Gezinus Wolters is een gepensioneerd werktuigbouwkundig ingenieur van TU Delft. In dit blog onderzoekt hij de verschillende soorten energieopslag en vraagt zich af waarom er zo weinig bekend is over thermische opslag.
Sommige dingen komen totaal onverwacht, andere dingen heb je al jarenlang zien aankomen. Daarbij vraag je je dan af waarom er nooit actie werd ondernomen. Vreemd, verstandige mensen met invloed en verantwoordelijkheid moeten het toch ook hebben gezien?
Een voorbeeld van zo’n glashelder veronachtzaamd fenomeen is de noodzaak van energieopslag bij groene energieopwekking via wind en zon. Als het niet waait en de zon niet schijnt wil je liever niet afhankelijk zijn van conventionele energiecentrales en als er via wind en zon zoveel groene energie geproduceerd wordt dat er een overschot is wil je liever niet dat het teveel aan elektrische energie in afvalwarmte moet worden omgezet. De simpele oplossing is een energiebuffer waarin overtollige energie kan worden opgeslagen om weer te worden gebruikt bij een productietekort.
Maar helaas is elektrische energie niet erg eenvoudig is op te slaan. Er is maar een manier om elektrische energie direct op te slaan: in condensatoren. En hoewel er veel ontwikkeling is op het gebied van zogenaamde supercondensatoren, onder meer voor toepassingen bij voertuigen, ligt het toch niet in de lijn van de verwachtingen dat condensatoren in de voorzienbare toekomst kunnen worden gebruikt voor grootschalige energieopslag. De elektrische energie moet daarom altijd worden omgezet in een andere energievorm. Er zijn daarbij in principe veel mogelijkheden: chemisch (batterijen, waterstof); kinetisch (vliegwielen); potentiële energie (stuwmeer, gravitatieopslag); thermisch (warmtebuffer); veerkracht; etc.
Het is van belang om onderscheid te maken tussen het vermogen en de capaciteit van een opslagmedium. De capaciteit, een hoeveelheid energie, wordt meestal uitgedrukt in megawatturen (MWh). Het vermogen, vaak uitgedrukt in megawatts (MW) is de energie die per tijd kan worden geleverd.
Twee methoden worden op dit moment gebruikt en ontwikkeld: batterijen en groene waterstof. Beide methoden hebben forse nadelen.
Batterijen zijn de meest voor de hand liggende oplossing voor de opslag van elektrische energie. De huidige batterijen zijn afhankelijk van moeilijk te winnen, steeds duurder wordende grondstoffen (lithium, kobalt). Megabatterijen (>100 MWh) hebben een behoorlijk grote oppervlaktebehoefte, maar vooral: ze zijn peperduur. Ze kosten minstens 0,5 miljoen euro per MWh, maar de kosten van de nieuwe geplande megabatterij in Australië van 1500 MWh = 1,5 GWh worden op 2,4 miljard euro geraamd: 1,6 miljoen euro per MWh. Ondanks deze hoge kosten blijken de Australische megabatterijen zeer rendabel te zijn.
Een verder nadeel van batterijen is hun beperkte levensduur. Algemeen wordt aangenomen dat deze 20 à 30 jaar bedraagt. Dit is echter een onzekere schatting, maar wel zeker is dat het conversierendement in de loop van de tijd afneemt.
Als we een ruwe schatting maken van de kostprijs van een door een megabatterij geleverde MWh elektriciteit, dan zouden we kunnen uitgaan van de volgende ruwe gegevens.
Stel dat de batterij 1 miljoen euro per 1 MWh opslagcapaciteit kost. Stel dat dit jaarlijks 100.000 euro aan rente en afschrijving kost. Stel dat de batterij per jaar 100 cycli kan produceren, dat wil zeggen 100 x 1 = 100 MWh elektriciteit kan opladen en ontladen. Elke MWh elektriciteit die door de batterij wordt geleverd kost dan €1000. Dit nog afgezien van de kosten van de aangeleverde elektriciteit.
Het mag duidelijk zijn dat een dergelijke batterij alleen maar rendabel kan zijn als er een groot verschil is tussen de verkoop- en inkoopprijs.
De kostenstructuur van groene waterstofopslag is heel anders. De kosten daarvan zijn voornamelijk productiekosten. Een waterstofinstallatie die volgens de elektrolysemethode waterstof produceert kost ongeveer 1,5 miljoen euro per MW. Verder worden de productiekosten (operationeel, transport, opslag) geschat op ongeveer €4 per kg waterstof, exclusief de kosten van de benodigde elektrische energie. Dit resulteert in een kostprijs van ongeveer €7 per kg waterstof.
Verwacht wordt dat dit over ongeveer vijf jaar gezakt zal zijn naar €1 à €2 per kg.
