Elektriciteitsopslag:

Transcriptie

1 Elektriciteitsopslag: De stand van zaken Ir. E.H. Lysen Utrecht Centrum voor Energieonderzoek (UCE) FOM Workshop Elektriciteitsopslag Rijnhuizen, 1 november 2007

2 Studie kennispositie Nederland elektriciteitsopslag Onderzoek kennispositie elektriciteitsopslag in Nederland en rol voor duurzame energievoorziening (opdracht SenterNovem, NEO ) Literatuuronderzoek en interviews: ECN, Ecofys, Tennet, TU Delft, KEMA, Philips- TU/e, CCM en Universiteit Utrecht UCE rapport, september 2006

3 Kennispositie Nederland 1. Netgekoppelde opslagsystemen: met name bij KEMA en Tennet ook ECN en TU Delft, en Essent, Ecofys 2. Opslag voor autonome systemen: Philips (NiMH) en TU/e, TU Delft, Shell Solar, Univ Utrecht 3. Opslag voor voertuigen: CCM (vliegwiel), Ecofys, Univ Utrecht (H 2 ) Kennispositie laag hoog 1 Netgekoppelde systemen 2 Autonome systemen 3 Voertuigen

4 Typen opslagsystemen Chemische energie opslag 1. Lood-zuur batterij 2. Nikkel-Cadmium en Nikkel-Metaal-Hydride batterij 3. Lithium-Ion batterij 4. Natrium-zwavel batterij 5. Zinkbromide flow batterij 6. Vanadium-redox flow batterij 7. Regenesys flow batterij 8. Metaal-lucht batterij 9. Waterstof Mechanische energie opslag 10.Compressed Air Energy Storage (CAES) 11. Pomp-accumulatie 12.Vliegwiel Elektrische energie opslag 13. Supercondensator 14. Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

5 1. Lood-zuur 2. Lithium 3. Nikkel MH 4. Na-zwavel 5.Zink-bromide 6. Redox: Regenesys 7. Redox: vanadium 8. Metaal-lucht 9. Waterstof 10: CAES 11. Pomp-accumulatie 12. Vliegwiel 13. Supercaps 14. SMES 15. Diversen 16. modellering 17. techno-econ analyse 18. Praktijktest BEDRIJVEN Philips Ecofys CCM Shell Solar UNIVERSITEITEN TU Delft (Schoonman) TU Delft (vd Sluis) TU Eindhoven (Notten) Univ. Twente ("Procede") Univ. Utrecht (de Jong) KENNISINSTELLINGEN KEMA TNO - I&T (MEP) TNO-PML ECN OCTROOIEN Philips Stork Thales Kleine bedrijven Individuen CHEMISCH MECHANISCH ELEKTRISCH ANALYSE

6

7 Energiedichtheid Benzine: 8900 kwh th /m kwh th /ton

8 Ontwikkelingsfase

9 Netgekoppelde systemen: pompaccumulatie Land Pompaccumulatie Totale elektrische Percentage Capaciteit (MW) capaciteit (MW) Groot-Brittannië ,6% Frankrijk ,7% Duitsland ,7 % Italië ,4 % Polen ,1% Zwitserland ,3% Nederland % Europese Unie (15) ,2% USA ,1% Japan ,5% Wereld ,5% Diverse bronnen, w.o. International Small Hydro Atlas of IEA, Eurostat, World Energy Outlook, DoE

10 Samengeperste lucht (CAES) Eerste CAES opslagsysteem: 1978 Huntorf (Dtl) Doel: leveren compressor energie van gasturbine, 290 MW gedurende 2 uur, via lucht opgeslagen in twee zoutholtes met een volume van m 3. Tweede CAES: 1991 Alabama (VS) 110 MW van Alabama Electric Cooperative. Lucht samengeperst in zoutholte (450 m diep), volume van m 3. Druk varieert tussen 74 en 45 bar Plannen voor 2700 MW CAES in Norton (Ohio) en 540 MW CAES in Markham (Texas) zijn nog niet gerealiseerd.

11 Batterij opslag: Fairbanks, Alaska elektrische opslag op basis van NiCd batterijen piekvermogen van 27 MW (15 min.) geïnstalleerd aan eind lange transmissielijn opslag goedkoper dan continubedrijf diesel diesel wordt gestart als uitval te lang gaat duren systeem heeft in reeds 90 keer dreigende netstoring voorkomen

12 Andere bestaande systemen UPS (Uninterrupted Power Supply) UPS neemt bij netuitval tijdelijk een deel van de belasting over (standaard systemen bij ziekenhuizen, banken, enz.) Opslag: accu s, vliegwielen. SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) Tientallen gebouwd, voor netspanningstabilisatie: spanningsdippen voorkomen bij snelle belastingswisselingen (Japan, VS) Redox flow Twintig Redox Flow batterijen opgesteld. (Voorbeeld: 30 MW windcentrale Japan, VRB, 4 MW, 90 minuten, 6 MWh). Recent nieuw onderzoek door KEMA

13 Studies opslagsystemen Integratie wind met opslag Plan Lievense: 1981 prominente rol bij discussie over opslaan windenergie: op 55 m hoge ringdijk rond een kunstmatig stuwmeer: 300 windturbines van 2,8 MW Daarna verschillende studies naar ondergrondse pompaccumulatie centrales (OPAC, S-PAC, etc) Transitieplatform Duurzame Elektriciteitsvoorziening: workshop Wind energie en Opslag, Amersfoort, 4 oktober 2007 Integratie wind zonder opslag DENA studie: van 23,5 TWh wind in 2003 naar 77 TWh wind in 2020 is mogelijk zonder opslag Micro WKK Transitieplatform Nieuw Gas Waterstof DEA studie Denemarken

