OPSLAG VAN ELEKTRISCHE ENERGIE

Transcriptie

1 OPSLAG VAN ELEKTRISCHE ENERGIE Een multi criteria analyse van de verschillende mogelijkheden voor het opslaan van elektrische energie in de gebouwde omgeving Auteurs Lars T. Beke BSc Technische Universiteit Eindhoven drs. Koos Kerstholt Stichting Kien April 17, 2014 EINDHOVEN

2 SAMENVATTING In deze studie wordt gekeken naar de mogelijkheden voor de opslag van elektrische energie. Verschillende technologiën worden met elkaar vergeleken met behulp van een multi criteria analyse. Met deze analyse is het mogelijk om de technologiën te beoordelen op een set van criteria en met behulp van wegingen verschillende scenario s op te zetten. Middels een uitgebreide literatuurstudie zullen de criteria per technologie worden beoordeeld. Uiteindelijke conclusies zijn dat op het kosten aspect een aantal technologiën dicht bijelkaar zitten, maar vliegwieltechnologie als beste naar voren komt. Binnen het scenario van korte termijn energie opslag is het tevens vliegwieltechnologie dat het beste presteert op de criteria. Bij het scenario van lange termijn opslag komt hydro-techologie het beste naar voren. Een vierde conclusie is dat het gebruikt van de multi criteria analyse een zeer goede en transparante tool is om diverse technologiën met elkaar te vergelijken en kan goed worden ingezet als beslissingsmaker. 2

3 INHOUSOPGAVE Samenvatting 2 1 Inleiding Doel Technologiën Methode Citeria Scenario s Chemische Systemen Power to Gas Waterstof Methanering Elektrochemische systemen Batterijen Lood-zure Batterijen (Pb-A) Lithium-ion Batterijen (Li-ion) Natriumzwavel Batterijen (Na-S) Vanadium Redox Batterijen (VRB) Electrochemical double layer capacitors Elektrische Systemen Superconducting magnetic energy storage Mechanische systemen Vliegwielen Compressed air energy storage Hydro-elektrische energie opslag Thermische systemen Thermische elektriciteit opslag

4 7 Resultaten Technologiën Scenario s Wegingen Scenario Kosten Scenario Korte termijn energie opslag Scenario Lange termijn energie opslag Conclusie Discussie Referenties 43 4

5 HOOFDSTUK 1 INLEIDING Duurzaamheid, energiezuinigheid, hernieuwbare energie: het zijn urgente maatschappelijke thema s, aldus KIEN, Knooppunt Innovatie Elektrotechniek Nederland, een stichting gericht om innovatie in de elektrotechniek te stimuleren. Samen met e-installateurs, overheden, bedrijven, instellingen, netwerkorganisaties en gebruikers is KIEN een knooppunt van kennis en ervaring. En om deze thema s aan te pakken werkt KIEN aan de 0-energieomgeving, daar waar een omgeving in staat is om op jaarbasis energie neutraal te zijn. Naast de opwekking van duurzame energie en een goede verdeling van het verbruik is energie opslag een belangrijk element in de 0-energieomgeving. Een veelvoud van technologiën bestaan om energie op te slaan. De keuze voor een bepaalde technologie hangt af van een verscheidenheid van factoren. Allereerst is daar de vorm waarin de gewenste energie wordt aangeleverd en waarin deze ook weer benodigd is. Energie komt voor in diverse vormen waarvan de belangrijkste zijn; kinetische energie, poteniële energie, chemische energie, elektrische energie, thermische energie en magnetische energie. Daarnaast is ook de toepassing van de energie van belang, zoals waar dient de energie voor gebruikt te worden en wat voor eisen stelt dit aan de opslag methoden. Is de energie nodig om korte pieken op te vangen, voor het verbeteren van de kwaliteit van het vermogen of is het nodig om voor langere duur een basisbelasting te voorzien. Als laatste is ook de context van invloed op de gewenste technologie, zoals waar de technologie wordt toegepast, kleinschalig in een huis of flat of grootschalig bij een windmolenpark of een zonneveld. 1.1 Doel Het doel van dit onderzoek is om inzicht te verkrijgen in de verschillende energie opslag systemen die gebruikt kunnen worden in relatie tot de 0-energieomgeving en een oordeel te kunnen vellen over de toepasbaarheid in deze omgeving. Binnen de gebouwde omgeving is een trend van elektrificatie gaande, waarbij elektriciteit steeds meer, voor zover dat al niet is, de voornaamste vorm van energie wordt. En daar waar elektriciteit een uitstekende energie drager is, is elektriciteit relatief moeilijk om op te slaan. Daarom zal er ook worden gekeken naar mogelijkheden van elektrische energie opslag (EES) waarbij elektrische 5

6 energie wordt omgezet naar een gunstigere energie drager en wanneer de energie weer gewenst is zal worden terug geconverteerd naar elektrische energie. De focus van dit onderzoek zal dus liggen op het opslaan van elektriciteit waarbij de uitgangspositie is dat de gewenste vorm van de energie na het opslaan ook weer elektriciteit is. Dit kan er toe leiden dat niet altijd de meest optimale situatie wordt gekozen, doordat het bijvoorbeeld efficiënter is om de opgeslagen energie om te zetten naar warmte. Desondanks, om een goede vergelijking te kunnen treffen, is de conversie terug naar elektriciteit essentieel. Laat voorop staan dat dit onderzoek geen allesomvattende studie is van alle mogelijkheden om energie op te slaan en dat de beschreven technologiën niet limitatief zijn. Deze studie geeft een indicatie van de verschillende, veelbelovende technologiën en de toepasbaarheid binnen de 0-energieomgeving. Natuurlijk zijn er nog veel meer opslag technologiën dan in deze studie genoemd worden. De gekozen technologiën vertegenwoordigen echter een groot deel van de literatuur op het gebied van energie opslag en worden over het algemeen gezien als de belangrijkste technologiën met de grootste potentie voor energie opslag [14] [13] [9]. 1.2 Technologiën De technologiën in deze studie kunnen worden onderverdeeld naar vijf categoriën, namelijk; chemische systemen, elektrochemische systemen, elektrische systemen, mechanische systemen en thermische systemen. Zoals eerder beschreven zijn deze categoriën niet limitatief en zijn er nog meerdere categoriën denkbaar. Binnen de chemische systemen word gekeken naar de toepassing van Power to Gas, waar twee varianten mogelijk zijn; één waarbij opgewekte elektriciteit word omgezet naar waterstof en in die vorm wordt opgeslagen en een tweede variant waarbij het waterstof nog verder wordt omgezet naar methaan en vervolgens kan worden opgeslagen. Bij elektrochemische systemen wordt gekeken naar vier typen batterijen die een grote potentie hebben of al een bewezen technologie blijken. Dit zijn de lood-zure batterij, de lithium-ion batterij, de natrium-zwavel batterij en de vanadium redox batterij. Daarnaast zal er nog gekeken worden naar een super condensator, de electric double layer capacitor. Voor elektrische systemen wordt er gekeken naar systemen die elektriciteit in directe vorm opslaan, in dit geval met behulp van super geleidende magnetische energie opslag. Bij mechanische systemen kijken we naar vliegwiel technologie, opslag van energie met behulp van compressed air en met energie opslag met behulp van hydro-eletrische systemen. Als laatste zal gekeken worden naar thermische systemen, waar gekeken wordt naar de opslag van thermische energie in de grond. 1.3 Methode Met behulp van een Multi Criteria Analyse (MCA) kan een wetenschappelijke vergelijking worden getrokken tussen diverse systemen op een variatie van criteria. Een MCA is een hulpmiddel om besluitvormingsprocessen te structureren en om besluitmakers te helpen bij het vinden van de optimale 6

