4 Opslag

Opslagtechnologie is belangrijk omdat het een mogelijkheid biedt de fluctuaties van zonne- en windenergie te vereffenen. Het vormt een alternatief voor een hulpbron. Als er voldoende opslag voorhanden is, kunnen (hulp)bronnen zoals fossiele energiecentrales of kerncentrales worden vermeden. De tekorten die kunnen ontstaan bij de energieproductie met enkel zon of wind kunnen oplopen tot maanden van het Nederlands energieverbruik, zoals werd gezien bij de opbrengstberekeningen van zonne- en windenergie. Dat wil niet zeggen dat bij een combinatie van wind en zon ook zo’n grote opslag nodig zou zijn. In hoofdstuk 5 (Simulaties) gaat bekeken worden hoe groot de behoefte aan opslag is voor specifieke samenstellingen van de energiemix. Voor nu is het doel te kijken wat er voor een bepaalde opslagmethode haalbaar zou zijn.

Naast capaciteit – het hebben van voldoende energieopslag – is ook de snelheid waarmee omzettingen kunnen plaatsvinden van belang. Als het laden te langzaam gaat, kan er kostbare energie verloren gaan. Staat er bijvoorbeeld veel wind, dan creëert dat in potentie een groot energieoverschot. Dat overschot moet dan wel direct verwerkt kunnen worden. Neem een spaarbekken als voorbeeld. Niet alleen moet de capaciteit van het basin groot genoeg zijn, ook moet het water snel genoeg omhoog kunnen worden gepompt. Anders kan het overschot niet geheel verwerkt worden en gaat er energie verloren.

Iets dergelijks geldt voor de terugomzetting van eenmaal opslagen energie naar elektriciteit. De opslag moet genoeg vermogen hebben – voldoende energie per tijdseenheid kunnen leveren – om de onstane vraag te kunnen dekken. In het geval van een spaarbekken moet er niet alleen genoeg pompvermogen zijn om het bekken te vullen, maar er moet ook genoeg elektriciteit kunnen worden opgewekt om aan de maximale vraag aan te kunnen.

Een ander punt waarop gelet moet worden zijn omzettingsverliezen. Iedere vorm van opslag kent verliezen. Elektriciteit wordt bij opslag omgezet in iets anders: een chemische reactie in het geval van een accu, de potentiële energie van water dat omhoog werd gepompt in het geval van een spaarbekken, etc. Bij al deze omzettingen vinden verliezen plaats. Als een opslagmethode grote omzettingsverliezen kent, zal dit verlies moeten worden gecompenseerd door meer energie op te wekken.

4.1 Spaarbekkens

Een reden om spaarbekkens als energie-opslagmethode te overwegen, is dat het qua capaciteit wereldwijd de meest gebruikte vorm van energie-opslag is. Spaarbekkens maken 95% van de wereldwijde opslagcapaciteit uit. Dat zal niet voor niets zijn. Wereldwijd is er volgens wikipedia ruim 1.6 TWh beschikbaar (zie wikipedia/ pumped-storage hydroelectricity). Dat klinkt veel, maar in termen van nationaal energieverbruik (706 TWh in 2019) is dat slechts 20 uur (365 dagen * 24 uur * 1.6 TWh / 706 Twh = 20 uur). Gemiddeld, vindt wikipedia, is een spaarbekken in een uur of tien te vullen.

Uit dit rekenvoorbeeld blijkt dat de gezochte opslagcapaciteit groot is. Nederland verbruikt veel energie: zelfs het opslaan van een dag van ons energieverbruik vergt al meer dan er mondiaal in spaarbekkens beschikbaar is. Het gaat om massa-opslag van energie op een schaal die nog niet eerder is gerealiseerd.

