Naarmate de transitie naar duurzame energie en de elektrificatie van vervoer en verwarming voortschrijdt, komen we dichter bij een nieuw probleem: energieopslag. Ons fluctuerend gebruik spoort namelijk niet met de wisselvalligheid van stroomproductie uit wind en zon.
Voor de toekomst, als we alle gas, olie en steenkool hebben vervangen door elektrisch kunnen we rekenen op 254 TWh per jaar dus een gemiddeld verbruik van circa 30.000 MWh per uur. Maar zowel het verbruik als de productie schommelt rondom dat gemiddelde. Daarom hebben we tijdelijke opslag nodig.
Kortdurende pieken kunnen ontstaan als iedereen inclusief de industrie tegelijk alle dingen aanzet die stroom verbruiken. Dat gaat om minuten waarbij een heel hoog vermogen nodig is.
We hebben ook opslag nodig voor enkele uren op een dag doordat bedrijven en huishoudens in een bepaald dagritme energie gebruiken. Deze fluctuaties leiden tot de bekende lagere tarieven tijdens de daluren.
Vind jij goede en onafhankelijke informatie over een duurzame en klimaatveilige toekomst belangrijk? En helpt Duurzaamnieuws.nl je daarmee? Help ons dan als ondersteunend lid. Dank je wel.
Liever eerst een tijdje volgen? Meld je dan aan voor de gratis nieuwsbrief.
Dan hebben we straks ook opslag nodig voor meerdere dagen als er geen wind is en de zon niet schijnt, de zogenaamde “Dunkelflautes”. In een uitgebreid artikel schreef ik dat de Dunkelflautes één à twee keer per jaar zo’n vijf dagen kunnen duren. Vanwege de toenemende hoeveelheid hittegolven waarbij mensen massaal airco’s gaan gebruiken ontstaan er echter ook piekverbruiken van meerder dagen. Diezelfde hittegolven geven de laatste tijd niet alleen extra verbruik maar ook problemen met de productie omdat er te weinig koeling is voor de steenkool of gasgestookte centrales zoals in Texas en zelfs ook te weinig water voor koeling van de kerncentrales zoals in Frankrijk.
Tenslotte hebben we een systeem nodig om lokale of regionale verschillen te overbruggen en om seizoenen te overbruggen.
Tegenstanders van de transitie uit de hoek van BigOil roepen dan ook dat we daarmee vooral niet te snel moeten gaan en dat we nog ver voorbij het jaar 2050 gasgestookte centrales nodig zullen hebben. Op bijna alle universiteiten en onderzoeksinstituten van de wereld zijn de wat slimmere wetenschappers en technologen echter naarstig op zoek naar betaalbare systemen voor opslag van energie.
Peakshaving
Voor de korte pieken hebben we de oplossingen eigenlijk al. We kunnen afspraken maken om het verbruik beter op elkaar af te stemmen. Dat kan met flexibele tarieven gestimuleerd worden of automatisch door slimme IT systemen in het net. We kunnen ook huisaccu’s aanschaffen met ongeveer 10 kWh opslag zodat we het grootste gebruik in de avonduren kunnen verzorgen met de stroom die op de dag met zonnepanelen is opgewekt. Bij 3 miljoen huizen met een huisaccu geeft dat minstens 15.000 MWh, genoeg voor een half uur gemiddeld gebruik. Het is ook mogelijk om op knooppunten in het net hele grote accu’s te plaatsen. In 2016 is in het Australische Hornsdale voor €100 miljoen door Tesla de grootste accu ter wereld geplaatst met een opslagcapaciteit van 150 MWh. Zelfs met drie van die installaties zouden we in Nederland nog maar net genoeg hebben voor een minuut gemiddeld gebruik. Desondanks heeft door afvlakken van korte pieken en daardoor minder stroomstoringen in Australië de investering binnen drie maanden terugverdiend.