7 balans tussen conflicterende doelen. Toepassingen van een MCA omvatten het ordenen van gegevens, het transparant maken van beslissingsprocessen en het ondersteunen van deze beslissingsprocessen. Een MCA zorgt voor een inzichtelijk proces, waarbij de stappen navolgbaar zijn en de uitkomst begrijpbaar. Hoewel de methode lijkt op een maatschappelijke kosten-baten analyse is het grote voordeel van een MCA dat niet alle criteria hoeven uitgedrukt te worden in monetaire eenheden. Men kan met het doorlopen van een MCA pas beginnen wanneer de volgende zaken duidelijk zijn: de mogelijke alternatieven moeten doordacht zijn; het probleem, de alternatieven en de criteria waarop de alternatieven beoordeeld zullen worden moeten duidelijk zijn, er moet instemming zijn van alle belanghebbenden en men moet de noodzaak van de MCA overwogen hebben [30]. Als eerste stap worden de alternatieven bedacht en beschreven op basis van een uitgebreide literatuurstudie. Vervolgens wordt er gekeken naar aspecten die relevant geacht worden voor de beoordeling van de alternatieven. Die aspecten en de bijbehorende criteria sluiten aan bij de doelstellingen van de alternatieven in het gebied van de 0-energieomgeving. Vervolgens worden de alternatieven beoordeeld op deze criteria met behulp van een literatuurstudie. De beoordelingen van deze criteria per technologie worden in een overzicht weergegeven in de vorm van criteriumscores. Er zijn verschillende soorten eenheden waarin criteriumscores gemeten kunnen worden, waarbij in deze studie gewerkt wordt met kwantitatieve gegevens zoals efficiënties en kosten gemeten in percentages en monetaire eenheden, en kwalitatieve gegevens zoals de invloed van een technologie op het milieu, uitgedrukt op een ordinale schaal van plussen en minnen. De criteriumscores worden gemeten op verschillende schalen. Om de scores te kunnen vergelijken of te combineren, dienen ze eerst te worden weergegeven op een gelijke schaal. Hiervoor is standaardisatie nodig, wat ervoor zorgt dat de scores per criteria worden omgezet naar een schaal tussen nul en één. De volgende stap in het MCA proces is het toekennen van gewichten aan de verschillende criteria. Dit gewicht geeft het relatieve belang weer dat aan een criterium wordt gehecht in vergelijking met een ander criterium. Met andere woorden, hoeveel men van het ene criterium wil opgeven om een ander criterium juist te verbeteren. Het toekennen van gewichten aan de criteria is het meest complexe onderdeel van een MCA en tevens een van de belangrijkste onderdelen. Door het toekennen van verschillende wegingen kunnen er verschillende scenario s worden doorlopen. Uiteindelijk kan door het vermenigvuldigen van de gestandaardiseerde criterium scores met de wegingen de uiteindelijke rangorde van alternatieven worden bepaald. Per technologie komt er namelijk één waarde uit, die gemakkelijk te vergelijken is met de andere scores van de technologiën. Echter moet hierna nog wel een gevoeligheidsanalyse worden toegepast om de robuustheid van de scores en de rangorde van technologiën te bepalen. Idealiter is er geen sprake van onzekerheden, echter is in de realiteit altijd sprake van onzekerheid. In de eerste plaats wordt er gekeken naar de onzekerheden in de feitelijke criteriumscores. Hierbij gaat het om de meetonzekerheden of om toekomstige vorderingen in de technologie die de huidige criteriumscores kunnen beïnvloeden. Door het speci- 7

8 ficeren van een betrouwbaarheidsinterval met minimum- en maximumwaarden voor de scores kan er vervolgens wel een uitspraak gedaan worden over de betrouwbaarheid. Ten tweede dient er ook gekeken te worden naar de invloed van de wegingen, wat terug komt bij de scenario s door combinaties van verschillende wegingen toe te passen. 1.4 Citeria De eerder genoemde technologiën zullen beoordeeld worden op een set van criteria, zoals beschreven hieronder. Deze criteria omvatten de belangrijkste aspecten waarop de technologie moet beoordeeld worden. Deze criteria zijn opgesteld in samenspraak met KIEN en zullen worden beoordeeld met behulp van een literatuurstudie. Tevens zal per criteria worden aangegeven of het om een kwantitatieve of kwalitatieve beoordeling gaat. Kosten Een belangrijk aspect voor de succesvolle toepassing en diffusie van een technologie zijn de kosten. Om een goed beeld te krijgen van de kosten die verbonden zijn aan een technologie kunnen verschillende criteria worden gebruikt. Voor deze studie is gekozen om de investeringskosten uit te zetten per vermogenseenheid, in $/kw, en om de kosten uit te zetten per energie eenheid per cycle, in $/kwh per cycle. Van de kosten zal dus een kwantitatieve inschatting van gemaakt worden. De investeringskosten relateren aan de eenmalige investering die gedaan dient te worden om de technologie in operatie te brengen. Door dit uit te zetten tegenover het vermogen, krijgt men een parameter die van belang is met name wanneer het vermogen van een installatie leidend is. De kosten per kwh per cycle is gedefineerd als de kosten per eenheid van energie gedeeld door de cycle life 1 en is een belangrijke paramter die het beste aansluit om vergelijkingen te treffen tussen technologiën die frequent op- en ontladen. Hiermee worden lage investeringskosten gekoppeld aan levensduur van een applicatie. Kosten zoals onderhoudskosten, vervangingskosten en gebruikerskosten zijn niet meegenomen omdat gedegen en betrouwbare informatie hierover niet aanwezig is voor alle systemen. Indien mogelijk wordt er wel een uitsplitsing gemaakt van de kosten, maar deze worden niet meegenomen in de MCA. Zo kunnen de kosten worden uitgesplitst naar de investeringskosten, in $/kwh, naar de kosten gerelateerd aan het omzetten van het vermogen - bijvoorbeeld van DC naar AC, kosten gerelateerd aan het balanceren van de output energie of de standaard operatie en onhoudskosten, allen in $/kw. Efficiëntie De round trip efficiëntie van alle EES zullen kwantitatief worden vergeleken, waarbij zal worden gekeken naar het gehele proces, van elektriciteit naar een tijdelijke opslag vorm en weer terug naar elektriciteit. 1 Cycle life is gedefinieerd als het nummer van gehele op- en ontladen cycli een batterij kan hebben voordat de nominale capaciteit is vervallen tot 80 procent van zijn originele capaciteit. 8

9 Technologie fase Met de fase van de technologie zal een kwalitatieve inschatting gemaakt worden waarbij gekeken zal worden naar de volwassenheid van de technologie. Hierbij wordt gekeken of de technologie als succesvol is geïmplementeerd en commercieel haalbaar is bewezen, of dat de technologie nog in een niche fase zit. In totaal zullen er vijf fases worden onderscheiden, namelijk: i) research and development; ii) demonstratie; iii) implementatie, vi) diffusie en v) commercieel volwassen en deze worden gerangschikt van - - tot ++. Power quality Met power quality wordt gekeken naar de kwaliteit van het geleverde vermogen, naar de synchronisatie van de voltage, de frequentie en de fase zodat elektrische systemen optimaal functioneren. De beoordeling van EES op power quality zal daarom gericht zijn op de prestaties van de EES om de power quality van het net te verbeteren, omdat deze niet altijd optimaal is ingeval van duurzaam opge-werkte energie met bijvoorbeeld zonnepanelen of windmolens. Ook de beoordeling van deze criteria zal gerangschikt worden van - - tot ++. Energie management Energie management is een concept waarbij wordt gekeken naar het optimaliseren van het verbruik en aanbod van energie door middel van load leveling, peak shifting of load following. De beoordeling van EES op energie management zal zich richten op de prestaties van de EES om hieraan bij te dragen, wederom gerangschikt op een schaal van - - tot ++. Milieu De impact op het milieu van de betreffende EES zal kwalitatief worden bepaald en gerangschikt, waarbij wordt gelet op in welke mate de technologie vervuilend kan zijn voor het milieu, een mogelijke ecologische impact heeft, of vervuilende stoffen uitstoot tijdens de proces van opslag van de elektriciteit. 1.5 Scenario s Het is mogelijk om met verschillende combinaties van wegingen meerdere scenario s te analysering vanuit hetzelfde startpunt. In dit verslag zullen drie scenario s worden bekeken, vanuit het oogpunt van kosten, vanuit het oogpunt van korte termijn energie opslag - hoe goed een bepaalde technologie kan omgaan met vermogens fluctuaties, frequentie fluqtuaties enpower quality, en laatste scenario vanuit het oogpunt vanlange termijn energie opslag - hoe goed een bepaalde technologie over langere duur en op grotere schaal energie kan opslaan. 9

