Bijlage 1. Contactpersonen

Transcriptie

1 Bijlage 1. Contactpersonen Bijlage 1. Contactpersonen CCM Centre for Concepts in Mechatronics B.V. Dr.ir. F.J.M. Thoolen De Pinckart 24, 5674 CC Nuenen Tel: ECN Mrs. Ir. M.C.C. Lafleur Energy in the Built Environment Business Unit Manager Westerduinweg 3, 1755 ZG Petten Tel: Dr.ir. G.J. Schaeffer Energy in the Built Environment Westerduinweg 3, 1755 ZG Petten Tel: Drs. F.D.J. Nieuwenhout Energy in the Built Environment Westerduinweg 3, 1755 ZG Petten Tel Ecofys bv Dr. G.J. Zijlstra Kanaalweg 16-G, 3526 KL Utrecht Tel: KEMA Ir. Ing. G.H.C.M. Thijssen Utrechtseweg 310, 6812 AR Arnhem Tel: Ir. J.W. Raadschelders Utrechtseweg 310, 6812 AR Arnhem Tel: Tennet / TUDelft Prof.ir. W.L. Kling Utrechtseweg 310, 6812 AR Arnhem Tel: kling@tennet.org Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 49

2 Bijlage 1. Contactpersonen TU Delft Prof.dr. J. Schoonman Research Centre for Sustainable Energy Scientific Director Delft Julianalaan 136, 2628 BL Delft Tel: Dr. E.M. Kelder Research Centre for Sustainable Energy Managing Director Julianalaan 136, 2628 BL Delft Tel: Dr.ir. G.C. Paap Power Systems Laboratory Head of DENLAB Mekelweg 4, 2628 CD Delft Tel: TU Eindhoven / Philips Prof.dr. P.H.L. Notten Chemical Engineering and Chemistry Postbus PO Box 513, 5600 MB Eindhoven Tel: p.h.l.notten@tue.nl en/of peter.notten@philips.com Universiteit Utrecht Prof.dr. K. P. De Jong Department of inorganic chemistry and catalysis Sorbonnelaan CA Utrecht Netherlands Tel K.P.deJong@chem.uu.nl Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 50

3 Bijlage 2. Korte factsheets opslagtechnieken. In deze bijlage worden de verschillende opslagtechnologieën kort beschreven. Aangezien er vele tientallen goede overzichten beschikbaar zijn, wordt in dit rapport slechts een summier overzicht gegeven. Verschillende bronnen geven nogal eens verschillende kengetallen, waarbij het niet altijd duidelijk is of deze getallen betrekking hebben op de huidige stand van de techniek, of dat het een toekomstverwachting betreft. Dit overzicht heeft dan ook niet de pretentie om volledig te zijn, noch alle karakteristieken tot in detail te beschrijven, maar beoogt een eerste indicatie te geven van de verschillende opties. Het overzicht is vooral gebaseerd op de volgende bronnen: DTI (a), Status of Electrical Energy Storage, London, UK, 2004 de Groot, R.A.C.T., Thijssen, G.H.C.M., KEMA, Elektriciteitsopslag - techniek- en applicatie inventarisatie, Arnhem, 2001 INVESTIRE: Investigation of Storage Technologies for Intermittent Renewable Energies; Final Technical report, CEA-GENEC, February Inhoudsopgave Bijlage 2 Chemische energie opslag Loodzuur batterij Nikkel-Cadmium en Nikkel-metaalhybride batterij Lithium batterij Natrium-zwavel (NaS) batterij Zink-bromide flow batterij Vanadium-redox flow batterij Regenesys flow batterij Metaal-lucht batterij Waterstof...60 Mechanische opslag Compressed Air Energy Storage (CAES) Pompaccumulatie Vliegwielen...64 Elektrische energie opslag Supercondensatoren Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)...66 Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 51

