Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Elektriciteitopslag

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Het is mogelijk opgewekte elektriciteit die niet instantaan gebruikt kan worden tijdelijk op te slaan. Dit kan in systemen waarbij de elektriciteit tijdelijk omgezet wordt in een andere vorm van (potenti?le) energie (Sandia, 2001; Gandy, 2000). De verwachting is dat opslag met name een rol zal spelen bij het opheffen van middellange en lange termijn verschillen tussen vraag en aanbod (fluctuaties op termijnen van enkele uren tot een seizoen). Voor deze termijnen hebben de volgende systemen de belangrijkste potentie (Stortelder en Van der Veen, 2003).

Pompaccumulatiecentrales
Pompaccumulatie met water is de techniek waarbij water uit een lagergelegen spaarbekken opgepompt wordt naar een hoger gelegen spaarbekken. De pompaccumulatiecentrale is een aanvulling op of uitbreiding van een waterkrachtcentrale met spaarbekken. Het grote ruimtegebruik en het benodigde hoogteverschil tussen de bekkens legt beperkingen op aan het gebruik van deze technologie.

Pompaccumulatie met lucht is de techniek waarbij lucht gecomprimeerd wordt in een drukbestendige ruimte, om bij piekvraag ingezet te worden in een gasturbine. Als opslagmedium kan een geologische ruimte gebruikt worden, zoals een uitgespoelde zoutmijn, of speciaal ontwikkeld drukvat.

Elektrochemische opslag in oplaadbare batterijen
De belangrijkste onderdelen van een batterij zijn de positieve en de negatieve elektrodes, ofwel respectievelijk anode en kathode, en de elektrolyt. Tijdens het ontladen reageert het anodemateriaal met de elektrolyt, waarbij ??n of meer elektronen opgenomen worden. Deze elektronen komen als het ware via het aangesloten stroomcircuit uit de kathode. De kathode kan elektronen leveren doordat het kathodemateriaal eveneens met de elektrolyt reageert. Een batterij is oplaadbaar als de reacties tussen zowel anode en elektrolyt als kathode en elektrolyt omkeerbaar zijn. Tijdens opladen vindt dan de omgekeerde reactie plaats als die welke tijdens ontladen optreedt.

Loodbatterij is de grootschalige toepassing van de welbekende lood-accu, meestal uitgevoerd als vlakke-plaat accu, maar in grotere toepassingen ook als buisjes-plaat of ?rot-plate? accu. De elektrolyt bestaat uit een mengsel van zwavelzuur en water, de kathode uit lood en de anode uit loodoxide.

Nikkel-cadmium batterij is naast de loodaccu de meest toegepaste batterij. De grotere toepassingen zijn open, en gebruiken een waterig elektrolyt, meestal een oplossing van kaliumhydroxide. De kathode bestaat uit geoxideerd nikkel, terwijl de anode uit cadmium bestaat.

Natrium zwavel batterij is een vermogensbatterij die bij relatief hoge temperaturen (meer dan 300?C) werk, met de bijzonderheid dat de elektrolyt, beta aluminium ceramiek, vast is terwijl de anode (zwavel) en de kathode (natrium) vloeibaar zijn.

Lithium batterij is een relatief nieuw batterijtype met een zeer hoog rendement (bijna 100%) dat binnen korte tijd een aanzienlijk aandeel in de markt voor draagbare toestellen heeft veroverd. De kathode is een lithium-metaaloxide, de anode is van koolstof met een gelaagde structuur terwijl de elektrolyt wordt gevormd door een lithiumzout opgelost in organische carbonaten.

Flowbatterij of reversibele brandstofcel, waarvoor het principe van de werking gelijk is aan die van de hiervoor behandelde batterijen, maar het belangrijke verschil is er met twee elektrolyten gewerkt wordt, die door een polymeer membraan van elkaar gescheiden zijn. Bovendien worden de elektrolyten rondgepompt naar gescheiden opslagvaten, waardoor zelfontlading geminimaliseerd wordt. Er zijn drie typen: vanadium, natriumsulfide/natrium?bromide en zinkbromide.

Een opslagsysteem wordt gekenmerkt door twee grootheden, vermogen en capaciteit, die in tegenstelling tot opwekkingsopties in principe volstrekt niet gerelateerd zijn. Ter illustratie: het vermogen van een pompaccumulatiecentrale met water (uitgedrukt in Watts) wordt bepaald door de gebruikte turbines. De capaciteit van de centrale wordt gegeven door de opvangmogelijkheid van de reservoirs. De inhoud wordt normaal gesproken gegeven in kubieke meters, maar kan ook worden uitgedrukt in Watturen. De capaciteit bepaald hoeveel elektriciteit maximaal kan worden opgeslagen (totdat het reservoir of een batterij ?vol? is) en bepaalt gedurende welke tijd uit de opslag het maximale vermogen aan elektriciteit kan worden geleverd.

Huidige toepassing
Opslag van elektriciteit wordt in Nederland momenteel nog niet grootschalig toegepast. Dit ligt voor een belangrijk deel aan de kosten van opslag, die nu nog zodanig zijn dat opslagtechnieken de concurrentie met opwekkingsopties niet aankunnen. De enige optie die wel veelvuldig wordt toegepast in het buitenland, de pompaccumulatie met water, is vanwege de specifieke eisen voor toepassing van deze techniek (grote waterbassins met liefst aanzienlijk hoogteverschil) minder geschikt voor gebruik in Nederland.