10 HOOFDSTUK 2 CHEMISCHE SYSTEMEN 2.1 Power to Gas Power to gas (P2G) is een manier van het converteren van elektrische energie naar een gasachtige energie drager. Hierbij wordt elektrische energie omgezet naar waterstof of verder geconverteerd met behulp van koolstofdioxide naar methaan door middel van een proces genaamd methaneren. Na de omzetting van elektrische energie naar H 2 kan dit worden opgeslagen in het gasnet of worden getransporteerd, waarna het weer kan worden omgezet naar elektriciteit. Een tweede manier is het methaan direct in te voeren in het gasnetwerk, waar het gemakkelijk kan worden opgeslagen. Het gas kan dan op een ander tijdstip weer worden omgezet naar elektriciteit. In figuur 2.1 zijn de diverse routes te zien van P2G. De verschillende P2G installaties hebben een vermogen van tussen de vier kwe oplopend tot 800 kwe [15]. De toepassing van P2G ligt meer op wijkniveau tot gebiedsniveau, mogelijk in combinatie met een windpark of een zonnepanelenpark, vanwege de benodigde investeringen en schaalvoordelen. Figure 2.1: Overzicht van de diverse routes van Power to Gas De twee vormen van P2G kunnen direct worden ingevoerd in het bestaande 10

11 gas infrastructuur, al is dit voor waterstof gelimiteerd. Huidige limieten liggen rond de twee en vijf volume procent, afhankelijk van het gas netwerk en de afnemers van gas. Mogelijk kan dit in de toekomst oplopen tot tien volume procent. Bij de omzetting naar methaan zijn er geen limieten op het invoeren in het gas netwerk [18]. Een voordeel van P2G is dat het gas ook direct gebruikt kan worden voor het duurzaam opwekken van warmte, maar dat ligt buiten de scope van dit onderzoek Waterstof Waterstof wordt geproduceerd door middel van elektrolyse volgens vergelijking 2.1. Het gebruikt water kan echter alleen gebruikt worden wanneer de puurheid van het water hoog is. Daarom moet het water vaak nog worden ontdaan van mineralen en ionen. De opslag van het waterstof kan op verschillende manieren gebeuren, zoals in de gecomprimeerde vorm, als gas in hoge druk tanks of terug te voeren in het net, of als vloeibaar waterstof, waarbij het word afgekoeld naar -250 graden Celsius en kan worden opgeslagen onder druk in gekoelde tanks Methanering H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) (2.1) Methaan wordt geproduceerd door de omzetting van koolstofdioxide en waterstof naar methaan en water, volgens vergelijking 2.2. De hoofdreden voor deze extra stap is de gelimiteerde invoering van waterstof in het gas net. Daarnaast is methaan een beter gas in termen van energie capaciteit. CO 2 (g) + 4H 2 (g) CH 4 (g) + 2H 2 O(l) (2.2) Vergelijking 2.2 voltrekt in twee stappen. Eerst word de waterstof met de koolstofdioxide omgezet in monoxide en water 2.3, en daarna word deze monoxide verder omgezet naar methaan volgens vergelijking 2.4. CO 2 (g) + H 2 (g) CO(g) + H 2 O(l) (2.3) Kosten CO(g) + 3H 2 (g) CH 4 (g) + H 2 O(l) (2.4) Gedetailleerde informatie over de opbouw van de kosten in de termen van investeringskosten en exploitatiekosten is nog maar weinig gegeven, aangezien de meeste projecten met P2G nog in de testfase zitten en de economische overwegingen nog niet worden geëvalueerd. Een schatting van de initiële investeringskosten voor waterstof opslag met behulp van P2G liggen in de orde grootte van 3500 $/kw vanwege de relatief nieuwe fase waarin de technologie zich bevind. Echter word wel verwacht dat deze kosten uiteindelijk kunnen dalen naar een waarde van ongeveer 750 $/kw. Wanneer er gekeken wordt per hoeveelheid energie, liggen de waarden rond de 14 $/kwh, waarbij ook hier de verwachting is dat dit nog sterk kan dalen [18]. Uiteindelijk liggen de kosten 11

12 rond de 0,32 g/ kwh - per cycle [26] De kosten voor P2G waarbij de extra conversie stap naar methaan wordt gemaakt liggen niet ver van de waterstof kosten af. Huidige kosten liggen rond de 4200 $/kw, waarbij de verwachting ligt dat deze nog kunnen dalen naar 1200 $/kw binnen een tijdsspanne van tien jaar. De kosten per energie eenheid liggen momenteel rond de 15 $/kwh, waar hierbij word verwacht dat deze kunnen dalen naar ongeveer 4 $/kwh [27].Deze reductie in kosten is veelal te verwachten uit technologische vooruitgang, zoals de integratie van de diverse systemen, wat de complexiteit verlaagt en de efficiëntie verhoogt, als mede het opstellen van standaarden voor de controle en communicatie, wat verbeteringen in de planning te weeg brengt en dus ook de algehele kosten drukt [15]. De kosten per cycle liggen iets hoger, rond de 0,40 g/ kwh - per cycle [26]. Efficiëntie Afhankelijk van het drukniveau van het gasnetwerk of het opslagmedium varieert de efficiëntie van P2G tussen 54 en 77 procent voor waterstof [36]. De conversie terug naar elektriciteit met behulp van een brandstofcel voor waterstof gaat gepaard met een efficiëntie slag van tussen de 40 en 60 procent, afhankelijk van het type brandstofcel [16]. Wanneer we tevens mee rekenen dat de warmte vrij komt bij de conversie terug naar elektriciteit tevens gebruikt kan worden, is de round trip efficiëntie 62 procent. De omzetting van elektriciteit via waterstof naar methaan volgens het proces van methaneren gaat gepaard met een efficiëntie van tussen de 49 en 65 procent [36]. Voor de conversie van methaan terug naar elektriciteit ligt dit tussen de 40 en 50 procent [14]. Echter, wanneer de conversie van methaan plaats vindt met behulp van een warmtekrachtkoppeling stijgen deze efficintie waarden tot wel 80 procent. Dit leidt er toe dat de efficiëntie maximaal rond de 54 procent is. Fase technologie Veel projecten bestaan al die elektriciteit omzetten naar waterstof. Al sinds 1991 zijn er installaties die in operatie zijn. Van deze systemen is het geïnstalleerd vermogen tussen de 5 kwe en 500 kwe, al zijn er zowel kleinschaligere en grootschaligere projecten in de planning of demonstratie fase. Echter, een trend kan worden gespot naar een steeds groter geïnstalleerd vermogen. De locatie van deze projecten speelt zich veelal in Europa of Noord Amerika af, in totaal zijn deze twee gebieden verantwoordelijk voor 95 procent van de projecten [15]. Het methaneren van waterstof komt minder voor dan enkel waterstof productie met elektriciteit, al zijn er meerdere projecten in operatie. In Rozenburg is onlangs een installatie in operatie gegaan met een vermogen van 7 kwe, waarbij 2 m 3 methaan word geproduceerd per uur. Dit project word uitgevoerd door DNV KEMA en Steding, waarbij het gaat om een test van halverwege 2013 tot 2018, gesubsidieerd door de overheid. 12

