SustainaWeekly - Oplossingen en technieken voor energieopslag

Economie: Energieopslagtechnieken zijn essentieel om de Net Zero-doelstellingen te halen door de stabiliteit van het net te garanderen naarmate het aandeel hernieuwbare energie in de energiemix toeneemt. Waterkracht met pompaccumulatie, elektrochemische batterijen en groene waterstof behoren tot de breed toepasbare schaalbare technologieën. Hoewel thermische en mechanische opslag veelbelovend zijn, vooral voor langdurige opslag, hebben ze tijd nodig om schaalbaar te worden.

Sector: In 2022 was de klimaatsector industrie de grootste energieverbruiker met een aandeel van 32% van het totale eindverbruik van energie. Nog steeds wordt de energiemix van de klimaatsector gedomineerd door fossiele brandstoffen, vooral aardgas en olie. Tot nu toe verloopt de overgang naar meer hernieuwbare energie nog traag; dit geldt eigenlijk ook voor de algehele vergroening van de sector, maar er zijn duurzame stappen gezet.

ESG in figuren: In een vaste rubriek van ons weekblad presenteren we een aantal grafieken over enkele van de belangrijkste indicatoren voor ESG-financiering en de energietransitie.

Energie besparen voor de donkerste koude nachten

• Energieopslagtechnieken zijn essentieel om de Net Zero-doelstellingen te halen door de stabiliteit van het netwerk te waarborgen met een groter aandeel hernieuwbare energiebronnen in de energiemix

• Waterkracht met pompaccumulatie, elektrochemische batterijen en groene waterstof behoren tot de breed toepasbare technologieën voor opslag op netwerkschaal vanwege hun kostenefficiëntie en overheidssteun

• Andere technologieën zoals thermische en mechanische opslag zijn veelbelovend, vooral voor langetermijnopslag, maar ze hebben tijd nodig om schaalbaar te worden

• Hoe langer het duurt om de benodigde opslagcapaciteit op te bouwen, hoe langer er aardgas nodig zal zijn om de stroomtoevoer af te vlakken en het net te stabiliseren, en hoe langer Europa kwetsbaar zal zijn voor de toevoer van aardgas

Energieopslagtechnieken verwijzen naar het gebruik van technologieën voor energieopslag die zijn aangesloten op het elektriciteitsnet om overtollige energie op te slaan wanneer de vraag laag is of het aanbod hoog en deze terug te leveren aan het elektriciteitsnet wanneer dat nodig is. Het speelt een rol bij het stabiliseren van het elektriciteitsnet.

Naarmate er meer wordt geïnvesteerd in hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie, worden de elektriciteitssystemen steeds kwetsbaarder door hun intermitterende aard. Hoe groter het aandeel van hernieuwbare energiebronnen in de energiemix, hoe groter de behoefte aan meer opslagcapaciteit. Daarom wordt verwacht dat opslag een essentiële rol zal spelen in de energietransitie door het net en de energiemarkten zekerheid en flexibiliteit te bieden. Deze rol wordt door verschillende landen erkend, zoals blijkt uit de onderstaande figuur, die een groeiend aandeel hernieuwbare energie in de wereldwijde energiemix laat zien (linker figuur), in combinatie met een toename van de investeringen in opslagcapaciteit (rechter figuur).

Het eerste waar je aan denkt bij energieopslag is het gebruik van elektrochemische batterijen. Andere (innovatieve) oplossingen om energie op te slaan zijn ook in opkomst met een aantal veelbelovende technologieën. Deze analyse gaat in op recente ontwikkelingen in energieopslagtechnologieën, de bijbehorende voor- en nadelen en hun mogelijke rol in de transitie.

Elektrochemische batterijen

De afgelopen jaren zijn er nieuwe generaties elektrochemische batterijen op de markt gekomen die qua kosten en efficiëntie concurrerender zijn geworden, zoals lithium-ion batterijen, die op grote schaal worden gebruikt voor de elektrificatie van eindsectoren, zoals transport. Wat betreft de opslag op netniveau wordt de haalbaarheid van grootschalige batterijen steeds groter en vindt deze al plaats. Bijvoorbeeld de Moss Landing Energy Storage Facility in Californië, met 300 MW, en de Hornsdale energiereserve in Zuid-Australië, met een capaciteit van 150 MW.

Bovendien worden er andere opslagoplossingen voorgesteld en gepromoot die gebruik maken van de accu's in elektrische voertuigen (EV's), door gebruik te maken van het zogenaamde bi-directionele opladen. Het concept is gebaseerd op de mogelijkheid om toegang te krijgen tot de energie die is opgeslagen in EV-batterijen door deze terug te voeren naar het elektriciteitsnet wanneer dat nodig is. Bi-directioneel opladen is gebaseerd op het optimaliseren en beheren van de tijd van het (ont)laden van EV-batterijen die zijn aangesloten op het elektriciteitsnet. Dienovereenkomstig worden deze batterijen opgeladen wanneer er een overaanbod is van hernieuwbare energie en ontladen wanneer de vraag piekt of wanneer hernieuwbare energie stopt of overbodig is. Meer details over bi-directioneel laden zijn te vinden in onze eerdere SustainaWeekly van 8 mei.

