt in bijvoorbeeld MJ/m³ of kWh/kg.

Het verlies tijdens de opslag is meestal afhankelijk van de opslagtijd: een batterij die vanzelf ‘leegloopt’, een vliegwiel dat door wrijving langzamer gaat lopen, een stuwmeer waar water uit verdampt, waterstof dat door de vatwand wegdiffundeert. In andere gevallen is er energie nodig tijdens de opslag, zoals bij het gekoeld opslaan van waterstof.

Het totale rendement wordt bepaald door de rendementen bij opladen en gebruik, maar ook door het verlies tijdens opslag. In een pompcentrale hebben de pompen een verlies, van het opgepompte water verdampt een deel, en de generatoren waarmee weer elektriciteit wordt gemaakt, hebben vervolgens opnieuw een verlies. Het totale rendement is dan de energie die teruggewonnen wordt, gedeeld door de energie die daarvoor totaal nodig was.

Voorbeeldvragen

Pompcentrale

In een pompcentrale wordt water met een mechanisch rendement van 95% omhoog gepompt naar een hoogte van 100 m. In de zomer verdampt dagelijks 5,0 mm water uit het stuwmeer, dat een oppervlak van een halve vierkante kilometer heeft. Op een bepaalde dag wordt een miljoen m³ water opgepompt. Twee dagen later wordt het hiervan resterende water gebruikt voor elektriciteitsopwekking. De generatoren hebben een rendement van 92%. Hoeveel bedraagt het totale rendement van deze installatie in deze situatie?

Accu versus vliegwiel

Vergelijk de opslag van energie in de accu van een mobieltje met die in een vliegwiel in een stadsbus (bedoeld om remenergie op te slaan) op de systeemkenmerken die in deze module aan de orde zijn geweest. Gebruik de kwalificaties ‘veel groter’, ‘groter’, ‘ongeveer gelijk’, ‘kleiner’, ‘veel kleiner’ en ‘onbekend’ en leg de keuze uit.