13 Power rating P2G wordt voor waterstof als voor de omzetting naar methaan voornamelijk gebruikt in grote installaties voor het opslaan van energie voor langere duur, waarbij de tijdsschaal ligt in uren tot maanden, afhankelijk van de grootte en de specifieke toepassing. Tevens is de ontlaadtijd van P2G in de orde grootte van uren, waarbij P2G optimaal wordt gebruikt in situaties waar voor langere periode energie vraag is. Hierbij kan gedacht worden aan toepassingen zoals load levelen, load volgen of als reserve capaciteit. Milieu impact P2G is een veelbelovende technologie op het gebied van de impact op het milieu, aangezien het product, het gas, een duurzaam product is, die kan worden opgeslagen in bestaande infrastructuur. De opslag van het waterstof in tanks heeft ook maar een zeer geringe invloed op het milieu. Daarnaast is komen bij de reactie met waterstof en methaan weinig schadelijke producten vrij, al ontbreekt een langdurig wetenschappelijk onderzoek. 13

14 HOOFDSTUK 3 ELEKTROCHEMISCHE SYSTEMEN 3.1 Batterijen Batterijen zijn een waardevolle schakel voor het optimaliseren van elektriciteitsgebruik binnenshuis. De meeste batterijen opereren in een tijdsschaal van tussen seconden en uren, zoals te zien is in figuur 3.1. Over het algemeen word een onderscheid gemaakt tussen drie categorien, kort, gemiddeld en lang, met een ontlaadtijd van respectievelijk seconden tot minuten, minuten tot uren en uren tot dagen. De categorie van korte ontlaadtijd is voornamelijk geschikt voor het verbeteren van de kwaliteit van het vermogen en bepaalt de vermogens karakteristieken van de opslag. De gemiddelde categorie kan al compenseren voor een verschil tussen aanbod en afname op een relatief korte tijdsschaal. De lange categorie is gericht op het verschuiven van mogelijke opwekking en eventuele energie arbitragemogelijkheden [21]. Figure 3.1: Overzicht van de diverse technologiën uitgezet tegen de ontlaadtijd en het vermogen 14

15 Vier typen veelbelovende batterijen voor elektrische energie opslag zullen hieronder worden beschreven. Deze zullen zijn: Lood-zuur batterijen (Pb-A), Lithium-ion batterijen(li-ion), Natriumzwavel batterijen (Na-S) en Vanadium redox batterijen (VRB) Lood-zure Batterijen (Pb-A) Uitgevonden in 1859, is de Pb-A batterij uitgegroeid tot een van de meest veel voorkomende batterijen tegenwoordig. De batterij bestaat uit elektrodes van lood metaal en lood oxide, in een elektrolyt van zwavelzuur. Tijdens het ontladen veranderen beide elektroden in lood sulfaat en het elektrolyt verliest zijn opgelost zwavelzuur en wordt voornamelijk water. Specifieke eigenschappen van de lood-zure batterijen zijn dan ook de lage kosten, de technologische volwassenheid, maar ook een lage energie dichtheid en een beperkte cycle life. De batterijen worden veelal gebruikt voor gericht vermogensgebruik zoals in het geval noodstroomvoorzieningen en peak shaving 1 [21]. Kosten De kosten van een Pb-A batterijen zijn door de lange periode van ontwikkeling en de vergevorderde fase aan de lage kant, tussen de 300 en 600 $/kw en tussen de 200 en 400 $/kwh. De kosten per kw zijn opgebouwd uit de capaciteitskosten van rond de 170 $/kw, en daarnaast nog de kosten gerelateerd aan het omzetten van het vermogen wat ook rond de 170 $/kw ligt, de kosten voor het balanceren van installatie wat rond de 70 $/kw ligt en als laatste de operatie en onderhoud kosten van rond de 22 $/kw [3]. De cycle life van deze batterijen is echter niet bijzonder groot, tussen 500 en 2000 cycles met gemiddelde rond de 1250 cycles, waardoor uiteindelijke de kosten per kwh per cycle tussen de 20 en 100 g/ kwh - per cycle komen te liggen [9]. Efficiëntie De grootte van Pb-A batterijen in grid gekoppelde energieopslag systemen verschilt, afhankelijk van de rol van de batterij. De grootste Pb-A systeem staat in California en meet 10 MW en opereert op overall efficiëntie van 72 procent. Over het gehele spectrum gezien zitten de efficiëntie waarden tussen de 63 en 90 procent [17], maar gemiddeld komen dit type batterijen uit op een waarde van rond de 82 procent roundtrip efficiëntie [3]. Fase technologie Pb-A batterijen zijn een van de meest volwassen batterijen en hebben dus al vele ontwikkelingen en verbeterslagen gekend. Dit heeft ervoor gezorgd dat ze momenteel veel gebruikt worden en beschikken over goedkope technologie. Power rating De toepassing van Pb-A batterijen is beperkt. Pb-A batterijen hebben een gemiddelde ontlaadtijd van seconden tot uren en een gemiddelde opslag duur van 1 Peak shaving is het nivelleren van de elektriciteitsvraag en daarmee de belasting van een opweksysteem. 15

16 tussen de minuten en dagen. Door de beperkte cycle life is dit type voornamelijk geschikte voor korte, infrequente toepassingen (bijvoorbeeld een keer per dag) waar de lage energie dichtheid (30-50 Wh/kg) ervoor zorgt dat toepassing binnenhuis moeilijk word, net als voor andere toepassing met beperkte ruimte. De Pb-A is voornamelijk goed voor de toepassing op ononderbroken vermogens applicaties en korte duur grid verbinding om instabiliteit te corrigeren, gericht dus op de power quality. Echter zijn er wel commerciële voorbeelden waarbij Pb- A batterijen worden gebruikt voor het toepassingen van energie management, zoals een 8,5 MWh systeem in Berlijn of een 4 MWh systeem in Madrid [9]. Milieu impact De impact op het milieu voor Pb-A batterijen zijn een stuk minder positief. Bij de productie ervan komen broeikasgassen vrij, er is metaal uitputting en fossiele brandstoffen worden gebruikt. Dit is voornamelijk het resultaat van de opwekking van het benodigde lood. Daarnaast is het zuur extreem corrosief en het lood is zwaar giftig en kan resulteren in een veelvoud van gezondheidsproblemen. Pb-A batterijen worden hiermee ook wel gezien als de meest vervuilende batterijen ter wereld [23] Lithium-ion Batterijen (Li-ion) De karakteristieken van een Li-ion batterij liggen bijna in het tegenovergestelde van de Pb-A batterijen, met een hoge cycle life, een hoge energie dichtheid, hoge efficintie waarden en hoge kosten. De reacties in een Li-ion batterij zijn verschillend dan dat van de meeste cellen, omdat in plaats van een chemische reactie aan de elektrodes de ladingsoverdracht gebeurt door het invoegen van ionen in de elektroden Kosten De prestaties van de Li-ion batterij komen wel tegen een prijs, die aanzienlijk zijn, namelijk 1200 tot 4000 $/kw en 600 tot 2500 $/kwh. De hogere kosten per kw komen voornamelijk voort uit de capaciteitskosten, die liggen rond de 1000 $/kw. De kosten gerelateerd aan het omzetten van het vermogen ligt rond de 125 $/kw ligt, de kosten voor het balanceren van installatie heeft Li-ion batterijen niet de operatie en onderhoud kosten liggen rond de 19 $/kw [3]. De cycle life van Li-ion batterijen is daarentegen wel weer heel goed, met meer dan cycles [3], wat erbij draagt dat de kosten per kwh per cycle tussen de 15 en 80 g/ kwh - per cycle komen te liggen [9]. Efficiëntie Doordat overladen en nevenreacties nauwelijks plaats vinden kan de batterij een hoge efficiëntie halen van meer dan 90 procent [21]. Echter zorgen deze eigenschappen er wel voor dat een complexe controle systeem nodig is om overladen te voorkomen, omdat overladen gelijk omslaat in oververhitting en mogelijk falen van de batterij. De roundtrip efficiënties liggen uiteindelijk tussen 85 en 95 procent en gemiddeld rond de 90 procent [3]. 16

