Zonne-energie in overvloed. Wat moeten we ermee?
De groei in zonne-energie is niet meer te stuiten. Medio 2040 zal hernieuwbare energie in 40% van de wereldwijde elektriciteitsvraag kunnen voorzien, stelt de International Energy Agency (IEA) in de World Energy Outlook1. Investeringen in zon-PV zullen die in windenergie zelfs ruimschoots overtreffen. Zonne-energie in overvloed, dus. Maar hoe gaan we dat inpassen?
Belangrijk bezwaar tegen energie uit zon en wind is de noodzaak om voor 100% backup vermogen te zorgen. Het opgestelde vermogen van PV-installaties in Nederland ligt volgens Peter Segaar van Polder PV2 momenteel rond de 3 GWp. Zodra het donker wordt is aanvullend vermogen benodigd met een omvang van bijvoorbeeld de Eemscentrale (2,4 GW). De schatting dat in 2020 al 5 GWp zonvermogen staat opgesteld is niet onrealistisch.
Opslag is de sleutel voor succes
Behalve de noodzaak voor inzetbaar regelvermogen, kenmerkt energie uit zon en wind zich door onvoorspelbaarheid. Windsterkte en zoninstraling wijken in praktijk af van de weersvoorspelling – hoe goed deze ook is. Het aanbod van elektriciteit fluctueert en het opvangen van pieken is een grote uitdaging. Netverzwaring is kostbaar en alleen effectief tijdens de piek. Het afstemmen van vraag en aanbod is dan een betere optie. Maar nog beter is het kunnen opslaan van stroom voor gebruik op een later moment. Willen renewables als zon en wind werkelijk bijdragen aan de transitie naar een CO2-arme energievoorziening, dan is kostenefficiënte energieopslag een randvoorwaarde.
Opslaan of omzetten
In combinatie met zonnepanelen denken we bij opslag altijd aan stroom. Maar opslag van de warmte van de zon kan natuurlijk ook. De zonneboiler is het meest eenvoudige voorbeeld; warm douchen met water dat een dag eerder is opgewarmd. Maar ook de warmte-koudeopslag (WKO) past in het rijtje. Om gebouwen en woningen in de zomer te koelen, wordt warmte afgevoerd naar de bodem, of een bassin, of opslagvat. In de winter wordt die warmte benut voor verwarming. Het kan ook anders: materialen zoals zouten kun je (de-)hydrateren. Met thermal chemical materials (TCM) kun je warmte voor lange tijd opslaan voor gebruik op een later moment, zonder verliezen of emissies.
Ook elektriciteit leent zich voor omzetting. Stroom kan omgezet worden in bijvoorbeeld waterstof (H2) of ammoniak. Waterstofgas kan worden opgeslagen in cavernes, gecomprimeerd in opslagtanks en laat zich transporteren door leidingen. Wil je stroom vasthouden zoals deze is opgewekt, dan kan dat in de veel gebruikte lithium-ion batterij (zoals in elektrische auto’s of je telefoon), maar ook in een op termijn goedkopere redox flowbatterij. Of de kostprijs van een bepaalde techniek gerechtvaardigd is, zal afhangen van de toepassing. Daarom zetten we een aantal opslagmethoden op een rij.
HUISBATTERIJ
Fronius International is leverancier van (onder andere) opslagsystemen voor stroom. Bijvoorbeeld als noodstroomvoorziening, maar ook voor de toepassing als huisbatterij. De Nederlandse tak van het bedrijf levert momenteel zo’n twee systemen per week, vertelt adviseur Sjef Zijlmans. “De Fronius Solar Battery is een modulair opslagsysteem op basis van lithium ijzerfosfaat, leverbaar in een range van 4,5 tot 12 kWh capaciteit, ook geschikt als noodstroomvoorziening.”
Voor de batterij wordt een levensduur van 8000 cycli of 20 jaar afgegeven. “Systemen met een lange levensduur zijn duurder”, legt Zijlmans uit. “Met de kosten voor installatie, regeltechniek en databekabeling moet je rekenen op 1000,- euro per kWh aan capaciteit. Dat is ruim, maar dan valt het in ieder geval niet tegen.” Tweederde van de kosten zijn voor de batterij, de rest voor de installatie. Over de levensduur genomen, kost de (her-)gebruikte stroom zo’n 10 tot 15 eurocent per kWh.