Dat geeft de uitdaging aan, maar er kan geprobeerd worden de huidige capaciteit aan spaarbekkens in de toekomst uit te breiden. Om daar een inschatting van te maken – hoe energie-opslag in spaarbekkens schaalt – is wat meer achtergrond nodig. Aan spaarbekkens valt makkelijk zelf te rekenen, zodat er zelf een inschatting te maken is met behulp van basisprincipes.

Bij een spaarbekken wordt een hoog gelegen basin verbonden met een lager gelegen basin. Het hoger gelegen basin wordt gebruikt voor opslag van energie. Tussen de basins bevindt zich een pompcentrale. Als er een overschot van elektriciteit is, kan de pompcentrale worden gebruikt om water van het laaggelegen basin naar het hooggelegen basin te pompen. Dezelfde pompcentrale kan worden gebruikt om energie terug op te wekken: de waterdruk zet nu de turbine in beweging en daarmee wordt stroom opgewekt.

Het rendement van deze opslagmethode ligt rond de 75%; er gaat dus zo’n 25% van de energie verloren. Dat is redelijk efficiënt. Gunstig is ook dat energie probleemloos voor lange tijd kan worden opgeslagen: het water blijft gewoon waar het is. Ook het onderhoud is miniem: een spaarbekken en pompcentrale kunnen vele tientallen jaren mee zonder dat er groot onderhoud gedaan hoeft te worden.

De hoeveelheid energie, in Joule, die een spaarbekken kan opslaan is afhankelijk van hoeveel al dat water weegt (\(m\)), de hoogte (\(h\)) van het verval van het spaarbekken en de valversnelling (\(g\)): \(E = m \; g \; h\).

In de Nederlandse context denk men al snel aan het IJsselmeer als groot water dat misschien gebruikt zou kunnen worden voor energie-opslag. Stel, als gedachtenexperiment, dat het IJsselmeer en het Markermeer tezamen zou worden gebruikt als spaarbekken door de dijk erom met twee meter te verhogen.

Het verval van dit spaarbekken is twee meter, als het bekken helemaal vol zit. Het gemiddelde verval van dit enkele spaarbekken is de helft daarvan, één meter. Het IJsselmeer en Markermeer zijn bij elkaar 1800 km² groot. Een kubieke meter water weegt 1000 kg, dus dit oppervlakte weegt bij één meter diepte \(1800\) miljard kg. De opgeslagen energie die dit meer vertegenwoordigt, is daarmee gelijk aan \(1800\) miljard kg \(\times\) 10 m/s = \(18000\) GJ. Om dat in perspectief te zetten: Nederland gebruikt een continue vermogen van ongeveer 81 GJ per seconde, dus dit spaarbekken is in staat om 4 minuten van ons energieverbuik op te slaan.

Dat is teleurstellend, want de massa-opslag waarna we op zoek zijn zit meer in de orde van grootte van dagen tot weken, misschien zelfs maanden. Beide meren vertegenwoordigen al een substantieel deel van ons binnenwater, dus heel veel meer oppervlakte is niet realiseerbaar. Als we een dag van ons nationaal energieverbruik zouden willen opslaan, dan zou de dijk 774 meter hoog moeten zijn.

Zwaartekracht is een relatief zwakke kracht en dat betekent dat het hoogteverschil de sleutel is tot effectieve energieopslag in een spaarbekken. Hoogteverschil is iets dat in Nederland niet ruim voorhanden is, dus hiervoor zal naar het buitenland moeten worden uitgeweken. Men zou bijvoorbeeld kunnen denken aan de Alpen, of aan Noorwegen.

Om met de laatste te beginnen, de Noorse kust kent vele fjorden. Het omringende landschap is hoog, dus daar kan gebruik van worden gemaakt. Een fjord grenst aan zee, wat het vullen van een eventueel spaarbekken zal vergemakkelijken.

Het grootste fjord van Noorwegen, het Sognefjord, is grofweg 120 km lang en 5 km breed. Het omringende landschap reikt tot een kilometer hoog. Stel dat het fjord zodanig wordt ingedamd dan het waterniveau met een halve kilometer kan worden verhoogd.