17 Fase technologie In contrast met Pb-A batterijen zijn Li-ion batterijen een recente technologische ontwikkeling, waarbij de eerste commerciële versie pas in 1960 werd geïntroduceerd door Sony. De batterij wordt echter al steeds meer geadopteerd vanwege de hoge energie dichtheid en veelal toegepast in consumentenelektronica. De Li-ion batterij is relatief vrij vergevorderd, al is de toepassing voor grootschalig gebruik zoals energie opslag in huizen in de implementatie fase [9]. Power rating Qua toepassing ligt de Li-ion batterij dicht bij de toepassingen van de Pb-A batterij. Echter, de Li-ion batterij overtreft de prestaties van de Pb-A batterij op bijna alle vlakken, behalve in volwassenheid van de technologie en de kosten van de batterij. De energie dichtheid van de batterij ligt rond de 200 Wh/kg en de cycle life is bijzonder hoog, tot wel cycles. De Li-ion batterij kent een opslag duur van tussen minuten en dagen en een ontlaadtijd van minuten tot uren.de aansluiting van Li-ion batterijen op het grid is ook pas een recente ontwikkeling, waarbij het huidig maximum ligt rond de 36 MW, voornamelijk gericht op net stabiliteit bij de opwekking met duurzame energie technologien[21]. Milieu impact De impact op het milieu voor Li-ion batterijen is een stuk positiever dan voor Pb-A batterijen. De impact op het milieu is relatief klein, onder andere omdat de hoeveel lithium per batterij relatief laag is, kg per kg Li-ion batterij en daarmee ondanks dat dit proces een intensief proces is, maar geringe invloed heeft. De grootste impact komt voort uit de productie van de batterij door de aanvoer van de benodigde metaal en de proces energie die in de batterij gaat [25] Natriumzwavel Batterijen (Na-S) Ook de Na-S batterijen zijn een relatief nieuwe batterij technologie, waarbij de ontwikkeling in de veel landen plaats vond tussen de 1960 en De ontwikkeling van Na-S batterijen die geschikt zijn voor grootschalig netwerk toepassingen is exponentieel gegroeid, en is tevens sterk gegroeid op het gebied van implementatie voor duurzame energie toepassingen en netwerk ondersteunende functies [13]. Het principe van een Na-S batterij werkt met een vloeibaar natrium elektrode en een vloeibaar zwavel elektrode, gescheiden door een vaste beta alumina elektrolyt dat alleen positieve natrium ionen door laat tijdens het op- en ontladen, met temperaturen tussen de 300 en 350 graden Celsius. Kosten De kosten van de Na-S batterijen zijn gemiddeld, tussen de 500 en 1500 $/kw en tussen de 300 en 500 $/kwh, wat aan de lage kant is voor batterijen. Echter kennen Na-S batterijen vrij lage cyle life waarden, van tussen de 2500 en 5000, gemiddeld rond de 3300 [3]. Dit zorgt voor kosten per kwh per cycle van tussen de 8 en 20 g/ kwh - per cycle komen te liggen [9]. De opbouw van de kosten 17

18 voor deze batterij begint bij de capaciteits kosten van rond de 250 $/kw in een bereik van de 180 tot 700 $/kw, en daarnaast de kosten gerelateerd aan het omzetten van het vermogen van rond de 170 $/kw ligt, de kosten voor het balanceren van installatie rond de 50 $/kw en de operatie en onderhoud kosten liggen rond de 50 $/kw [3] Efficiëntie Het spectrum van de efficiëntie van Na-S batterijen is vrij breed, met waarden van tussen de 71 en 90 procent, afhankelijk va de omstandigheden. Echter ligt het gros van de waarden tussen de 79 en 83 procent efficiëntie [3]. Fase technologie Het is de enige batterij die de kwalificatie volledig capabel en redelijk krijgt van de ESA voor zowel vermogens- als energy applicaties dat een indicatie geeft dat dit een waardevolle technologie kan worden in netwerk-opslag toepassingen [21] Power rating Eigenschappen van de Na-S batterij zijn een hoge cycle life van rond de 2500 cycles, hoge energie dichtheid in de orde grootte van Wh/kg, een redelijk goede efficiëntie en een hoog puls vermogen. De Na-S batterij is vanwege zijn tijdschaal, wat gaat tot uren, geschikt voor medium duur netwerk applicaties. De hoge cycle life, hoge energie en vermogens dichtheid, redelijke kosten en lage milieu impact zorgen ervoor dat de Na-S batterij diverse energie opslag rollen kan gaan vervullen. Enkel de opschaalbaarheid van dit type batterij is een gebied waar nog het nodig werk verzet kan worden [28]. De opslag duur is in de orde van seconden tot uren en kent ook een ontlaadtijd van seconden tot uren. De gemiddelde grootte van Na-S batterijen zitten tussen de 50 kw en 8 MW. Tussen 1998 en 2010 is het totaal genstalleerd vermogen enorm toegenomen van 10 MW naar 300 MW. De grootste installatie heeft een nominaal vermogen van 34 MW en is gekoppeld aan een 51 MW wind park voor het creëren van uitvoer stabiliteit van elektriciteit [21]. Milieu impact De Na-S batterijen kent een relatief lage milieu impact doordat de batterij veilig is en weinig schadelijke stoffen erin verwerkt zitten. Daarom is de batterij ook bij het geval van een defect weinig milieu belastend Vanadium Redox Batterijen (VRB) De VRB is een andere categorie dan de eerder beschreven batterijen aangezien het een flow batterij is. In een dergelijke batterij zijn twee vloeibare elektrolyten opgeslagen in aparte tanks wat twee half-cellen creeërt. De batterij werk door het circuleren van de half-cel elektrolyten door een membraam wat enkel H + ionen door laat, wat uiteindelijk zorgt voor een redox reactie wat zorgt voor elektrische stroom. De karakteristieke eigenschappen van de VRB zijn een enorm grote cycle life, onafhankelijke energie en vermogen door de gescheiden 18

19 opstelling, gemiddeld tot lage energie dichtheid, gemiddelde efficiëntie waarden, gemiddelde kosten en geen zelfontlading [21]. Kosten De kosten liggen tussen de 600 en 1500 $/kw en tussen de 150 en 1000 $/kwh. De kosten per kw zijn tussen de 400 $/kw en 800 $/kw, opgebouwd uit capaciteitskosten, rond de 270 $/kw aan conversie kosten, ongeveer 60$/kW aan het balanceren van de installatie en rond de 40$/kW voor de operatie en onderhoud van de batterij. De gemiddelde cycle life van VRB zijn het hoogste ten opzichte van de vier beschreven type batterijen, met een gemiddelde cycle life van rond de [3], wat ervoor zorgt dat de kosten per cycle enorm drukt. Uiteindelijk komen deze kosten net op ongeveer 5 tot 80 g/ kwh - per cycle [9] Efficiëntie Efficiënties van een VRB kunnen oplopen tot 85 procent [9], maar het gros zit echter een stuk lager. Het spectrum aan efficiënties ligt voornamelijk tussen de 70 en 80 procent, met een gemiddelde van 75 procent efficiëntie. Fase technologie VRB installaties zijn nog maar weinig in gebruik en van kleine schaal. De grootste opstelling in gebruik is van 4 MW, wederom in combinatie met een windpark voor het stabiliseren van het de elektriciteitsproductie. Ondanks de huidige projecten in operatie is VRB nog niet een technologie die commercieel haalbaar is. Power rating VRB kent een opslag duur van tussen de uren en maanden en een ontlaadtijd van tussen de seconden en uren en wordt voornamelijk voor het gebruik van belasting regeling, het verzorgen van vermogen op afgelegen plekken, het stabiliseren van duurzame energie opwekking en het bijspringen bij ononderbroken stroomvoorziening [4]. De toepassingen voor VRB liggen voornamelijk op gecentraliseerde, grote schaal, langdurige opslag, aangezien VRB de nodige onderhoud nodig heeft, onder andere voor de pompen die de elektrolyt rond pompen. Daarnaast zorgt de relatief lage energie dichtheid ervoor dat de voornamelijk toepassing buitenhuis is. VRB is verder gemakkelijk op te schalen, voordelig voor grootschalige opslag. Functies van de VRB zijn dan onder andere gericht op power quality en peak shaving. Milieu impact Doordat de VRB nog niet lang in ontwikkeling is, is het lastig om langdurige informatie te geven over de impact die de batterij op het milieu heeft. Wat wel gezegd kan worden is dat de batterij relatief duurzaam is omdat het gebruikt maakt van lichtere materialen, wat een grote positieve impact heeft op de bijdrage aan het milieu tijdens de productiefase. Ten opzichte van de Pb-A batterijen is er ongeveer drie keer zo weinig energie nodig tijdens de productie en recycling fase, is het de helft minder belastend voor de broeikaseffect en draagt 19