4 Chemische energie opslag 1. Loodzuur batterij In een oplaadbare batterij wordt elektrische energie omgezet in chemische energie en omgekeerd. De eigenschappen van batterijen wordt bepaald door de gebruikte materialen en de configuratie hiervan. Meestal vindt er een uitruilplaats tussen de optimalisatie van de capaciteit, vermogen of de levensduur. Loodzuur batterijen worden al ruim 130 jaar gebruikt. Omdat dit type batterij relatief goedkoop en betrouwbaar is, zijn dit de meest toegepaste batterijen. De energiedichtheid van loodzuur batterijen zijn de laatste decennia fors toegenomen, maar blijft relatief laag door het grote gewicht van lood. Loodzuur batterijen zijn in staat hoge stromen te leveren en hebben beperkte levensduur. Ze worden o.a. toegepast in auto s, bij autonome duurzame energiebronnen en ter verbetering van de netkwaliteit, zie onderstaande tabel. Tabel B2.1 Grootschalige energie opslag door loodzuur batterijen Plant name and Year of Rated energy Rated Application location installation (MWh) power (MW) BEWAG, Berlin Spinning reserve Frequency control Crescent, North Peak demand reduction Carolina Chino, California Spinning reserve Load levelling PREPA, Puerto Rico Spinning reserve Frequency control Vernon, California Security of supply Power quality Metlakatla, Alaska Stabilization of island grid ESCAR, Madrid Early 4 1 Load levelling 1990s Status of Electrical Energy Storage, DTI, UK 2004 Vermogen: tot 20 MW Capaciteit: kwh Levensduur: cycli Zelfontlading 2-5% per maand (ECN info) Rendement cyclus: 75-80% Typische (ont)laadtijd: 0,5 5 uur (ECN info) Capaciteit Wh/kg, W/kg Kosten /kwh, /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 52

5 2. Nikkel-Cadmium en Nikkel-metaalhybride batterij NiCd batterijen worden net zoals loodzuur batterijen op grote schaal toegepast. Ze hebben een grotere energie dichtheid en een korte laadtijd dan loodzuur batterijen. De kosten zijn echter hoger en daarom worden deze batterijen vooral gebruikt in hoogwaardiger toepassingen. Daarnaast heeft dit type batterij het nadeel van het zogenaamde geheugeneffect waardoor de cellen niet altijd volledig geladen kunnen worden. Tenslotte is het gebruik van het giftige cadmium een groot milieuprobleem. De industrie werkt daarom de vervanging van cadmium door metaalhybriden, de NiMHbatterij. Deze batterij heeft ook een hoge energiedichtheid, maar is relatief erg duur. Figuur B2.2 Reserve capaciteit door NiCd-systeem. Deze NiCd-cellen kunnen een vermogen leveren van 27 MW gedurende 15 minuten. Golden Valley Electric Association, Fairbanks, Alaska. Vermogen: tot 30 MW Capaciteit: kwh Levensduur: cycli Zelfontlading 5-20% jaar Rendement cyclus: 60-70% Typische (ont)laadtijd: 0,2 1 uur Capaciteit 75 Wh/kg, W/kg Kosten /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 53

6 3. Lithium batterij Lithium batterijen hebben een zeer hoge energie dichtheid en hoge laad efficiency. Ze worden vooral toegepast in draagbare elektronica, waar het marktaandeel boven de 50% ligt. Lithium batterijen zijn relatief duur vanwege de speciale eisen aan de batterij. Diverse fabrikanten werken aan kostenreductie en aan grotere systemen voor bijvoorbeeld toepassing in auto s. Figuur B2.3 Lithion batterijen als UPS Dit systeem kan enige minuten een vermogen leveren van 100 KW. Vermogen: tot 100 kw Capaciteit: tot 15 kwh Levensduur: cycli Zelfontlading 1%/maand Rendement cyclus: 95% Typische (ont)laadtijd: 0,5 uren Capaciteit W/kg, W/kg Kosten /kwh Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 54

7 4. Natrium-zwavel (NaS) batterij Natrium-zwavel batterij bevat gesmolten natrium en zwavel. De bedrijfstemperatuur is daarom zo n 300ºC. Dit vergt een extra isolatie en veiligheidsmaatregelen. De energieinhoud is zo n factor 4 groter dan die van loodzuur batterijen. Omdat de elektrolyt en de actieve materialen niet chemisch met elkaar reageren, kent de NaS geen zelf ontlading. Wel moet de batterij op temperatuur gehouden worden. Indien de laadcyclus eens per dag wordt doorlopen, komt hierbij genoeg warmte vrij om de cel op temperatuur te houden. Dit type cellen wordt vooral toegepast in Japan, waar meer dan 30 grote installaties staan, om de piekbelasting in het elektriciteitnet te reduceren. De grootse installatie is 6MW van Tokyo Electric Power Company en kan 8 uur vermogen leveren. Figuur B2.4 Schema van NaS batterij door het Japanse NGK Vermogen: 0,1-30 MW Capaciteit: kwh Levensduur: cycli Rendement cyclus: 85-90% Typische (ont)laadtijd: 8 uur Capaciteit Wh/kg, W/kg Kosten /kwh, 300 /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 55

