Groene stroom, waar laten we het?

In de toekomst moeten zonne- en windenergiecentrales in een steeds groter deel van onze energiebehoefte voorzien, maar ook onze gebouwen kunnen bijdragen aan het opwekken van duurzame, groene energie. Om een stabiel distributienetwerk in stand te kunnen houden op de momenten dat de zon niet schijnt of de wind niet waait, zijn oplossingen nodig voor de efficiënte opslag van groene elektriciteit. Er zijn meerdere uitgangspunten.

De energietransitieovergang gaat gepaard met een van de grootste structurele, politieke hervormingen in de Duitse geschiedenis. Het is de bedoeling dat in 2050 het merendeel van de benodigde energie afkomstig is uit van hernieuwbare bronnen. De huidige wet op duurzame energie geeft daarom prioriteit aan elektriciteit, afkomstig van zonne- en windenergiecentrales. Wanneer in Duitsland de wind waait of de zon schijnt, kunnen leveranciers hun duurzame energie tegen vaste prijzen aan het energienetwerk leveren.

Innovatief ontworpen huizen en wijken die aan de Plus-Energy-standaard voldoen, leveren met hun overproductie van elektriciteit een belangrijke bijdrage aan de energietransitieovergang. Ondertussen kijken de pioniers van de Plus-Energy-concepten alweer verder dan de zelfvoorzienende energieproductie die slechts alleenenkel in de eigen behoefte voorziet. In de toekomst moet het teveel aan opgewekte energie worden gebruikt om andere gebouwen in de wijk van energie te voorzien. Er wordt met onderzoek gedaan naar mogelijke opslagsystemen en er zijn inmiddels zijn al talrijke oplossingen voor voelbare, latente verborgen en thermochemische warmteopslag.

Bij de geleidelijke overgang naar hernieuwbare energiebronnen op grote schaal, doen zich twee belangrijke technologische uitdagingen voor. De energienetwerken moeten worden uitgebreid en de stabiliteit van het elektriciteitsnet moet op lange termijn worden gegarandeerd. De kern van de zaak is het nieuwe principe voor de opwekking van elektriciteit. Gas- en kolengestookte elektriciteitscentrales leveren aan het netwerk op basis van de vraag, terwijl centrales die gebruikmaken van hernieuwbare energie alleen leveren op het moment dat ze daadwerkelijk elektriciteit opwekken. Opslagconcepten die hiaten gaten in de levering voorkomen zijn daarom onmisbaar voor het toekomstige energiesysteem.

De opslag van energie in de vorm van elektriciteit is echter niet eenvoudig. Er zijn maar weinig oplossingen die de tand des tijds hebben doorstaan en daarnaast bevinden veel systemen zich nog in de ontwikkelfase. Hieronder bespreken we vijf veelbelovende methodes:

Aardgasnetwerk als opslagsysteem

Energieonderzoekers vestigen hun hoop voor de toekomst op het Power2Gas-proces. Overtollige elektriciteit van windkracht- en zonnepanelensystemen wordt gebruikt om water door middel van elektrolyse in waterstof en zuurstof te splitsen. Door een biologisch proces waarbij CO2 wordt toegevoegd, wordt de waterstof vervolgens omgezet in methaan. Dit gas kan naar behoefte als brandstof worden gebruikt, of voor later gebruik in het gasnetwerk worden opgeslagen. Het rendement van dit systeem is nog steeds lager dan 40 procent, maar Power2Gas biedt geweldige mogelijkheden. Zo kan duurzaam aardgas worden gebruikt voor de langetermijnopslag van energie en is het verder gemakkelijk te krijgen. Met de bestaande aardgasinfrastructuur kan een opslagreservoir van meer dan 200 terawatt-uur maandenlang energie leveren.

Ondergrondse opslag van energie in perslucht

In persluchtcentrales voor energieopslag wordt overtollige elektriciteit met een elektrische compressor samengeperst en in ondergrondse holtes of ‘cavernes’ opgeslagen. Wanneer de energiebehoefte in het distributienetwerk toeneemt, kan de lucht worden vrijgelaten om een turbine aan te drijven, zoals bij pompcentrales gebeurt. In Staßfurt, in de Duitse deelstaat Saksen-Anhalt, wordt momenteel een test- en demonstratiesysteem voor een efficiënte persluchtcentrale gebouwd. Eerdere onderzoeksactiviteiten van het Instituut voor technische thermodynamica van het Duitse onderzoekscentrum German Aerospace Centre (DLR) hebben de weg vrijgemaakt voor het project ‘Adele’ (adiabatische energieopslag in perslucht voor elektriciteitsvoorziening). Nu moet nog worden aangetoond of het proces uitvoerbaar en vooral financieel haalbaar is.

Onderwateropslag van energie in perslucht

Een andere mogelijke oplossing voor het probleem is opslag onder water. De universiteit van Nottingham ontwikkelde gigantische ballonnen van synthetisch materiaal die door middel van stalen constructies aan de oceaanbodem worden bevestigd. Bij dit systeem wordt de verandering van de druk tijdens het vrijlaten van de samengeperste lucht automatisch geminimaliseerd als gevolg van de hoge waterdruk van buitenaf. De opslagmogelijkheid is aanzienlijk, hoewel de wetenschappers na de onderzoeksfase van vier jaar toegeven dat deze methode alleen commercieel haalbaar is in extreem diepe wateren. De populariteit van de onderwateropslag van energie blijkt niettemin uit een project in Canada. In samenwerking met E.ON heeft een Canadees bedrijf op basis van de onderzoeksresultaten van Nottingham ‘energiezakken’ voor onderwateropslag in perslucht ontwikkeld.

Pompcentrale

Een van de efficiëntste systemen voor energieopslag van dit moment is de pompcentrale. In de branche wordt dit systeem tegenwoordig beschouwd als de standaardoplossing om energie van zonne- en windenergiecentrales op te slaan voor later gebruik. De elektriciteitscentrale gebruikt het overschot aan gegenereerde energie om water naar een hoger reservoir te pompen. Zodra de vraag naar energie toeneemt, laat men het water in het reservoir via leidingen naar lager gelegen turbines stromen, die weer elektriciteit genereren. Het rendement van deze methode ligt tussen 60 en 80 procent, afhankelijk van het type systeem. In Duitsland zijn op dit moment 30 van zulke pompcentrales in werking, met een totale opbrengst van 6,5 gigawatt. Naar verwachting wordt in 2018 in Atdorf de grootste pompcentrale van Europa in gebruik genomen.

Energieopslag in elektrische auto’s

In de komende decennia kunnen elektrische auto’s een centrale rol gaan spelen in de mobiele energieopslag. Te veel aan elektriciteit kan worden opgeslagen in de accu van elektrische auto’s. Andersom zouden auto-eigenaren elektriciteit uit de accu van hun auto aan het elektriciteitsnet kunnen leveren in geval van tekorten of pieken in de vraag. Voor de uitvoer van dit concept is grootschalig gebruik van elektrische voertuigen vereist en moet bovendien de accutechnologie verder worden ontwikkeld. Na de eerste prototypes van Plus-Energy-huizen - nieuwe en gerenoveerde eengezinswoningen - met een aansluiting voor elektromobiliteit en de wetenschappelijke evaluatie van de monitoringfases, wordt het concept nu ook steeds vaker in grotere gebouwen toegepast.