Hoeveel potentiële energie kan er in dit fjord worden opgeslagen? De berekening is in principe dezelfde als net voor het IJsselmeer is gedaan. De massa van het water in het afgedamde fjord is gelijk aan 120.000 m \(\times\) 5.000 m \(\times\) 500 m \(\times\) 1.000 kg = 300000 miljard kg. Bij een verval van 250 meter, de helft van de hoogte van de bak, betekent dat een energieopslag van 75 miljoen GJ.

Dat zijn enorme getallen, maar afgemeten tegen het energieverbruik van Nederland is dat nog steeds relatief. Bij een continue vermogen van 81 GW, is deze opslag equivalent aan 75 miljoen GJ / 81 GW / 3600 seconden / 24 uur = 10.8 dagen nationaal energieverbuik. Een blik op de kaart van Noorwegen leert dat de hoeveelheid fjorden van grote omvang eindig is. Misschien dat er nog een handvol te vinden is? Moeten die allemaal worden afgedamd? Als dat al lukt, zouden er nog andere landen in Europa zijn die de Noren zouden vragen om energieopslag, als zij ook fluctuerende bronnen zouden hebben?

Deze gedachtenexperimenten geven een idee van de grootte van de opslag die met spaarbekkens te realiseren is. De berekening kijkt alleen naar capaciteit, maar er zijn nog vele andere zaken die ook zouden moeten worden opgelost. Bijvoorbeeld: kan er bij terugwinning van de energie wel voldoende vermogen worden opgewekt om aan het tekort te voldoen? Om Nederland 10 dagen lang van energie te voorzien, moet het fjord ook in die tijd geleegd kunnen worden. Dat betekent meer pijpen en pompcentrales. Is dat haalbaar? En hoe enthousiast zouden de Noren zelf over dit plan zijn?

Er is natuurlijk nog een ander gebergte in Europa: de Alpen. Helaas leent de ligging van de alpen zich niet goed voor massale energieopslag. De Alpen liggen ver van zee. Een spaarbekken heeft water nodig. Het lage reservoir van waaruit het water naar boven wordt gepompt, moet zich op zo kort mogelijke afstand van het hoge reservoir bevinden. Hoe langer de afstand, des te meer wrijving moet worden overwonnen en dat geeft energieverlies. En men zal zeewater nodig hebben. De benodigde hoeveelheid water is in de Alpen eenvoudigweg niet voorhanden. Zelfs het meer van Genève is, hoewel aanzienlijk dieper, met een oppervlakte van 584 km² klein t.o.v. ons eigen IJsselmeer met 1100 km².

4.2 Accu’s

Accu’s vormen een andere manier om energie op te slaan. Er zijn vele typen accu’s met eigenschappen die onderling van elkaar verschillen. Om te beginnen de energiedichtheid, hoeveel capaciteit men voor een bepaald gewicht aan accu’s kan realiseren. De efficiëntie (roundtrip efficiency of retourefficiëntie) is een ander belangrijk aspect. Dat geeft aan hoe groot de verliezen zijn bij opslag en weer teruggave van energie. Daarnaast zijn er verschillen in de laad- en ontlaadtijd van een accu. Al deze punten zijn van belang voor de toepassing van accu’s als massa-opslagmedium.

Wat bijzonder is aan accu’s, is dat de snelheid waarmee energie wordt geladen en ontladen van grote invloed kan zijn op zowel de capaciteit als de levensduur van de accu. Het kan zo zijn dat men op papier genoeg capaciteit heeft om aan een bepaalde opslagbehoefte te voldoen, maar dat de snelheid waarmee geladen of ontladen wordt de capaciteit verkleint. Dat betekent dat er meer accu’s nodig zijn en de installatie duurder wordt.