8 5. Zink-bromide flow batterij Flow batterijen Een flowbatterij bestaat uit twee elektroden en twee reservoirs met elektrolyt. Deze reservoirs worden gescheiden door een membraan dat ionen kan uitwisselen. De elektrolyt wordt langs het membraam gepompt, waardoor een elektrochemische reactie plaats vindt en er een potentiaalverschil ontstaat. Figuur B2.5 Werking flow batterij Bron: Status of Electrical Energy Storage, DTI, UK 2004 Een belangrijk voor deel van flow batterijen is dat de capaciteit van de batterij eenvoudig vergroot kan worden door de reservoirs te vergoten. Er zijn momenteel drie verschillende type flow batterijen beschreven: vanadium redox, zinc bromide, en polysulfide bromide (regenesys). In de onderstaande tabel worden deze typen met elkaar vergeleken. Status of Electrical Energy Storage, DTI, UK 2004 De zink bromide batterij is in de begin jaren 70 ontwikkeld door Exxon. In het verleden zijn er een aantal multi-kwh gebouwd. De 45 patenten van deze technologie zijn thans in handen van de het Amerikaanse ZBB Energy Corporation, die koploper is. Zij passen de technologie toe bij voor een betere netkwaliteit en bij autonome duurzame energie systemen. Vermogen: 10 kw 250 kw Capaciteit: kwh Levensduur: 1000 cycli Rendement cyclus: 65-75% Zelfontlading nihil Typische (ont)laadtijd: 0,5 3 uur Capaciteit Wh/kg, W/kg Kosten 1500 /kw, 1500 /kwh Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 56

9 6. Vanadium-redox flow batterij De Vanadium batterij bestaat uit een reservoir van elektrolyt met daarin vanadiumatomen met verschillende elektrische ladingen in een zure oplossing. Het Canadese VRB power en het Japanse Sumitomo Electric Industries zijn de koplopers in deze technologie. Figuur B2,6 6. Vanadium-redox pieklast centrale in Castle Valley, Utah Deze centrale kan een vermogen leveren van 250kW gedurende 8 uur (2 MWh). Bron: Vermogen: 5 kw 500 kw Capaciteit: kwh Levensduur: cycli cycli Zelfontlading Nihil Rendement cyclus: 80-87% (Ont)laadtijd: uren Capaciteit Wh/kg, 180W/kg Kosten /kwh, /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 57

10 7. Regenesys flow batterij Het regenesys systeem maakt gebruik van de reversibele elektrochemische reactie tussen natriumbromide en natriumpolysulfide. De technologie is in begin jaren 90 ontwikkeld door RWE Innogy. Momenteel zijn alle patenten verkocht aan VRB Power systems. VRB is echter gestopt met de verdere ontwikkeling van deze technologie. Het is daarom de vraag of deze technologie ooit op grote schaal toegepast gaat worden. In het verleden is in opdracht door Tennessee Valley Authority, een zeer grote elektriciteitsproducent, een 120 MWh installatie gebouwd. Deze is echter nooit volledig voltooid en operationeel geworden. Vermogen: 10 kw - 15MW Capaciteit: 1 kwh-120mwh Efficiency: 70-85% (Ont)laadtijd: 1-8 uren Zelfontlading: nihil Levensduur: cycli (15 jaar) Capaciteit 20-28Wh/kg Kosten: /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 58

11 8. Metaal-lucht batterij Metaal-lucht batterijen hebben een erg hoge energiedichtheid en hebben de potentie om erg goedkoop te worden. Het grootste nadeel is echter dat het laden van de batterijen erg moeilijk is en daarmee ook erg inefficiënt is. De huidige batterijen hebben slechts een levensduur van een paar 100 cycli en een efficiency van 50%. De anode bestaat uit eenvoudig metaal, zoals aluminium of zink die elektronen afstaan bij oxidatie. Deze reactie is moeilijk omkeerbaar, waardoor de batterij vaak niet herlaadbaar is. Een aantal fabrikanten levert wel hervulbare batterijen, waarin de metalen anodes vervangen kunnen worden. Het bedrijf evionyx die deze batterijen maakt, en meer dan 50 patenten bezit, spreekt daarom zinc-based fuel. Zij zien de batterij meer als productie-unit dan als opslagsysteem. Wel wordt opgemerkt dat de anodes elders, dus buiten de batterij, weer opnieuw gereduceerd worden, van zinkoxide tot zink. Deze zink anode kan dan weer in de batterij geplaatst worden. Scooter met evionyx hervulbare zink-lucht batterij Vermogen: 1 kw 10kW Capaciteit: 1 kwh-10kwh Efficiency: 40-50% Zelfontlading 7-10%-maand (Ont)laadtijd: 1-8 uren Levensduur: 100 cycli Capaciteit W/kg, Wh/kg (niet herlaadbaar) Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 59