20 het tot vier keer minder bij aan de verzuring van het milieu. De voornaamste uitstoot van CO 2 komt door de productie van de benodigde materialen voor VRB, wat voornamelijk de staal productie betreft [32]. 3.2 Electrochemical double layer capacitors Electrochemical double layer capacitors (EDLCs), ook wel super condensatoren genoemd, zijn elektrochemische condensatoren die een uitzonderlijk hoge energie dichtheid kennen ten opzichte van normale condensatoren, in de orde van duizenden malen groter dan een grote capaciteit elektrolytische condensator, tot wel F bij 1.2 volt [11]. In conventionele condensatoren wordt energie opgeslagen door het verwijderen van ladingsdragers, meestal elektronen, van een metalen plaat en deze aan de andere kant af te voeren. Deze lading scheiding creert een potentiaal tussen de twee platen, die kunnen worden aangewend in een extern circuit. In tegenstelling tot traditionele condensatoren hebben EL- DCs geen conventioneel diëlektricum. In plaats van twee afzonderlijke platen gescheiden door een tussenliggende stof, gebruiken deze condensatoren platen die in feite twee lagen van hetzelfde substraat en de elektrische eigenschappen, de diëktrische dubbele laag, resulteert in de effectieve scheiding van lading. Het ontbreken van de noodzaak van een omvangrijke laag diëlektricum maakt de verpakking van platen met veel grotere oppervlakte wat resulteert in hun buitengewoon hoge capaciteiten in relatief kleine pakketten [29]. De super condensatoren slaat dus energie op door middel van een elektrolytoplossing tussen twee vaste geleiders in plaats van de meer gebruikelijke opstelling van een vaste diëlektricum tussen de elektroden. Figure 3.2: Overzicht van diverse opslag systemen uitgezet tegen de specifieke energie en het specifieke vermogen [20] Kosten Het voornaamste nadeel aan een ELDC is de beperkte energie dichtheid ten opzichte van batterijen, wat resulteert in hoge kosten waardoor EDLC maar 20

21 zelden worden gekozen als opslag systeem [35]. De kosten voor ELDCs zijn tussen de 100 en 300 $/kw en 300 en 2000 $/kwh. Deze kosten voor de ELDC worden gedrukt door de enorm hoge cycle life, van wel over de cycles, wat ervoor zorgt dat de kosten per cycle rond de 10 g/kwh per cycle liggen. Efficiëntie ELDCs zijn zeer efficiënt, met energie verliezen tijdens het opladen van rond de 10 procent [2]. Tevens kunnen ELDC efficiënter opereren in een bredere range van temperaturen dan batterijen. Efficiënties worden geschat tussen de 85 tot wel 98 procent [17]. Fase technologie De technologie is nog relatief nieuw en dient nog op de lange termijn bewezen te worden. De toepassing van EDLC moet vooral worden gezocht in applicaties die vragen om een hoog vermogen of een dissipatie van veel energie in een korte tijd [29]. Power rating Gemiddelde installatiegrootte van ELDC s zijn onder de 300 kw en kennen een ontlaadtijd van tussen de seconde oplopend tot een uur. Ook de opslag tijd is in het bereik van seconden tot uren. ELDCs worden voor een veelvoud van toepassingen gebruikt, van opslag van geheugen, opslag van energie in elektrische voertuigen, voor het verbeteren van de power quality, voor draagbare stroomvoorzieningen, maar ook in combinatie met duurzame energie. Het grote voordeel van ELDCs ten opzichte van batterijen is dat batterijen elke drie tot zeven jaar vervangen dienente worden vanwege het continue cycling - wat een nadelig effect heeft op de prestaties van de batterij [2]. Een ELDC echter kan veel beter omgaan met continue cycling, waardoor het slechts eens in de 20 jaar vervangen hoeft te worden, wat enorm scheelt in de kosten. Milieu impact ELDC zijn veelal lichte installaties waarbij het produceren en het recyclen geen negatieve impact heeft op het milieu. Tevens is de technologie ook maar weinig milieu belastend, aangezien het geen onderhoud nodig heeft en daarmee het een minimale impact heeft op het milieu. 21

22 HOOFDSTUK 4 ELEKTRISCHE SYSTEMEN 4.1 Superconducting magnetic energy storage Superconducting magnetic energy storage (SMES) systemen werken op drie principes namelijk i) sommige materialen kunnen een stroom vervoeren zonder verliezen, ii) elektrische stromen produceren magnetische velden, iii) een magnetisch veld is een vorm van pure energie die kan worden opgeslagen. SMES slaan energie op in een magnetisch veld, gecreerd door een gelijkstroom te laten stromen in een supergeleidende spoel, die wordt afgekoeld tot een temperatuur ver beneden de supergeleidende kritische temperatuur [10]. Door een zeer sterke stroom op te wekken en die continue te laten lopen, ontstaat een permanent magneetveld dat energie opslaat. Als de stroom vermindert, vloeit het magneetveld de energie weer voor een deel terug in de stroom. In het gebruik verschilt een SMES dus van andere opslag technologiën dat een continue circulerende stroom in de supergeleidende spoel de opslagen energie produceert. Daarnaast, omdat het enige conversie proces de omzetting van AC naar DC stroom is, zijn er geen inherente thermodynamische verliezen en kan het dus bijzonder hoge efficiënties halen. Een SMES systeem bestaat typisch gezien uit drie onderdelen, de supergeleidende spoel, een vermogens conditionering systeem en een cryogeen gekoelde koelkast, zoals te zien valt in figuur 4.1. Figure 4.1: Overzicht van een SMES systeem 22

23 Kosten Hoewel de kosten voor het vermogen nog mee valt, in de orde grootte van 200 tot 300 $/kw, zijn de kosten per kwh aan de hoge kant, namelijk tussen de 1000 en $/kwh. Dit resulteert uiteindelijk door de relatief lange cycle life tot enigzins acceptabele kosten, rond de 80 g/kwh per cycle [9]. Echter is het nog onzeker of deze kosten gaan dalen door toekomstige vorderingen in onderzoek. Efficiëntie De opgeslagen energie kan worden terug gevoerd in het net door het ontladen van de spoel. SMES systemen bijzonder efficiënt en zijn een van de meest efficiëntie opslag systemen - het op- en ontladen van een SMES gaat gepaard met 97 procent efficiëntie [9]. Fase technologie Het onderzoek naar SMES is ontstaan eind jaren 60 in Frankrijk en al snel daarna ook in de Verenigde Staten. Momenteel wordt er door meerdere bedrijven gebruik gemaakt van SMES en is er wereldwijd meer dan 100 MW aan SMES systemen in operatie [38]. De gemiddelde grootte van SMES zijn tussen de 1 en 10 MW met een opslag tijd van minuten tot uren. De voornaamste problemen met het implementeren van SMES systemen zijn de hoge kosten en de milieu aspecten gerelateerd aan het sterke magnetisch veld dat word opgewekt [38]. Power rating Het reactievermogen van SMES is tevens bijzonder snel, in de orde grootte van milliseconden, maar kan slechts voor een korte periode energie leveren. In tegenstelling tot batterijen is het geleverde vermogen van SMES systemen veel minder afhankelijk van de ontlaad snelheid. Daarnaast hebben SMES een hoge cycle life en kan het goed omgaan met situaties waarin een constante, volledig cycling gevraagd word, wat het uitermate geschikt maakt voor vermogens kwaliteitsbeheer zoals voltage stabiliteit [9]. Milieu impact Zoals hierboven kort beschreven, zijn voornamelijk het magnetisch veld dat een probleem kan zijn voor de impact op het milieu, zeker in het geval wanneer SMES worden opgeschaald. De veelvoorkomende milieu problemen gerelateerd aan de productie of gebruik van mogelijk schadelijke chemicaliën zijn niet van toepassing op SMES, het behoeft geen radicale verandering in het landschap en het opereert geluidloos. Alleen de extreem lage temperaturen die nodig zijn voor het supergeleidende systeem kunnen een mogelijk veiligheidsrisico vormen [24]. 23