Eén van de grootste nadelen van elektrochemische accu's is hun kwetsbaarheid voor degradatie naarmate de tijd verstrijkt, omdat ze afhankelijk zijn van chemische processen die na verloop van tijd hun effectiviteit verliezen. Bovendien maakt het feit dat deze accu's regelmatig moeten worden gebruikt om hun werkzaamheid te behouden ze ongeschikt voor langdurige opslag. Bovendien hebben deze batterijen een negatieve impact op het milieu door de uitstoot die gepaard gaat met de productie/winning van materialen zoals lithium en andere mineralen. Deze metaal zijn schaars of worden als 'kritiek’ voor de groene transitie beschouwd. Bijgevolg zijn de kosten van deze batterijen gevoelig voor de prijzen van deze mineralen, wat hun kosten kwetsbaar maakt voor elke ontwikkeling op de mineralenmarkten.

Waterkracht met pompaccumulatie

Ook wel waterbatterijen genoemd. De naam zegt het al: deze technologie maakt gebruik van een overmaat aan hernieuwbare energie om water op te pompen en zo waterreservoirs achter dammen of watervallen te vullen. Het water wordt vervolgens vrijgelaten om elektrische turbines in beweging te brengen die stroom opwekken wanneer dat nodig is. Volgens het IEA zal dit type opslag een groot deel uitmaken van de nieuwe investeringen in waterkracht in Europa en China.

Deze technologie is geschikt voor langdurige opslag en de operationele kosten zijn vrij laag als de initiële infrastructuur eenmaal is aangelegd. Er zijn echter veel specifieke kenmerken en uitdagingen die de toepassing van deze technologie beperken. Zo kan hydro-opslag niet overal worden toegepast, maar is het alleen levensvatbaar in regio's met overvloedige waterbronnen en hooggelegen landschappen of bergen. Bovendien zijn hydroprojecten kapitaalintensief voor de initiële infrastructuur, wat voor sommige landen onbetaalbaar kan zijn.

Thermische energieopslag

Er zijn verschillende technologieën voor deze vorm van opslag die voornamelijk verschillen in het materiaal dat wordt gebruikt om energie op te slaan, maar het concept is hetzelfde: overtollige warmte of hernieuwbare energie wordt omgezet in warmte die vervolgens wordt opgeslagen met behulp van verschillende materialen, en de warmte wordt weer omgezet in elektriciteit die terug wordt geleverd aan het net wanneer dat nodig is. Thermische opslag gebeurt onder gecontroleerde omstandigheden en specificaties die het lekken van warmte minimaliseren, met geen of een zeer laag dagelijks verlies. Deze technologieën kunnen dus warmte gedurende lange tijd behouden. Overtollige hernieuwbare energie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een reeks bakstenen op te warmen tot hoge industriële temperaturen, zoals is bereikt in een proefproject van een startup in de VS die bakstenen gebruikt als gemiddeld materiaal om dagenlang warmte op te slaan met een dagelijks verliespercentage van 1% (zie hier voor meer informatie). Een ander voorbeeld is het gebruik van zand om warmte op te slaan in een goed geïsoleerde container met warmtebuizen en deze warmte later te gebruiken om energie op te wekken. In Finland was een start-up in staat om een relatief goedkope zandbatterij te bouwen met een maximale capaciteit van 8 MWh aan thermische energie, die ongeveer 200kW aan vermogen teruggeeft. Door de zeer nauwe isolatie die in de batterij is gebruikt, kan deze maandenlang warmte vasthouden bij zeer lage temperaturen (zie hier voor meer informatie).

De hierboven genoemde technologieën voor thermische opslag zijn veelbelovend om opgeschaald te worden naar opslag op netniveau. De goedkope en overvloedige aard van hun materiaalinput is in hun voordeel vergeleken met materialen die nodig zijn voor elektrochemische batterijen. Zandbatterijen zijn bijvoorbeeld tot 10 keer goedkoper dan hun lithium-ion tegenhangers. Een nadeel van zandbatterijen is echter dat ze tot 10 keer minder energie besparen voor hetzelfde volume-eenheid dan lithiumbatterijen. Een ander nadeel van thermische batterijen is het omzettingsverlies van warmte terug naar stroom, dat in dit stadium nog hoog is. Een tussenoplossing zou kunnen zijn om de overtollige warmte terug te leiden en te gebruiken voor centrale verwarming of industriële verwarming.