In de Europese Unie wordt energieopslag met behulp van pompaccumulatie al grootschalig toegepast, met een jaarlijkse productie van bijna 27 TWh in 2002. De vermogens van pompaccumulatiecentrales varieert tussen 200 MW en 2000 MW, en de capaciteit varieert tussen de 2 GWh en 25 GWh. Deze systemen hebben vaak toegevoegde waarde als opslagsysteem voor water, wat de rentabiliteit verbetert. Verder zijn ook de pompaccumulatie met lucht en de loodaccu batterij als volwassen technologie te beschouwen. In Duitsland bestaat voor beide systemen een werkende installatie, respectievelijk van 290 MW/2,9 GWh en 8,5 MW/8,5 MWh. Doordat de vraag naar elektriciteitsopslag vooralsnog gering is, en de kosten van deze typen van opslag nog relatief hoog zijn, is er nog geen sprake van grootschalige toepassing. Van de overige typen batterijsystemen zijn alleen demonstratieinstallaties gebouwd.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
De pompaccumulatiesystemen, alsmede de loodaccu en de nikkelcadmium batterij zijn technologie?n die vrijwel uitontwikkeld zijn. Hierbij zijn maar weinig verbeteringen te verwachten.

De flowbatterijen zijn nog in de demonstratiefase. Er valt nog veel te leren van het toepassen van het principe. Vooruitgang uit zich vooral in een kostendaling als gevolg van grootschalige toepassing, en verbeteringen in het rendement. De natriumsulfide batterij is vrijwel uitontwikkeld. Aan lithiumbatterijen wordt nog veel onderzoek gedaan, waarbij recent een aantal doorbraken in materiaalgebruik hebben plaatsgevonden. Deze doorbraken leiden naar verwachting tot hogere effici?ntie en een langere levensduur van het systeem.

Technische gegevens en kostenaspecten
Een belangrijke technische factor in de opslagtechnieken is de effici?ntie. Verhoging van de effici?ntie zorgt voor minder elektriciteitsverlies. Dit geeft niet alleen lagere kosten, maar zorgt er tevens voor dat er minder opwekkingsvermogen ge?nstalleerd hoeft te worden. Aangezien een groot aantal technologie?n in de kinderschoenen staat, is een verhoging van de effici?ntie nog te verwachten.

Een tweede aspect dat een grote invloed heeft op de rol die opslag kan spelen in de energievoorziening is de levensduur van installaties. Voor beide pompaccumulatiesystemen is de levensduur lang, tenminste dertig jaar. Bovendien geldt voor deze opties dat de levenduur met relatief kleine investeringen aanzienlijk verlengd kan worden. Voor de batterijachtige typen geldt over het algemeen een bepekte levensduur. Dit heeft er mee te maken dat de chemische omzettingen in de praktijk niet 100% omkeerbaar zijn.

De kosten van opslagsystemen zijn van vele factoren afhankelijk. Niet alleen de materiaalkosten van het gebruikte systeem spelen een rol, maar ook de kosten van elektriciteit en vooral het verschil tussen piek- en dalprijzen hebben een grote invloed op de rentabiliteit van de systemen. Net als bij de pompaccumulatie met water, waarbij de spaarbekkens ook gebruikt worden als (drink)wateropslag, kunnen systemen secundaire doelen dienen, en daarmee een soms moeilijk kwantificeerbare bonus hebben.

In Tabel 1 wordt een overzicht gegeven van de belangrijkste technische en economische parameters voor opslag. In tegenstelling tot een opwekkingsysteem is het bij een opslagsysteem niet mogelijk de investeringskosten als ??n grootheid weer te geven. Naast het vermogen wordt een systeem ook gekenmerkt door zijn capaciteit. Doordat een aantal technologie?n nog niet in productiefase is, is niet voor alle technologie?n een (betrouwbare) inschatting van de onderhoudskosten (O&M-kosten) te geven.

Tabel 1 Technische en economische kenmerken van opslagsystemen (Stortelder en van der Veen, 2003)

Opvallend is wellicht dat een opslagsysteem zowel kosten per kW als kosten per KWh kent. Dit komt doordat het vermogen en de capaciteit voor een opslagsysteem onafhankelijke grootheden zijn. Ter illustratie: een pompaccumulatiecentrale met water van 1 GW en 1 GWh kost 825 M? en kan slechts gedurende ??n uur zijn vermogen leveren. Een centrale met hetzelfde vermogen, maar een capaciteit die 24 keer zo groot is (en dus gedurende ??n etmaal het maximale vermogen kan leveren), kost 3125 M? . Omdat vermogen en capaciteit onafhankelijk zijn, is het dus niet mogelijk om ??n investeringskostenparameter te geven.

De frequentie van het gebruik van een opslagsysteem bepaald wat belangrijker is: lage kosten of een hoog rendement. Wanneer de opslag dagelijks wordt gebruikt is een hoog rendement van belang en mogen de kosten wat hoger zijn. Wanneer de opslag slechts enkele malen per jaar wordt gebruikt (seizoensopslag) dan is een hoog rendement minder belangrijk, maar zijn lage kosten een issue.

Wanneer elektriciteitsopslag wordt gebruikt bijvoorbeeld bij grootschalige inzet van duurzame bronnen dan zijn de additionele kosten per kilowattuur voor elektriciteitsopslag sterk afhankelijk van het daadwerkelijke gebruik van de opslag. Voor de goedkoopste optie (pompaccumulatie met lucht) komen de kosten in de huidige situatie overeen met een additionele elektriciteitsprijs van rond de 5 ? ct/kWh (Martinus, 2004).

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004