24 HOOFDSTUK 5 MECHANISCHE SYSTEMEN 5.1 Vliegwielen Het concept van een vliegwiel om energie in op te slaan is geen nieuw concept. Al honderden jaren geleden werden puur mechanische vliegwielen gebruikt om machines soepel te laten lopen. Met de huidige technologie en de enorme reeks aan verbeteringen is het vliegwiel een complex concept geworden met hoogwaardige toepassingen. De ontwikkeling van sterke, lichte materialen, de invloed van micro-elektronica en magnetische lagers zorgen voor een enorme toename in interesse voor vliegwielen [22]. Een aantal voordelen van vliegwielen: Hoog vermogensdichtheid Hoge energie dichtheid Geen capaciteitsverlies Korte oplaadtijd Opschaalbare technologie en locatieonafhankelijk Lage milieu impact Aandachtsgebieden voor vliegwielsystemen zijn het beheren van de risico s en het beheren van de verliezen van een vliegwiel. Aangezien het vliegwiel met een enorme snelheid rond draait, zorgt dit voor een extreme kracht op het vliegwiel zelf. Echter wordt er al jaren onderzoek gedaan naar het verbeteren van de veiligheid van het systeem en meerdere projecten hebben inmiddels plaats gevonden [22]. Om de veiligheid te garanderen, wordt een maximaal toegestane werkingssnelheid bepaald met behulp van destructieve draaitests en dynamische belasting analyses. Een veilige rotatiesnelheid kan dan worden bepaald door onder dit maximum te zitten. Een tweede veiligheidsaspect is fault bescherming, wat inhoud dat gedurende dat het vliegwiel in operatie is met behulp van sensoren de prestaties van het vliegwiel worden geëvalueerd, zoals de structuur, de elektromagnetische lagers, de motor en de elektronica. Enige afwijking van de standaard kan direct worden opgevangen en het systeem kan worden uitgezet. Een derde vorm van bescherming is de behuizing. In geval dat de rotor faalt en fragmenteert, vangt een behuizing van carbon composiet het vliegwiel op[22]. 24

25 Kosten De kosten voor een vliegwiel zitten tussen de 250 en 350 $/kw en 1000 tot 5000 $/kwh [9]. De cycle life van vliegwielen is rond de cycles, wat de kosten per kwh per cycle drukt naar ongeveer 15 g. Efficiëntie Vliegwiel systemen halen een round trip efficiëntie van 90 tot 95 procent[1] Fase technologie Onlangs heeft de Universiteit van Texas een vliegwiel ontwikkeld van 2MW nominaal vermogen en 360 MJ energie. Huidige toepassingen van vliegwielen zijn te vinden in het International Space Station, in voertuigen of als krachtbron. De toepassing in het ISS is voornamelijk gericht op het ontwikkelen van vliegwiel energie opslag mogelijkheden en in de controle mogelijkheden van het vermogen. Recentelijke interesses worden verder gestuwd door beperkingen van batterijen, waar ter vervanging vliegwielen zijn ingezet in het ISS met een capaciteit van 15MJ en een piekvermogen van 4.1 kw [37]. De toepassing van vliegwielen in voertuigen is er op gericht om de motor op een constante, optimale snelheid te laten draaien, en daarmee met een maximale efficiëntie, waar het vliegwiel ondersteunt in het geval dat er voor korte duur extra vermogen nodig is. Een dergelijk systeem is geïmplementeerd in een bus, met een capaciteit van 7,2 MJ en een vermogen van 150 kw met een vliegwiel van 60 kg [19]. Power rating Ten opzichte van andere opslag systemen is een groot voordeel van vliegwielen dat ze de capaciteit hebben om hoge vermogenslevels aan te kunnen [5]. De snelle ontlaadtijd van vliegwielen, in de orde grootte van milliseconde tot minuten en de korte opslagduur, in de orde grootte van seconden tot minuten, zorgt ervoor dat ze erg geschikt zijn voor het stabiliseren van netwerk frequenties. Huidige systemen hebben een rotatiesnelheid van rpm en een vermogensdichtheid van bijna 12 kw per kilogram. Vliegwiel technologie kan tevens korte, random fluctuaties opvangen en kan pieken opvangen in de orde grootte van minuten tot uren in de dagelijkse vraag, waar het overvloedige elektriciteit tijdens daluren kan opvangen worden voor de verhoogde vraag overdag [7] Milieu impact De impact op het milieu van vliegwielen is bijzonder laag, aangezien vliegwielen geen schadelijke stoffen bevatten. De grootste gevaren voor een vliegwiel liggen zoals beschreven dan ook niet op het milieu vlak, maar op het veiligheidsaspect. 5.2 Compressed air energy storage Compressed air energy storage (CAES) is opslag van lucht onder hoge druk, veelal in de grond met een druk van rond de 40 bar. De elektriciteit drijft een compressor aan die lucht onder hoge druk opslaat, en wanneer elektriciteit 25

26 nodig is wordt de hoge druk lucht opgenomen en drijft deze een turbine aan. Het grote probleem met de opslag van lucht onder hoge druk is dat wanneer de druk stijgt, de temperatuur tevens stijgt. Adiabatische compressie tot 40 bar gaat gepaard met een temperatuur van bijna 600 graden Celcius. Dit leidt ertoe dat in de huidige CAES systemen de hete, gecomprimeerde lucht wordt afgekoeld tijdens het opslag proces. Bij het ontladen koelt de lucht enorm af door de expansie, en energie is nodig om de lucht op temperatuur te houden. Sinds de jaren 70 is er onderzoek geweest naar goedkope materialen om de warmte die bij compressie vrij komt op te slaan. Deze systemen worden ook wel ACAES genoemd, adiabatische CAES, en de werking is te zien in figuur 5.1 De aanbevolen orde grootte van ACEAS hangt af van het doel van de ACEAS, maar richtlijnen geven aan dat bij gecentraliseerde opslag rond de 300 MW het beste geschikt is, voor opslag bij een windmolen of zonnecellen-park is 150 MW geschikt en voor geïsoleerde netten is de opslag van rond de 30 MW aanbevolen [8]. Figure 5.1: Overzicht van het principe van ACAES [8] Kosten De kosten zijn per energie eenheid bijzonder laag, in de orde grootte van 2 tot 50 $/kwh en voor het vermogen liggen de kosten tussen de $ 400 en 800 per kw. De kosten liggen zo laag omdat er ingeval van goede geografische omstandigheden er weinig infrastructuur hoeft aangelegd te worden. Wanneer een geschikte ondergrond niet aanwezig is, zou het systeem nog kunnen worden uitgevoerd door bijvoorbeeld het opslag in een tank, maar dit zorgt wel voor kosten stijgingen. Het systeem is zo ontworpen dat het mogelijk is om dagelijks een cycle te doorlopen en tevens om efficiënt te opereren ook onder partiële belasting condities. Dit leidt tot kosten van rond de 2 tot 4 g/ kwh per cycle Efficiëntie Efficiënties van tussen 70 en 80 procent kunnen worden gehaald [9]. Fase technologie De technologie van CAES bestaat al geruime tijd, al word ACEAS wat minder toe gepast doordat het een recentere vinding is. Momenteel zijn er twee ACAES 26