4.2.1 Lithium

Van alle accutypen hebben Lithium-ion-accu’s de hoogste energiedichtheid en combineren dat met een korte laad- en ontlaadtijd. Dat betekent dat er voor het gewicht van een accu veel energie beschikbaar is en dit type wordt dan ook gebruikt in elektrische auto’s. Het wordt ook gebruikt als oplossing voor massa-opslag van elektriciteit.

Lithiumaccu’s hebben een retourefficiëntie van 90%. Er gaat dus weinig energie verloren in het proces van opslag naar teruglevering van energie. De hoge efficiëntie betekent dat er slechts weinig overcapaciteit gerealiseerd hoeft te worden om de verliezen te compenseren.

Om de levensduur te vergroten is het beter om lithium-ion accu’s niet verder te ontladen dan tot 30% van de capaciteit en niet meer te laden dan tot 80% van de capaciteit. Als men zich hieraan wil houden, dan moeten er dus meer accu’s worden aangeschaft voor een bepaalde gewenste capaciteit. Het alternatief om wel volledig te laden en ontladen, maar dan moeten de accu’s sneller worden vervangen. Vervanging probeert men in de praktijk zoveel mogelijk te voorkomen, omdat lithium-ion accu’s duur zijn. Dat betekent niet dat een accu niet snel kán ontladen. Een lithium-accu kan bijvoorbeeld in een uur worden ontladen en daarmee een hoog vermogen genereren. In dat geval is het vermogen gelijk aan z’n capaciteit: als de accu 1 kWh bevat, kan deze een uur lang een vermogen leveren van een kilowatt. De keerzijde is dan wel snellere vervanging.

4.2.2 Lood

Loodaccu’s zijn het oudste type accu, commercieel beschikbaar sinds 1881. Ze zijn relatief goedkoop en hebben een retourefficiëntie van rond de 85%. Net als bij lithium-ion accu’s is dat efficiënt.

Een nadeel is dat de ontlading eigenlijk niet meer dan 50% mag bedragen, als men de levensduur niet teveel wil bekorten. Dat betekent dat men twee keer meer accu’s moet plaatsen dan de capaciteit aangeeft, om die capaciteit ook daadwerkelijk te realiseren.

Snel ontladen van een loodaccu beperkt de capaciteit drastisch: de aangegeven (nominale) capaciteit wordt berekend over een afnameperiode van 10 uur. Bij ontlading in minder dan een uur blijft daar slechts 50% van over (zie vorig wikipedia lemma). De beperkte diepte van de ontlading en de kleinere capaciteit bij snelle ontlading betekenen in feite dat men bij loodaccu’s een flinke overcapaciteit moet hanteren wil men snel vermogen kunnen afgeven.

4.2.3 Grondstoffen

Als accu’s gebruikt gaan worden voor massa-opslag, dan zullen er veel van nodig zijn. Het is dus relevant de vraag te stellen of er genoeg grondstoffen voorhanden zijn.

De mondiale reserves van lithium zijn volgens wikipedia 86 miljard kg groot. Een accu gebruikt 0,16 kg lithium per kWh volgens een onderzoek van Chalmers university. Daarmee kan geschat worden hoeveel kWh er aan lithium-accu’s in totaal gemaakt kan worden: \(86 \times 10^9 / 0.16 = 5.4 \times 10^{11}\) kWh \(= 540\) TWh. Met de wereldwijd bekende reserves zou dus een hoeveelheid accu’s kunnen worden gemaakt met een capaciteit ter grootte van ongeveer driekwart het jaarlijks Nederlands energieverbruik, als wordt gerekend met de al eerder gebruikte 706 TWh voor 2019.

Deze reserve zou voldoende zijn voor Nederland alleen, maar mondiaal gezien is het weinig. Ook andere landen zullen aanspraak willen maken op de voorraad lithium, zeker als accu’s een effectieve opslagmethode blijken te zijn. Als de hoeveelheid lithium eerlijk over de wereld verdeeld zou worden, dan blijft er voor Nederland minder dan een dag aan opslagcapaciteit over (17 miljoen Nederlanders gedeeld door 7 miljard aardbewoners maal driekwart jaar is ongeveer tweederde dag).