12 9. Waterstof Opslagsystemen gebaseerd op waterstof zijn momenteel erg in de aandacht. In dit systeem wordt door elektrolyse waterstof geproduceerd. De waterstof wordt daarna opgeslagen, om vervolgens in een brandstofcel weer te worden omgezet in elektriciteit. Waterstof heeft een hoge energiedichtheid waardoor compacte batterijen mogelijk zijn. Het systeem is echter complex en heeft een laag rendement, (momenteel) maximaal zo n 50%. Het lijkt daarom meer voor de hand te liggen waterstof te zien als een volwaardige energiedrager en niet als een afgeleide die dient om elektriciteit op te slaan, zoals bijvoorbeeld Ulf Bossel dat stelt [Bossel, 2004]. Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 60

13 Mechanische opslag 10. Compressed Air Energy Storage (CAES) Bij Compressed Air Energy Storage (CAES) wordt lucht samengeperst en ondergronds opgeslagen. Hiervoor zijn specifieke luchtdichte geologische structuren, zoals zoutkoepels, rotsholtes of aquifers nodig. Het opslagsysteem wordt gekoppeld aan een gasturbine, waarin de energie in de samengeperste lucht weer omgezet wordt in elektriciteit. Bij compressie van lucht komt warmte vrij en bij expansie van lucht moet warmte toegevoegd worden, daarom wordt het CAES systeem efficiënter indien ook een thermische opslag wordt toegevoegd, die bij compressie wordt verhit en bij expansie zijn warmte weer afgeeft aan de expanderende lucht. CEAS wordt niet veel toegepast, maar is wel een volwassen techniek. Er is een centrale in Duitsland en een in Amerika operationeel, beiden grootschalige netgekoppelde opslagsystemen. Daarnaast wordt er ook onderzoek gedaan naar kleinere CAES systemen ( 10 MW) Figuur B2.10 schematische weergave van Compressed Air Energy Storage (Bron: CAES Development Company) : Vermogen: 0.1-1GW Capaciteit: MWh Efficiency: 80% (zie toelichting op volgende bladzijde) Ontlaadtijd: uren, maar gebruikte cyclus is vaak 1 dag Levensduur: tientallen jaren Zelfontlading: nihil Kosten /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 61

14 Het rendement van een CAES systeem hangt af van de wijze waarop het berekend wordt en kan daarmee in de literatuur variëren tussen waarden onder de 45% boven de 80%. De heer Thijssen van KEMA geeft de volgende toelichting [Thijssen, 2006]: Indien we alleen naar de ingaande elektriciteit kijken en daarvan bepalen hoeveel elektriciteit daarvan weer terug in het net komt, (batterij-equivalent) dan is het rendement hoog, hoger dan de meeste loodzuur batterijsystemen (> 80%). Echter, om een CAES te laten werken moet ook gas worden bijgestookt. Indien we naar de CAES kijken alsof het een batterij-equivalent is, dan wordt gasgebruik aan de opwekking toegerekend, niet aan de opslag. Daar zit nu exact het verschil, want het gasgebruik zou er immers niet zijn als er geen CAES was. Indien we het gas meerekenen in het rendement van het CAES systeem, dan is het rendement lager, en afhankelijk van de exacte dimensionering kan het onder 50% komen. Bij KEMA kijken we overigens liever niet vanuit rendement, maar vanuit kosten van het gehele elektriciteitsvoorzieningsysteem, dus de vaste en de operationele kosten. Rendement is minder interessant, waar het om gaat is voor welke prijs de stroom wordt gekocht, niet of die stroom is opgewekt met een hoog rendement. Als je naar CAES kijkt als een opslagsysteem, dan is het batterij-equivalent zuiverder om met andere systemen te vergelijken. Nog beter is om het vergelijken op basis van 'financieel rendement. Een CAES kan in de keten van opwekking tot eindgebruik de kosten verlagen, dit zijn de baten. Uiteraard moet er in een CAES worden geïnvesteerd en er moet gas worden gekocht, dit zijn de kosten. Als de kosten lager zijn dan de baten hebben we een interessante toepassing, die geld bespaart. Indien we de CAES opladen met overschot aan wind bijvoorbeeld, dan verminderen we de benodigde hoeveelheid fossiele brandstof, ook al is er gas nodig om de CAES te laten werken. Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 62