27 installaties, een in Duitsland met een vermogen van 290 MW en een in de USA met een vermogen van 110 MW. Daarnaast staan er een aantal CAES installaties op de planning. Power rating Opslag van energie in ACEAS of CEAS kennen een lange opslag tijd van uren tot maanden zonder degradatie van energie en een relatief lange ontlaadt tijd die loopt in uren tot zelfs dagen. ACEAS is vanwege de benodigde opslag ruimte meer geschikt voor grotere opslag projecten, en word gekarakteriseerd door hoge efficiënties, geen CO 2 emissies en weinig geografische restricties. ACEAS is bijzonder geschikt om samen te werken met wind en zonne-energie, gezien de balancerende capaciteiten en de capaciteit om peak power op te vangen. De beste markt voor ACEAS wordt zelfs geschat op Nederland, vanwege de dure peakload technologiën, de vele warmtekracht koppelingen die zorgen voor large daluren tarieven voor elektriciteit en de beperkte mogelijkheden voor andere vormen van grootschalige opslag [8]. Milieu impact Het grote nadeel van CEAS is dat het systeem sterk geografisch afhankelijk is, waardoor het enkel economisch haalbaar wordt in gebieden waar energie centrales nabij mijnen, lege gasvelden of cavernes liggen [9]. 5.3 Hydro-elektrische energie opslag Energie opslag in de vorm van Hydro-installaties is een veel-toegepaste vorm in landen zoals Noorwegen, Zweden of Zwitserland, vanwege het natuurlijke hoogteverschil waarin energie kan worden opgeslagen. Voordelen van Hydroelektrische energie opslag is dat Hydro opslag flexibel vermogen kan leveren en het een korte opstarttijd heeft, waarmee het goed toegepast kan worden als reserve capaciteit, aangezien het tevens gebruikt kan worden bij een black start, wat inhoud dat het systeem geen elektriciteit nodig heeft om te starten. Verder heeft het de mogelijkheid om de frequentie waarmee het vermogen wordt opgewerkt aan te passen aan de gewenste frequentie [12]. Kosten Gemiddelde kosten van Hydro energie opslag zit tussen de 600 en 2000 $/kw en tussen de 5 en 100 $/kwh. Deze variaties zijn te danken aan een veelvoud aan factoren zoals onder andere het hoogteverschil, de kosten van het eventueel uitgraven van de opslag plek, de tunnelbouw en de dam bouw [34]. Deze kosten per cycle zijn het laagst wanneer je naar alle technologiën kijkt, namelijk rond de 1 g/ kwh per cycle. Echter zijn het de enorme investeringskosten en de lange aanlooptijd voor een dergelijk project die grootschalige implementatie van deze technologie tegen houden. 27

28 Efficiëntie Gemiddelde round trip efficiënties liggen tussen de 70 en 85 procent wanneer je verdamping en conversie verliezen meeneemt. Fase technologie De technologie is al zeer bekend en wordt in meerdere landen ter wereld toegepast, daar waar het natuurlijk hoogteverschil deze technologie een voordeel geeft. Power rating Gemiddelde orde grootte van dergelijk systemen zitten tussen de 100 en 5000 MW, en het gros zit rond de 1000 MW. Hydro-power systemen hebben een ontlaadtijd van uren tot en met dagen en ook de opslag duur is uren tot maanden. Figure 5.2: Doorsnee weergave van het energie-eiland Milieu impact In Nederland bestaat een dergelijke hoogte verschil niet, maar dit is wel kunstmatig te creëren. Al in 1981 is een plan gepresenteerd onder de naam Plan Lievense, waarbij het Markermeer werd ingezet als buffer voor energie opslag, door het meer te vullen met water ingeval van overproductie en leeg te laten wanneer een onderproductie van elektriciteit zou zijn. Dit plan heeft echter ernstige ecologische gevolgen voor het landschap en zou het een bedreiging zijn voor de veiligheid. In geval van een dijkdoorbraak zouden de Lievense bekken Amsterdam onder water zetten. Echter is er nieuw leven in het plan geblazen door het principe om te keren. Door het bouwen van een energie-eiland voor de kust van Nederland is het mogelijk om een stuk zee te isoleren. Door een stuk zee leeg te pompen met centrales in de daluren, kan overtollige energie worden opgeslagen. Dit hoogte verschil kan dan worden gebruikt tijdens piek uren, waar energie worden opgewekt met behulp van turbines door het meer te laten 28

29 vol stromen. Een doorsnee weergave is te zien in figuur 5.2. De capaciteit is afhankelijk van de grootte van het project, maar ingeval van een oppervlakte van 40 km 2 en een verval van tussen de 32 en 40 meter zou het meer een vermogen kunnen leveren van 1500 MW en een totale opslag van ongeveer 20 GWh. Verder zou dit eiland kunnen dienen voor een veelheid van toepassingen, zoals wind molen park, als locatie voor een zonnecollectorenpark, eventuele haven faciliteiten en aardgasopslag [31]. Eerdere negatieve argumenten zoals een bedreiging voor de veiligheid en de invloed op de ecologie gelden nu in veel mindere mate. 29

30 HOOFDSTUK 6 THERMISCHE SYSTEMEN Opslag van elektrische energie in thermische systemen vraagt inherent om een conversieslag. Veel verschillende vormen van thermische energie opslag bestaan, echter zijn voor de conversie van elektriciteit naar thermische energie en weer terug maar weinig systemen geschikt. Een onderscheid kan worden gemaakt in twee categoriën, namelijk thermische energie opslag met hoge temperaturen en met lage temperaturen. Bij hoge temperaturen kan gedacht worden aan CSP, concentrated solar power in combinatie met gesmolten zout opslag, waarbij temperaturen kunnen oplopen tot 600 graden Celsius. Interessant voor opslag voor kleinschaliger gebruik en in de gebouwde omgeving is de opslag in ondergrondse thermische elektriciteit opslag (UTES). Deze vorm van energie opslag wordt al relatief veel toegepast in Nederland. 6.1 Thermische elektriciteit opslag UTES, van het Engelse underground thermal energy storage, komt voor in twee vormen, ondergronds in aquifers (ATES) of met boorputten (BTES). De verschillende vormen worden weergegeven in figuur 6.1. Bij BTES wordt in een indirecte manier met behulp van een warmtewisselaar energie opgeslagen in de grond, bij ATES wordt de warmte opgeslagen in het grond water. Deze systemen worden ook wel warmte-koude-opslag genoemd, of WKO. Tijdens de zomer wordt koude onthaald uit de grond voor koel processen en kan daarmee warmte worden onttrokken uit gebouwen en dit weer terug in de grond te stoppen. Tijdens de winter kan deze warmte weer worden onthaald voor op het opwarmen van gebouwen. Voordelen van UTES zijn dat het een bewezen technologie betreft, het is economisch haalbaar en de integratie in de gebouwde omgeving is mogelijk. Gemiddeld gezien is de koude sectie van de UTES tussen de 5 en 8 graden Celsius en de warme sectie tussen de 15 en 20 graden Celsius. De koude sectie is prima geschikt door directe koeling, maar voor verwarming dient de temperatuur van de warme sectie nog worden opgehoogd naar ongeveer 35 graden [33]. Een essentieel onderdeel van UTES is de warmte pomp, weergegeven in figuur 6.2. Deze warmte pomp is nodig om het lage temperatuur, warme grond water te kunnen ophogen om te gebruiken als verwarming. Dit systeem, met 30

31 Figure 6.1: Overzicht van het principe van ATES (links) en BTES (rechts) dezelfde werking als dat in een koelkast, werkte op het principe dat de dampdruk van een vloeistof stijgt met de temperatuur. Bij de verdamper wordt een lage druk wordt gerealiseerd, wat resulteert een lage verdampingstemperatuur. Aan de condensator kant wordt een hoge druk is gerealiseerd en dus een hoge condensator temperatuur. De compressor is nodig om de hoge druk te genereren, terwijl de expansie klep ervoor zorgt dat de verdampingsdruk laag blijft. Figure 6.2: Overzicht van het principe van warmtepomp, Kosten De kosten van UTES is rond de 360 tot 650 $/kw, afhankelijk van het opslag medium, zoals opslag in poreuze media, in een caverne of boorgat. De kosten per geleverde energie liggen tussen de 20 en de 50 $/kwh, waarbij de uiteindelijke kosten per cycle ligt rond de 10 gper kwh per cycle [9]. 31