Hoe zit dit met loodaccu’s? De wereldwijde loodreserves bedragen 88 miljard kg, volgens statista.com. Zestig procent van het gewicht van een loodzuuraccu bestaat uit lood. De energiedichtheid is volgens wikipedia 40 Wh/kg. Zestig procent van het gewicht van een accu is lood. Gerekend naar het gewicht van lood is dat 40 / 0.6 = 67 Wh/kg. Per kWh gebruikt een loodaccu daarmee 1 / 0.067 = 15 kg lood.

Daarmee kan geschat worden hoeveel kWh er aan loodaccu’s in totaal gemaakt kan worden: \(88 \times 10^9 / 15 = 5.7 \times 10^{9}\) kWh \(= 5.7\) TWh. Dat komt neer op ongeveer 3 dagen Nederlands energieverbruik. Als we het lood ook eerlijk over de wereld zouden verdelen, dan blijft er niet veel capaciteit over.

4.3 Waterstof

Waterstof is aantrekkelijk als energiedrager omdat bij de verbranding ervan geen CO₂ wordt gevormd. Het laat enkel water achter. Er wordt veel van verwacht, bijvoorbeeld door de Europese Unie, die het een belangrijk onderdeel heeft gemaakt van de energietransitie. Men ziet het gebruikt worden als brandstof en als een manier van massa-opslag om de fluctuaties van niet-continue energiebronnen op te vangen.

Waterstof heeft een hoge energiedichtheid per gewicht. Per kilogram levert het 3 keer meer energie dan benzine. Waterstofgas heeft echter geen grote dichtheid, waardoor het per volume juist minder energie in zich draagt dan benzine. Per liter is de energiedichtheid van waterstof slechts \(\frac{1}{3000}\) van benzine. Deze lage energiedichtheid valt te verbeteren door het gas te comprimeren. Bij 690 bar bevat het gas \(\frac{1}{8}\) van de energie van een vergelijkbare hoeveelheid benzine. Vloeibaar waterstof heeft de hoogste energiedichtheid, maar bezine blijft ook dan nog een factor 4 energiedichter. Om waterstof vloeibaar te maken, moet het gekoeld worden tot -253° C.

In tegenstelling tot fossiele brandstoffen is er geen natuurlijke bron van waterstof. Waterstof moet worden gemaakt. De elektriciteit uit zonne- en windenergie kan hiervoor worden ingezet. Dat kan via elektrolyse, bijvoorbeeld met behulp van een PEM-elektrolyser. Een PEM-elektrolyser kan elektriciteit in waterstof omzetten met een efficiëntie van zo’n 80%.

Voor massaopslag van energie met behulp van waterstof zijn door de lage energiedichtheid grote ruimten nodig, zelfs als het wordt gecomprimeerd. Opslagtanks zijn niet toereikend. Men denkt aan opslag in zoutkoepels en oude gasvelden, waarbij de waterstof wordt gecomprimeerd tot zo’n 200 bar. Het comprimeren kost het equivalent van 2% van de opgeslagen hoeveelheid waterstof aan energie.

Om energie weer terug te winnen, wordt de waterstof verbrand. Dat kan met behulp van een brandstofcel, of via verbranding in een gasturbine. Daarmee wordt er dan weer elektriciteit geproduceerd. De efficiëntie van beide methoden ligt rond de 50%.