We kunnen straks als iedereen een elektrische auto heeft ook de capaciteit van de vele stilstaande auto’s gebruiken. Als we van één miljoen auto’s (10 % van totaal) gemiddeld 30 kWh kunnen aftappen levert dat 30.000 MWh, gelijk aan het gemiddelde verbruik van een uur. Het zgn. bidirectioneel laden van auto’s zal echter nog wel wat voeten in de aarde hebben op het gebied van regeltechniek, aanpassing aan de auto’s en aansluitingen op laadpalen.
Voor zonnevelden met een vermogen van bijvoorbeeld 10 MWpiek die een investering van circa 8 miljoen vergen, gaat het bij een egalisatie van het dag/nacht ritme om circa 100 MWh opslag. Daar hebben we dan een megapack van Tesla voor nodig dat tien keer zo duur is als de hele PV installatie.
Dus, de technologie is er wel, maar het is of te duur of te lastig.
Dunkelflautes
Voor periodes van meerdere dagen zoals de Dunkelflautes wordt het nog moeilijker. We kunnen daarvoor zogenaamde peaker power plants op gas gebruiken. Voor een typische Dunkelflaute van 5 dagen zouden we dan circa 40 van die centrales van elk 1000MW nodig hebben. De opstart duurt echter een paar uur en gas is verre van duurzaam. De investering voor 40 peaker plants zou minstens €20 miljard bedragen. De stroom uit centrales die maar een paar keer per jaar ingeschakeld worden, wordt dan wel erg duur. Door Tennet wordt zelfs gepropageerd om die centrales dan maar op groene waterstof te laten werken. Die hoeveelheid groene waterstof is helemaal niet beschikbaar en door het eerst te maken met windmolens en electrolysers en dan gedurende het jaar op te slaan om het tijdens de Dunkelflaute te verstoken met een totaal rendement van 35 %, zou het nog veel duurder worden
Anderen lobbyen voor meer kernenergie om een constante basis productie te kunnen garanderen of om daarmee buffervoorraden met waterstof aan te leggen. Ook dat is erg duur.
Om de Dunkelflautes van 5 dagen te overbruggen kunnen we ook gebruik maken van stroomleveranciers in het buitenland. In Scandinavië en ander landen met veel stuwmeren is de totale productie van hydro-elektrische energie circa 265 TWh per jaar. Slechts 2 % daarvan is al ruim genoeg om bij een Dunkelflaute Nederland van stroom te voorzien. Dat lijkt de beste oplossing maar ook daar zitten haken en ogen aan.
Afzonderlijke windparken met elk 25 tot 50 turbines leveren op een dag tussen 1000 en 5000 MWh. Een windstille periode van 5 dagen vraagt dus om een accu van 5000 tot 25000 MWh. De Mega packs van Tesla met een opslag van 150 MWh zijn daarvoor nog te klein en veel te duur. De investering in de Megapacks bedroeg circa €0,7 miljoen per MWh opslag capaciteit Als we tijdens een Dunkelflaute gedurende 5 dagen helemaal geen wind en zon hebben, zouden we voor €3,3 biljoen in megapacks moeten investeren.
Een opslag voor nog langere termijn zou leuk zijn voor huishoudens met zonnepanelen. Een gemiddelde woning zou dan ongeveer 1 MWh opslag voor een half jaar nodig hebben. Zelfs bij de gestaag lager wordende prijs van Lithium accu’s zou dat een investering betekenen die geen enkel huishouden kan opbrengen.
Het moet goedkoper
Men is daarom naarstig op zoek naar een goedkopere oplossing voor de opslag gedurende langere tijd. Het bedrijf Elestor gevestigd op de Kleefse Waard in Arnhem, is opgericht in 2014 en heeft al vele awards gekregen voor hun Redoxflow batterij. Diverse grote zakelijke partijen hebben met elkaar miljoenen beschikbaar gesteld voor de verdere ontwikkeling. Nu, bijna 10 jaar later, staan ze op het punt om bij VOPAK de eerste batterij in enkele fases op te bouwen tot een opslagcapaciteit van 250 MWh. De investeringskosten zouden bij deze grootte beperkt blijven tot €0,03 miljoen per MWh. Dat is een enorm stuk goedkoper dan de €0,7 miljoen per MWh voor de megapacks met Lithium accu’s.