Fronius levert ook goedkopere systemen, gebruikmakend van batterijen van LG, met een capaciteit van 2,5 tot 3 kWh. Tussen de aanschafprijs en de levensduur bestaat een directe relatie. Voor LG en bijvoorbeeld Tesla, moet gerekend worden met een levensduur van ongeveer 10 jaren. Sonnenbatterie is weer een duurdere variant, maar Sonnen claimt dan ook 10.000 laadcycli, bijna dertig jaar.
Ander veel geleverde systemen zijn Solarwatt Myreserve (BMW accu’s), SMA Sunny Boy Storage (Mercedes), SolarEdge StorEdge (LG). Behalve om de batterij, gaat het ook om de omvormer en regeltechniek. Iedere leverancier hanteert voor de samenstelling van de componenten specifieke uitgangspunten. De keuze voor een systeem hangt vooral af van de aard van het gebruik (zie kader).
REGELCAPACITEIT
Om fluctuaties op het elektriciteitsnet op te kunnen vangen, wil netbeheerder TenneT kunnen beschikken over snel inzetbare regelcapaciteit. Bij uitval van centrales, een kabelbreuk of een windpark dat bij harde wind wordt afgeschakeld, kan dringend extra vermogen nodig zijn.
Met dat doel is een paar jaar geleden in Vlissingen de Advancion Energy Storage (AES) gebouwd. Deze superbatterij heeft een inzetbaar vermogen van 10 MW en een capaciteit van 10 MWh. De prijsverschillen voor elektriciteit die in situaties van onbalans kunnen ontstaan heeft veel meer aanbieders getrokken. Tuinders met een stevige WKK maken hier al jaren gebruik van. Maar ook akkerbouwbedrijf De Jong in Odoorn doet mee, met zonnepanelen op de daken (310 Wp) en een Li-ion accubank met een capaciteit van zo’n 300 kWh.
De handel in stroom op de onbalansmarkt (inkopen bij lage prijs, verkopen bij hoge prijs) is ook omarmd op de markt voor de huisbatterij. Sjef Zijlmans van Fronius legt het uit: “Een energieleverancier kan een groot aantal huisbatterijen met overcapaciteit verhuren. De extra capaciteit kan de leverancier dan benutten voor situaties van onbalans. Daar valt geld mee te verdienen.”
FLOW BATTERIJ
De redox flow accu-technologie wordt gezien als grote belofte voor de toekomst. Energieopslag op basis van een omkeerbare reactie van goed verkrijgbare en (relatief) veilige chemicaliën zou een opslagtechniek met hoge energiedichtheid en lage kostprijs per kWh kunnen opleveren. Wereldwijd wordt aan verschillende systemen gewerkt.
In Nederland is Elestor vergevorderd met een flowbatterij die gebruik maakt van waterstof en een bromide oplossing (zie EnergieGids 2017, nr 11). Na testen in de praktijk is het systeem doorontwikkeld en dit najaar start een pilot in Emmeloord met een 50 kW batterij. Voor 1 kWh is 5-10 liter electrolyt benodigd. In een flow batterij zijn vermogen [kW] en capaciteit [kWh] niet gekoppeld, zoals dit bij traditionele batterijen wel het geval is. Het membraanoppervlak bepaalt het vermogen van de batterij, en het volume van de actieve materialen de capaciteit. De kostprijs bedraagt zo’n 5 eurocent per kWh.
WARMTEBATTERIJ
Water is een geschikt medium voor de opslag van warmte, tenminste als warmteverlies wordt tegengegaan. In Denemarken zijn naast woonwijken afgedekte waterbekkens aangelegd voorzien van zonnecollectoren. Het water wordt opgewarmd tot ongeveer 80 gr. C., vertelt Ir. Huub Keizers. Hij is werkzaam voor TNO als project manager Energy Built Environment. Als de zon niet schijnt, zou het waterbassin ook verwarmd kunnen worden met (overtollige) stroom wind.