4.3.1 Efficiëntie

De efficiëntie van de omzettingen is belangrijk wanneer waterstof als energieopslag wordt gebruikt. Hoe meer energie er verloren gaat, hoe meer er eerst geproduceerd moet worden. De roundtrip efficiency (retourefficiëntie) van energie-opslag met behulp van waterstof is dus ongeveer 80% \(\times\) 50% = 40%. Nadat de elektrolyser waterstof heeft geproduceerd, resteert 80% van de ingezette energie. Na verbranding in de gasturbine voor de terugopwekking van stroom blijft daar de helft van over. Uiteindelijk resteert er 40% van de oorspronkelijke ingezette energie. Anders gezegd gaat er dus 60% van de energie bij opslag verloren. Dat betekent dat er twee en een half keer meer energie geproduceerd moet worden dan er uiteindelijk uit de opslag gebruikt kan worden. Waterstof is dus een inefficiënte manier van energie-opslag. Vergelijk dit bijvoorbeeld met een accu die een efficiëntie van 90% kan halen. Om het verlies van de accu te compenseren, hoeft er slechts 11% overcapaciteit te worden gerealiseerd.

4.3.2 Infrastructuur

Om waterstof te kunnen gebruiken als energie-opslag, is er aanzienlijk meer infrastructuur nodig dan het geval is voor accu’s. Eenvoudig gezegd: om accu’s te laden, is het voldoende om stroom op de polen te zetten, en voor stroomproductie hoeft men alleen de polen te verbinden met een gebruiker. Qua infrastructuur is er eigenlijk niet veel meer nodig dan de accu zelf en wat bedrading. Bij waterstof ligt dat gecompliceerder.

Voor de productie van waterstof heeft men waterstoffabrieken nodig, die met behulp van elektrolyse waterstof kunnen produceren. De principes en de technologie hiervoor zijn bekend, maar in de praktijk gebeurt dit alleen nog op beperkte schaal. In 2020 werd de tot dan toe grootste PEM elektrolyser ter wereld in gebruik genomen. De fabriek staat in Canada en heeft een vermogen van 20 megawatt (MW). Eenzelfde vermogen is gepland voor een proeffabriek in Delfzijl, die later opgeschaald moet worden naar 60 MW.

Hoe verhoudt het productievermogen van deze fabrieken zich tot het Nederlandse energieverbruik? Nederland verbruikte in 2019 gemiddeld 81 GW aan energie. Waterstof kan worden gemaakt op het moment dat variabele bronnen, zoals zon en wind, meer produceren dan we nodig hebben. Zoals bleek uit hoofdstukken 2 en 3 kan deze energieproductie het dubbele zijn van wat er op dat moment nodig is. Om een dergelijke overproductie te kunnen omzetten in waterstof zijn daar dan 81 GW / 20MW = 4050 waterstoffabrieken van het type Delfzijl voor nodig. Er moet immers genoeg vermogen zijn om de overcapaciteit te kunnen verwerken als deze zich voordoet. Afgezet tegen de energiebehoeften van Nederland lijkt er met de huidige stand van zaken een aanzienlijke infrastructuur voor de productie van waterstof nodig.

Het voorgaande betrof de productiekant van waterstof. Vervolgens moet de waterstof worden opgeslagen. Dat lijkt te kunnen, in volumes die bruikbaar zijn voor massaopslag, in oude gasvelden. Men denkt dat Nederland er daar voldoende van heeft.

Uiteindelijk moet de energie worden teruggewonnen, en daar is opnieuw aparte infrastructuur voor nodig. Verbranden kan onder andere in aangepaste gascentrales. Hoe verhoudt deze infrastructuur zich met de Nederlandse situatie? Op het moment dat wind en zon geen energie kunnen leveren, is er 81 GW aan vermogen nodig. De grootste gascentrale in Nederland, de Clauscentrale in Maasbracht (Maasbracht-C), levert 1,3 GW. Daarvan zouden er dus 81 GW / 1,3 GW = 62 centrales nodig zijn.

Al met al is duidelijk dat waterstof als opslagmethode in de context van het Nederlands energieverbruik een aanzienlijke infrastructuur vergt. Er zijn waterstoffabrieken nodig, oude gasvelden inclusief de benodigde infrastructuur voor transport en compressie, en uiteindelijk elektriciteitscentrales waarin de waterstof weer verbrand kan worden.