Bij de verbranding van een kilogram waterstof komt circa 140 MJ = 0,039 MWh vrij. 1 MWh kost dan, bij een kostprijs van €7 per kg waterstof, 7/0,039 = 180 euro. Zeg 200 euro, rekening houdend met het rendement.
De huidige groene waterstofproductie is nog afhankelijk van schaarse of moeilijk winbare katalysatoren (iridium, platina). Mogelijk wordt dat in de toekomst beter.
Nadelig is verder het lage conversierendement (30% - 50%). Bij batterijen is dit 80-95%.
Een nadeel is ook de explosiviteit (veiligheid) en het grote benodigde volume van de opslag.
Een gunstig aspect is ook dat groene waterstof naast een mogelijke opslagfunctie nog vele andere toepassingen heeft (chemie, metaal, transport).
De productiekosten van conventionele stroomopwekking zijn sterk afhankelijk van de brandstofprijzen, maar liggen, ter gedachtebepaling, in de orde van 0,10 euro per kWh of 100 euro per MWh. Vergeleken daarmee liggen de kosten van een MWh elektriciteit die door batterij- of waterstofopslag wordt afgegeven (respectievelijk in de orde van €1000 en €200) beduidend hoger. Dit nog afgezien van de kosten van de aangeleverde elektriciteit.
Dat deze opslagmedia toch als rendabel worden beschouwd komt door het verschil in de prijs van de toegevoerde en afgevoerde elektriciteit. Afgezien van het feit dat energieopslag eenvoudigweg noodzakelijk is vanwege de leveringszekerheid.
De toekomstige ontwikkeling van goedkopere, duurzamere, minder van schaarse metalen afhankelijke batterijen en elektrolysers is lastig te voorspellen. Echter het grote verschil tussen de huidige kostprijs van een MWh opgeslagen elektriciteit geeft een indicatie dat waterstof in dit opzicht een grote voorsprong heeft. Ook het feit dat groene waterstof naast een mogelijke opslagfunctie nog op vele andere manieren kan worden gebruikt is van belang.
In de inleiding werd de verwondering verwoord dat een zo voorspelbaar fenomeen als de noodzaak tot energieopslag niet eerder werd aangepakt. Zo kan men zich ook verbazen over het feit dat er zo weinig geld en energie is gestoken in de ontwikkeling van opslagmethoden waarvoor geen uitgebreid onderzoek en ontwikkeling en/of schaarse of moeilijk winbare metalen nodig zijn. Zo’n methode is bijvoorbeeld gravitatieopslag: opslag door de potentiële energie van de zwaartekracht. Het lijkt zeer aannemelijk dat met deze methode voor vergelijkbare kosten als die van batterijopslag (1 miljoen per MWh) opslag is te realiseren met een conventionele ontwerpprocedure zonder noodzakelijk fundamenteel onderzoek. Zo’n opslag heeft het voordeel van een potentieel lange levensduur. Er zijn een aantal projecten, bijvoorbeeld Gravitricity en Energy Vault, die dit concept exploreren. Maar of deze concepten zonder substantiële investeringen een zonnige toekomst tegemoet kunnen zien is zeer twijfelachtig.
De ontwikkeling van energieopslag met vliegwielen lijkt gestageerd. Na de installatie van Beacon Power in 2014 met een capaciteit van 5 MWh hebben we geen significante ontwikkelingen waargenomen. De belangrijkste voordelen van vliegwielopslagsystemen zijn de lange levensduur en de snelle respons.
Zijn er nog opslagmethoden die tot nu toe grotendeels buiten beeld zijn gebleven? Alweer, ik heb het altijd zeer opmerkelijk gevonden dat ik in de literatuur vrijwel nergens een opslagmethode heb gevonden op basis van thermische opslag. Er zijn weliswaar veel thermische opslagsystemen, maar deze zijn alleen bedoeld als tijdelijke opslag van warmte, ze geven dus warmte af, geen elektriciteit. Onze doelstelling met thermische opslag is om vanuit de opslag weer elektrische energie te produceren.
Het principe daarvan is eenvoudig en praktisch. Verwarm water tot een hoge druk en een hoge temperatuur met overtollige elektrische energie en gebruik deze thermische energie in de vorm van stoom door deze aan (bestaande) stoomturbines van een elektrische centrale toe te voeren. Qua infrastructuur een aantrekkelijke propositie.
Maar is zo’n thermische opslag theoretisch, praktisch en economisch een levensvatbaar concept?
We zullen trachten om hierover een globale verkenning uit te voeren.
De grootste nu geplande opslagprojecten met batterijen (Australië, Delfzijl) hebben een capaciteit van ongeveer 1 GWh. Laten we daarom bij deze verkenning uitgaan van een opslag van 1 GWh. Ter gedachtebepaling en relativering: met 1 GWh kunnen ruim 100.000 huishoudens een etmaal van elektriciteit worden voorzien. Ter vergelijking: een middelgrote elektriciteitscentrale met een vermogen van 400 à 500 MW kan in een etmaal 10 GWh leveren..