De Redoxflow batterij is op zich niet nieuw. De eerste types gebruikte Vanadiumzout dat van 3- naar 5 waardig heen en weer ging. Vanadium is schaars en dus zeer duur. Er verschijnen voortdurend nieuwe redox koppels in het nieuws, zoals hydrochinon of recent nog een suikerachtige verbinding.
Elestor gebruikt de redox reactie van Broom (Br2) naar Waterstof Bromide (HBr) met Waterstof (H2). De twee media zitten in aparte opslagtanks en worden in contact gebracht via een membraan dat de waterstof ionen doorlaat.
De grap van een redoxflow batterij is dat je de opslag capaciteit via de grootte van de opslagtanks kunt loskoppelen van de maximaal leverbare kracht door de reactor via het membraanoppervlak. Het redoxkoppel met Broom en waterstof heeft bovendien vele voordelen. De waterstof wordt door de cel zelf gegenereerd en kan direct zonder extra compressor onder een druk van ca 100 atmosfeer worden opgeslagen. Dat betekent 0,3 MWh per m3 inhoud van de waterstoftank dus voor de installatie van 250 kWh wordt dat een flinke tankinhoud van zo’n 850 m3.. Voor VOPAK maatstaven is dat heel erg klein. Het Broom is zeer goedkoop uit vele plaatsen in de wereld te verkrijgen en is eigenlijk een bijproduct van de zoutwinning uit zeewater en totaal niet schaars. De redoxreactie is bovendien bijzonder snel waardoor de flow batterij net zo snel kan reageren als een Lithium accu. Waterstof en Broom worden niet verbruikt maar voortdurend door de lading en ontlading geregenereerd en dat kan eindeloos voortduren.
Een Dunkelflaute van 5 dagen volledig overbruggen met deze batterijen zou echter nog steeds een zeer grote investering van €100 miljard vergen. De accu’s van Elestor kunnen echter ook in de rest van het jaar ingezet worden voor peak shaving of voor dag/nacht schommelingen. Elestor denkt aan inzet van units tot honderden MWh bij windparken en zonnevelden. In de toekomst kunnen dergelijke installaties ook worden aangesloten op het waterstof netwerk.
Seizoensopslag voor woningen met PV
Voor kleinschalige toepassingen met minder dan 15 MWh opslag is het systeem niet geschikt. Dan wordt de prijs per kWh te hoog en uit veiligheidsoverwegingen kan men zo’n installatie niet zomaar overal neerzetten. Een seizoensopslag voor overbrugging van de winter bij woningen of woonwijken zit dus ook niet in het vat. Eigenlijk is die ook helemaal niet nodig zolang er kan worden gesaldeerd en zolang de windmolens op zee in de winter genoeg meer stroom leveren om de verminderde opbrengst van zonnepanelen op te vangen is er niets aan de hand.
Hoewel de investeringsprijs van de redoxflow batterij met €0,03/miljoen MWh laag is vergeleken met die van andere accu’s lijkt het misschien nog te hoog om het systeem tot heilige graal uit te roepen. Maar dit is nog maar pas het begin van de opschaling. Zoals bij elke nieuwe techniek zal die prijs in de toekomst nog wel verder gaan dalen. Bovendien moet je de eenmalige investering uitsmeren over de totale hoeveelheid geleverde stroom in de hele levensduur van een installatie en waarschijnlijk wordt de prijs per geleverde kWh dan heel aantrekkelijk.
Een interessante ontwikkeling die de prijs kan verlagen betreft het weglaten van het membraan door dit te vervangen door de twee media in contact te brengen via een laminaire stroming. Hier wordt met Europese subsidie door een omvangrijk consortium met vele partijen uit meerdere landen zoals Shell, TU Delft en Fraunhofer aan gewerkt. Men verwacht hiermee de prijs (De zogenaamde Levelised Cost of Storage, LCoS per geleverde kWh) op circa €0,05 te krijgen.
Mijn gesprek met CEO Guido Dalessi gaf mij weer wat meer hoop, dat we met nieuwe technologie de wereld misschien nog kunnen redden van een rampzalige opwarming.