Groene waterstof

Groene waterstof wordt gemaakt met behulp van hernieuwbare energie door de watermoleculen te scheiden via het elektrolyseproces met behulp van elektrolysers. De belangrijkste voorwaarde om waterstof als 'groen' te bestempelen is het gebruik van hernieuwbare elektriciteit om het te produceren. Binnen Europa, en zelfs wereldwijd, is het de bedoeling dat groene waterstof een prominente rol gaat spelen in energieopslag als energiedrager. Europa heeft een ambitieuze strategie opgezet om investeringen in de waardeketen van groene waterstof te stimuleren, zoals het versterken van de capaciteit voor hernieuwbare energie, het spelen van een leidende rol in de productie van elektrolysers en het streven om de vraag naar groene waterstof vanuit sectoren die lastig te decarboniseren zijn te stimuleren.

Groene waterstof heeft veel voordelen. In vergelijking met andere opslagalternatieven is groene waterstof geschikt voor langdurige opslag (bijvoorbeeld seizoensopslag). Het kan ook worden gebruikt als grondstofbrandstof voor veel sectoren en kan van de ene plaats naar de andere worden getransporteerd zonder gebruik te maken van het elektriciteitsnet door hergebruikte gaspijpleidingen te gebruiken, die de druk op het elektriciteitsnet verlichten om elektriciteit te transporteren naar waar het nodig is zonder het elektriciteitsnet uit te breiden. Toch is het hoge conversieverlies bij groene waterstof nog steeds een groot nadeel. Daarnaast vormen de onvolkomenheden in de technologie 1) en de markt een belemmering voor private investeringen op schaal.

Mechanische batterijen

Eén vorm van mechanische opslag is gebaseerd op de fysica van de zwaartekracht. Het idee is eenvoudig: gebruik goedkope hernieuwbare elektriciteit, wanneer het aanbod te groot is, om gewichten omhoog te tillen, en gebruik deze kracht terug in tijden van grote vraag en prijsstijging door deze gewichten te laten vallen en een generator aan te drijven met de neerwaartse zwaartekracht.

Het voordeel van deze technologie is de opslagduur. Door zijn aard kan dit soort opslag beschouwd worden als een langetermijnopslag. Een ander voordeel van zwaartekrachtopslag is dat de energie bijna onmiddellijk wordt ontladen, wat tijd bespaart in vergelijking met andere alternatieven en het geschikt maakt om de balans van het elektriciteitsnet te handhaven (zie hier voor meer informatie). Een nadeel van deze technologie is dat er mechanische onderdelen kapot kunnen gaan. De mogelijke repareerbaarheid van de fysieke onderdelen van opslag op basis van zwaartekracht verlengt de levensduur echter tot 50 jaar, wat beter is dan andere technologieën zoals elektrochemische.

Sommige andere mechanische opslagtechnologieën maken gebruik van energie uit hernieuwbare bronnen om lucht/gas samen te persen en vervolgens, door gebruik te maken van warmte, de samengeperste lucht/het samengeperste gas te laten expanderen in een turbine die elektriciteit opwekt wanneer dat nodig is. Deze opslagtechnologie wordt al sinds de 18e eeuw gebruikt.

Opslag op netwerkschaal en het overgangsproces

Volgens het IEA speelt batterijopslag op netwerkschaal een rol bij het behalen van de Netto Nul doelstellingen, zoals geïllustreerd in de volgende figuur. Tot nu toe is waterkracht met pompaccumulatie de meest gebruikte vorm van netopslag. Elektrochemische accu's maken een inhaalslag en verspreiden zich snel vanwege de recente verlaging van hun kosten. Mechanische batterijen spelen een beperkte rol in het huidige elektriciteitssysteem, terwijl thermische opslag zich in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt en tijd nodig heeft om een schaalbare maturiteit te bereiken. Tot slot wordt verwacht dat groene waterstof de komende jaren snel zal opschalen dankzij overheidssteun.

Voor de energiecrisis en vanwege de relatief lagere uitstoot in vergelijking met andere fossiele brandstoffen, werd aardgas in Europa ingezet als transitiebrandstof om eventuele schommelingen in de stroomvoorziening, veroorzaakt door de natuurlijke intermittentie van hernieuwbare energiebronnen, op te vangen. Na de Russische inval in Oekraïne heeft Europa zich ten doel gesteld om minder afhankelijk te worden van Russisch gas. Het opbouwen van voldoende opslagcapaciteit om de rol van aardgas bij het balanceren van het elektriciteitsnet te verminderen, werd dus een strategische prioriteit. Dus hoe langer het duurt om de benodigde opslagcapaciteit op te bouwen, hoe langer er aardgas nodig zal zijn om de aanvoer af te vlakken en het elektriciteitsnet stabiliteit te geven, en hoe langer de kwetsbaarheid van de aardgasvoorziening in Europa is.

1) Green hydrogen that relies on Alkaline or PEM electrolysers is on a demonstration-early adoption phase, while green hydrogen produced using solid oxides electrolyser is at large prototype/demonstration phase.