Een veel gehoord bezwaar tegen duurzame energiebronnen is dat het aanbod aan opgewekte elektriciteit niet altijd overeenkomt met het moment van stroomafname. Voor langere periodes opslaan kan uitkomst bieden, maar hoe?

Rijkert Knoppers, in: MilieuMagazine nr. 2, maart 2020

Je neemt een hijskraan met zes horizontale armen. Aan elke arm bevinden zich hijsapparaten, die voortdurend met het op- en neer hijsen van betonblokken in de weer zijn. Is er een overschot aan elektrische stroom, dan takelen de hijsapparaten een aantal betonblokken omhoog, die ze vervolgens op een verhoging rondom de hijskraan plaatsen, als er behoefte is aan elektriciteit laat de hijsconstructie weer een aantal blokken aan een kabel zakken, waarbij tegelijk een generator de bewegingsenergie omzet in elektriciteit. Het Zwitserse bedrijf Energy Vault, dat sinds kort met deze opslagmethode aan de weg timmert, stelt dat deze opslagtechniek in verschillende groottes kan werken, de capaciteit ligt tussen 10 en 35 MWh (megawattuur), het vermogen bedraagt 2 tot 5 MW (megawatt), het systeem heeft een efficiëntie van ongeveer 90 procent. Het bedrijf zegt geïnspireerd te zijn door de aanpak van de zogeheten pompaccumulatiecentrales, zoals die onder meer in Zwitserland bij verschillende waterkrachtcentrales zijn toegepast, waarbij een hoog gelegen waterreservoir op dezelfde manier energie opslaat zoals de ‘energiekluis’ dat doet met de betonblokken.
Een vergelijkbare techniek om de zwaartekracht te benutten voor energieopslag is het recent ontwikkelde plan van het International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) uit Oostenrijk om bij een berg met een kabelbaan zand of grint op en neer te transporteren. ‘Een van de grote uitdagingen om 100 procent duurzame energie te kunnen toepassen is de lange termijn opslag,’ schrijft projectleider Julian David Hunt in een e-mail. Hij wijst erop dat lithium-ion accu’s momenteel vooral in trek zijn voor de kortdurende opslag van elektriciteit, maar deze hebben als groot nadeel dat de opslagcapaciteit na verloop van tijd daalt. Bij dit Mountain Gravity Energy Storage (MGES) systeem kan het in een hoog gelegen reservoir opgeslagen zand daarentegen zonder enige verlies maanden of zelfs jaren bewaard blijven. ‘Een voordeel is dat zand of grind goedkoop is, goedkoper dan water,’ aldus Hunt. ‘En zand verdampt niet, dus je kunt het eindeloos gebruiken.’ Om bijvoorbeeld gedurende 6 maanden continu 2 MW aan elektriciteit op te kunnen wekken, is een zandheuvel nodig van 200 bij 200 meter oppervlak en een hoogte van 30 meter, het reservoir moet zich op 2.000 meter hoogte bevinden en het zand moet een dichtheid hebben van 1,6 kg per kubieke meter. Volgens Hunt zijn er nog geen definitieve afspraken over een mogelijke toepassing gemaakt.

Zeecontainers

Maar in ons vlakke Nederland zal het MGES systeem misschien hooguit bij de Sint-Pietersberg in zuid Limburg toepasbaar blijken, hoewel de geringe hoogte van 100 meter ook daar niet meteen optimistisch stemt over het rendement van het systeem. Gelukkig is er voor ons land ook op een andere manier grootschalige opslag mogelijk, en wel in accu’s. De zogeheten Hartelbatterij bij Rotterdam, die verleden jaar is opgeleverd, bestaat uit een grote hoeveelheid lithium-ion (Li-ion) accu’s die zijn ondergebracht in zes zeecontainers. Samen kunnen ze 10 MWh aan duurzaam opgewekte elektriciteit opslaan. De containers staan in de buurt van Windpark Hartel, waar acht windturbines van energiebedrijf Greenchoice samen per jaar gemiddeld 68 GWh groene stroom leveren, goed voor ongeveer 18.000 huishoudens. Als de windmolens meer stroom generen dan er vraag is, kan het overschot naar de batterij. ‘Wij zijn bezig met diverse projecten op het gebied van opslag,’ vertelt Maurice Koenen van Greenchoice. ‘Mijn bedrijf heeft bij dit windpark gekozen voor Li-ion batterijen, omdat er behoefte was aan korte termijn opslagmogelijkheden.’ Dat het mogelijk is om nog grotere netgekoppelde accu’s te realiseren blijkt uit een project bij het Australische windpark Hornsdale, 230 km ten noorden van het Adelaide. De betreffende accu’s hebben een gezamenlijk vermogen van 100 MW, de opslagcapaciteit ligt op 129 MWh. 

Kleinschalige opslag

Zoals bekend gebeurt kleinschalige elektriciteitsopslag momenteel vooral in de veel toegepaste Li-ion accu’s, zoals bijvoorbeeld bij de mobiele telefoon en de elektrische auto. Hoe goed dergelijke accu’s in het algemeen ook functioneren, er zijn ook tekortkomingen, zoals de geringe capaciteit, wat maakt dat bijvoorbeeld de accu van het mobieltje snel leeg is en bijvoorbeeld de elektrische Renault ZOE op één lading niet veel verder komt dan 300 km.
Maar de techniek staat op dit gebied ook hier niet stil, zo kwam de Australische Monash Universiteit begin dit jaar met de mededeling, dat het beter zou zijn om de gangbare Li-ion batterij te vervangen door de door hen ontwikkelde lithiumzwavel accu. Deze zouden in theorie vijf keer zoveel energie per gewichtseenheid opslaan, bovendien zouden deze goedkoper zijn vanwege het gebruik van een kathode, die gemaakt is van zwavel, en niet van de gebruikelijke zeldzame aardmetalen. Een probleem is dat de accu nu nog een korte levensduur heeft, na 40 tot 50 keer opladen is het gedaan met het opslagsysteem. ‘Om de doelstelling van een cyclus van 500 keer opladen te halen, zullen we dezelfde doorbraken moeten bereiken zoals die bij lithium elektrodes zijn gerealiseerd,’ aldus projectleider Mahdokht Shaibani. Zij verwacht dat de accu over twee tot vier jaar op de markt verkrijgbaar zal zijn.

Regelen

Maar de meest elegante aanpak om het energetisch verschil tussen aanbod en vraag in evenwicht te brengen komt van het Duitse Fraunhofer Instituut. Afgelopen januari presenteerde het onderzoeksinstituut een nieuw samenwerkingsverband, onder de naam ES-FLEX-INFRA, dat gaat onderzoeken hoe het mogelijk is om de productie en de vraag naar stroom veel meer op elkaar af te stemmen dan nu gebeurt. ‘Het is noodzakelijk om de energiesectoren met elkaar te verbinden, zoals elektriciteit, aardgas, wijkverwarming en transport,’ aldus dr. Bernard Klaassen van het Fraunhofer Instituut. ‘Het is bijvoorbeeld veel kosten-effectiever en efficiënter om het aanbod en de vraag naar energie in evenwicht te brengen door bijvoorbeeld industriële afvalwarmte te gebruiken en thermische energie op te slaan, dan energie te bewaren in de vorm van elektriciteit.’ Want als er eenmaal warmte is opgeslagen, dan is het tamelijk eenvoudig om daarmee weer elektriciteit te genereren. Met andere woorden: het is een kwestie van het in contact brengen van bedrijven die een overschot aan energie hebben met degenen die die energie goed kunnen gebruiken.