14 Studie: energie eiland

15 Eigenschappen energie eiland Capaciteit Vermogen (12 x 125 MW) Aantal cycli Rendement Reactietijd Omvang eiland Afstand tot de kust Water niveaus Investeringskosten MWh MW (12 uur) Max. 1 per dag Ongeveer 80% (cyclus) < 1 minuut 10 x 6 km 25 tot 30 km -32 tot -40 m 2,45 miljard Euro

16 Kostenvoordeel opslagsysteem t.o.v. snelle regeleenheid (CCGT) Bron: Energie eiland, haalbaarheidsstudie fase 1, KEMA Consulting en R.I. Lievense, juli 2007

17 OPAC (Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale) Bron: E. van Engelen, Essent (Initiatief groep OPAC)

18 Eigenschappen OPAC Boven- en benedenreservoir: 2,5 miljoen m3 Op 1400 m diepte: benedenreservoir, hal met pompturbines, transformatorhal Opslagcapaciteit: 8 GWh Vermogen: 1400 MW Cyclusrendement 81% Investering: 1,65 miljard Bouwtijd: 5 jaar Bron: E. van Engelen, Essent (Initiatief groep OPAC)

19 Studie TU Delft en Tennet Bron: Bart Ummels, TU Delft

20 Niet-inpasbare windproductie Bron: Bart Ummels, TU Delft

21 Extra CO 2 uitstoot Bron: Bart Ummels, TU Delft

22 Autonome systemen 1983: Terschelling 1984: Radio Hoyer, Curaçao 1988: Zonnehuis Castricum 1988: Sukatani, Indonesië

23 Opslag in voertuigen In 1899 al hybride auto s Amsterdam, Haarlem ( ): 80 elektrische taxi s Porsche, 1899 Eindhoven, 2004: Phileas bussen Rotterdam, 2005: Parkshuttles (Kralingen < > Rivium) VS (EPRI): Plug-in Hybrid Electric Vehicle (1:25) China, 2005: 23 miljoen elektrische tweewielers verkocht Parkshuttle, 2005 PHEV, 2006

24 Studies naar opslag voor voertuigen Bossel: ook de transportsector zal uiteindelijk de elektrische route kiezen. 50% van alle ritten zijn korter dan 5 km 80% van alle benzine wordt gebruikt voor ritten van minder dan 100 km Studies (o.a. Kempton): Vehicle-to-Grid elektriciteitsopwekking aan boord van voertuigen wordt ook gebruikt om terug te voeden in het net 3% van voertuigen in VS kan zo grootschalige wind energie integratie (50% van elektriciteitsverbruik) mogelijk maken Gedachten experiment: 191 miljoen auto s in VS kunnen 2865 GW opwekken, bijna 7x het geïnstalleerd elektrisch vermogen (417 GW)

25 Mobiliteit in Nederland Mobiliteit per regio naar motief en algemene kenmerken Populatie: Hele bevolking Motieven: Totaal motieven Regio's: Nederland Onderwerpen Verplaatsingen per persoon per dag Afstand per persoon per dag Reisduur per persoon per dag Perioden Mobiliteitskenmerken aantal km minuten Zondag 2,13 2,22 2,12 32,27 32,11 31,84 54,24 54,55 52,85 Maandag 3,15 3,05 3,07 28,96 28,88 29,91 58,3 57,49 58,93 Dinsdag 3,34 3,22 3,2 30,9 32,05 31,21 61,13 63,27 61,35 Woensdag 3,29 3,17 3,15 32,29 32,91 31,82 61,37 63,23 62,13 Donderdag 3,24 3,24 3,25 31,57 32,73 32,66 61,46 62,62 63,86 Vrijdag 3,43 3,31 3,25 34,83 33,83 34,33 64,3 64,06 63,59 Zaterdag 3,09 3,25 Centraal Bureau voor de Statistiek, Voorburg/Heerlen ,03 32,6 36,2 33,66 58,57 64,36 59,29

26 Ontwikkelingen in hybrides Parallel hybride (1997): enkele minuten elektrisch Verbruik 5 l / 100 km (1:20) Seriële hybride (2009?): 100 km elektrisch 12 kwh Li-ion batterij Verbruik: <100 km: 0,1 kwh/km 150 km: 2 l / 100 km (1:50) 500 km: 5 l / 100 km (1:20)

27 Opladen: kan niet snel Benzine tanken: 38 liter/minuut Equivalent vermogen: 38 l/min*8,9 kwh/l * 60 min/h = kwh/h = ruim 20 MW! Ter vergelijking: elektrische auto met accu van 10 kwh ook opladen in 1 min vraagt (theoretisch) 600 kwh/h: 600 kw (NB: in praktijk 5%-10% omzettingsverlies => warmte!) Huis-aansluiting: 3 kw, dus opladen: ruim 3 uur

28 Onderzoeksvragen Fundamenteel: waar liggen de grenzen van elektriciteitsopslag? (Wh/kg, Wh/m 3, laad-, ontlaadsnelheid, efficiency) Toegepast: wanneer wordt opslag nodig, bij inpassing van intermitterende hernieuwbare bronnen, t.o.v. uitbreiding van de interconnector capaciteit? wat zijn voordelen en nadelen van enkele grote systemen versus een groot aantal kleinschalige opslagsystemen? Ontwikkeling en demonstratie: Hybride voertuigen met grotere accucapaciteit Demonstraties met Plug-in Vehicles en Vehicle-to-Grid toepassingen Ontwikkeling batterij-management systemen