“Water heeft als groot nadeel dat het snel warmte verliest”, zegt Keizers, die drie manieren van warmteopslag benoemt. “Je hebt ook PCM’s (phase changing materials), waarin je twee keer zoveel warmte kunt bufferen als in water. Onhebbelijke eigenschap is dat deze materialen de warmte weer afgeven bij een lagere omgevingstemperatuur.” Dit maakt pcm’s daarom geschikt voor toepassing in gebouwen, om temperatuurverschillen in het binnenklimaat op te vangen. “Met Thermo Chemical Materials (TCM) ‘bindt’ je de warmte langs een chemisch proces.” Bijvoorbeeld met hydrateerbare zouten, waar warmte vocht verdrijft en waterdamp dat neerslaat en zich bindt warmte oplevert. “Groot voordeel van TCM’s is dat het een verliesvrije manier van opslag is. Bovendien is de opslagdichtheid groot: zo’n 30 keer groter dan water.”
Keizers is vanuit TNO betrokken bij het Europese project CREATE, voor de ontwikkeling van de ‘zoutbatterij’. Een voor dit doel goed geïsoleerde woning wordt uitgerust met een warmteopslagsysteem dat gebruik maakt van TCM. De resultaten van deze praktijkproef zullen over ruim een jaar bekend zijn. “Voor de capaciteit van zo’n systeem moet je denken aan 1 gigajoule per m3”, zegt Keizers. “Met 10 kuub beschik je over voldoende warmte om de winter door te komen.”
Het CREATE consortium waar TNO deel van uitmaakt, naast o.a. de Technische Universiteit Eindhoven, werkt aan de verbetering van de energiedichtheid en het verkleinen van het systeem met opslagvaten en condensor. Want voor toepassing in de bestaande bouw zijn compacte oplossingen benodigd. “Een kleiner systeem levert dan wel minder warmte, maar kan ingepast worden in bestaande systemen. Het betekent een lagere belasting van warmtenetten of het elektriciteitsnet, bij warmtepompen”, zegt Keizers.
LUCHTBATTERIJ
In Engeland wordt momenteel gekeken naar een oude techniek: Compressed Air Energy Storage (CAES). Door lucht ondergronds onder druk op te slaan in zoutcavernes ontstaat een krachtbron voor later gebruik. Bij expansie kan met een generator weer elektriciteit opgewekt worden. Het principe bestaat al lang en wordt ook toegepast, onder meer in Duitsland, met een capaciteit van 310 MW. Het bedrijf Storelectric heeft CAES nieuw leven ingeblazen door technieken te gebruiken waarmee het rendement van compressie en expansie aanzienlijk verhoogd wordt.
AMMONIAKBATTERIJ
Het Nederlandse Proton Ventures werkt aan het gebruik van ammoniak als een opslagmedium voor hernieuwbare energie. Ammoniak is flexibel in gebruik en voor allerlei toepassingen bestaat al de infrastructuur. Met ‘power to ammonia’ wil Proton Ventures met het FlexNH3 project een CO2-arme energieopslag realiseren. Het FlexNH3 project is genomineerd voor de NAM70 Challenge, de prijsvraag van NAM die uitgeschreven is in de zoektocht naar nieuwe, efficiënte en CO2-arme opslagmogelijkheden.
WATERSTOFBATTERIJ
Als aardgas is op te slaan in grote hoeveelheden in zoutcavernes, dan moet dat ook met waterstofgas kunnen. Dat is de gedachte achter HyStock, een conversie installatie voor waterstof, gebruikmakend van de elektriciteit van zon en wind. Groene waterstof kan gebruikt worden om opnieuw elektriciteit te genereren en zo het tekort op het elektriciteitsnet aanvullen op momenten dat zon en wind het laten afweten. Zie het artikel ‘Vloeibare energie uit zon en wind’ elders in dit nummer.
Links:
IEA World Energy Outlook 2017: https://www.iea.org/weo2017/
Polder PV: http://www.polderpv.nl/ update 7 maart 2018