We gaan bij de opslag van het oververhitte water uit van een maximale temperatuur 350 oC en druk 200 bar. We nemen als minimum temperatuur 150 oC waarmee het temperatuurverschil ∆T = 200 oC wordt. We gaan er van uit dat de opslagtanks van staal worden gemaakt. Dit staal levert ook een bijdrage aan de capaciteit voor de warmteopslag. In plaats van 1 GWh kunnen we daarom uitgaan van een opslag van 0,7 GWh (water) en 0,3 GWh (staal).
Voor deze 0,7 GWh is bij een ∆T = 200 oC 3000.000 kg of 3000 m3 water nodig. Indien we opslagtanks met afmetingen: diameter 5m en lengte 20m nemen komt dit overeen met ongeveer 10 tanks. Substantieel dus, maar niet buitensporig, zeker niet vergeleken met de ruimtebehoefte van batterijopslag. Vanzelfsprekend zullen de opslagtanks moeten worden voorzien van een goede warmte-isolatie.
Het is constructief waarschijnlijk niet gunstig om een hogedruktank te maken met een dergelijk grote diameter. Het lijkt meer voor de hand te liggen om een tank te vullen met kleinere buizen. De ruimte tussen de buizen kan dan worden gevuld met bijvoorbeeld zand. Dit zand levert dan ook een relatief kleine bijdrage aan de warmtecapaciteit van de opslag.
Naast de technische mogelijkheden en uitvoerbaarheid is ook het kostenaspect van bepalend belang. Deze kosten zijn erg lastig in te schatten. De opslag zal zo dicht mogelijk bij een elektriciteitscentrale (met stoomturbine) moeten worden geplaatst. De stroomtoevoer vanuit windturbines of zonnecelinstallaties kan daarom grotendeels via het bestaande elektriciteitsnetwerk plaats vinden. De kosten van de opslagtanks zullen een substantieel aandeel van de kosten van de hele installatie vormen. We proberen een schatting te maken van de kosten van het benodigde staal.
Met een conservatieve aanname voor de toelaatbare treksterkte van 150 N/mm2 berekenen we dat . de volumeverhouding water: staal ongeveer 4 : 1 zal zijn. Voor een GWh komen we dan op ongeveer 6 miljoen kg staal. Nemen we een kostprijs voor het staal €5/kg dan zijn de kosten voor het staal van de hele installatie €30 miljoen. Substantieel, maar in het licht van de kosten van batterijopslag (in de orde van €0,5 à €1,5 miljard per GWh) toch hoopgevend.
De tanks zouden ook van glasvezel of koolstofvezel kunnen worden gemaakt. Deze materialen zijn lichter en sterker, maar het lijkt niet waarschijnlijk dat deze materialen een goedkopere constructie zullen opleveren. De levensduur van een thermische opslaginstallatie zoals beschreven is van zoveel factoren afhankelijk dat daarover weinig zinvols is te zeggen. Mogelijk zou dit een argument kunnen opleveren om toch glasvezel of koolstofvezel als materiaal voor opslagtanks te gebruiken.
Het is opmerkelijk dat er weinig of geen plannen bekend zijn om elektrische energie op te slaan met thermische opslag. Warmteopslag wordt wel gebruikt om warmte te leveren, maar niet om, via stoom en een (bestaande) stoomturbine, elektriciteit te leveren.
Thermische opslag van elektrische energie vergt weinig nieuwe infrastructuur. Er kan gebruik worden gemaakt van het bestaande elektriciteitsnet voor de toevoer en van bestaande elektriciteitscentrales voor de levering. Wel moeten vrij volumineuze hoge druk, hoge temperatuur goed geïsoleerde opslagtanks worden geconstrueerd.
De kosten van thermische opslag zijn onmogelijk enigszins nauwkeurig in te schatten. Een raming van de kosten van het benodigde staal voor een opslag van 1 GWh komt uit op ongeveer €30 miljoen euro. Vergeleken met de kosten van een 1 GWh batterijopslag (€0,5 à €1,5 miljard) lijkt dit niet onoverkomelijk.
De kosten van elektriciteit die door een opslagbuffer wordt geleverd mogen hoger zijn dan de kosten van elektriciteit die door een conventionele centrale of door wind of zon wordt geproduceerd. Het hogere kosten kunnen worden gecompenseerd door het verschil in prijs van de toegevoerde en afgevoerde elektriciteit. Ook is een opslagbuffer, afgezien van de kosten, noodzakelijk vanwege de leveringszekerheid.
De opslagtanks zouden in plaats van van staal ook van glasvezel of koolstofvezel kunnen worden gemaakt. Het is niet waarschijnlijk dat met deze materialen een goedkopere constructie kan worden gemaakt. Mogelijk zou een langere levensduur een argument kunnen zijn om dit toch als materiaal voor opslagtanks te gebruiken.