15 11. Pompaccumulatie Pomp accumulatie is de meest gebuikte methode om grote hoeveelheden energie op te slaan. Er staat wereldwijd 50 GW opgesteld. Het systeem bestaat uit twee reservoirs, een lage en een hoge. Tijdens de daluren pompt men het water met behulp van een turbinepomp uit het lage reservoir naar het hoge reservoir. Pompcentrales staan daarom vrijwel altijd in bergachtig terrein. In de piekuren wordt de waterstroom omgedraaid en genereert de turbine stroom. Het is ook mogelijk ondergrondse reservoirs te gebruiken. Tevens kan de zee kan worden gebruikt als reservoir. Dit is bijvoorbeeld gedaan in Japan, zie onderstaande foto. Een 30 MW zoutwater pomp accumulatie systeem in Japan. (Bron: Agency of Natural Resources and Energy, Japan) Vermogen: GW Capaciteit: ~10 MWh tot 100 GWh Efficiency: 70-85% (Ont)laadtijd: uren Zelfontlading nihil Levensduur: cycli (of: 30 jaar) Capaciteit: Wh/kg Kosten 3,5 /kwh, /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 63

16 12. Vliegwielen Vliegwielen kunnen kinetische energie opslaan. De hoeveel energie die opslagen wordt, wordt vooral bepaald door het gewicht en de draaisnelheid van de rotor. Hierbij is de draaisnelheid het belangrijkste is, aangezien de capaciteit kwadratisch afhangt van de draaisnelheid. Bij een vliegwiel wordt via een motor-generator eenheid de elektriciteit rechtstreeks omgezet in kinetische energie en visa versa. Traditioneel worden vliegwielen gemaakt van staal, moderne vliegwielen worden gemaakt van koolstofvezel. Ondanks het feit dat koolstof ongeveer slechts een derde weegt van staal, kan er toch een factor 5 meer energie opgeslagen worden, omdat de treksterkte van koolstofvezels hoger is dan die van staal, zodat de draaisnelheid veel groter kan zijn. Deze hogere draaisnelheid stel echter wel extra eisen aan de lagering en het vacuüm waarin het vliegwiel draait. Vliegwielen kunnen snel een hoog vermogen leveren, de opslag capaciteit is echter beperkt. Ze worden momenteel commercieel toegepast in stationaire netgekoppelde toepassingen om korte netfluctuatie en netstoringen op te vangen. Het Centre for Concepts in Mechatronics werkt daarentegen juist aan mobiele toepassingen voor vliegwielen. Figuur B2.12 een 6 kwh vliegwiel van Beacon Power Vermogen: kw Capaciteit: 1-10 kwh Levensduur: cycli Zelfontlading %/uur Rendement cyclus: 90% Typische (Ont)laadtijd: seconden - minuten Capaciteit 1 10 Wh/kg, W/kg Kosten 1500 /kwh, /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 64

17 Elektrische energie opslag 13. Supercondensatoren Supercondensatoren combineren de eigenschappen van traditionele condensatoren en batterijen. De elektrische energie wordt opgeslagen in een vloeistoflaag op het grensvlak van een geleidend geïoniseerde elektrolyt en een geleidende elektrode. Aangezien de capaciteit afhankelijk is van de oppervlakte wordt poreus materiaal wordt gebruikt om het oppervlak te maximaliseren. De spanning van een supercondensatoor is laag, daarom worden deze geschakeld. Momenteel is de opslagcapaciteit van dit type condensatoren nog laag. Ze hebben wel een lange levensduur en kunnen hoge vermogens leveren. De toepassingen liggen momenteel vooral als energiebuffer voor elektronica toepassingen. Ook wordt gewerkt aan toepassingen elektrisch/hybride voertuigen. Figuur B2.13 supercondensator van Maxwell Technologies Vermogen: kw Capaciteit: 1Wh-100Wh Efficiency: 90% Zelfontlading 20-30% /maand Levensduur: cycli (Ont)laadtijd: seconden Capaciteit 4-20 Wh/kg, 0,1-10 kw/kg Kosten /kwh, /kw Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 65

18 14. Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Bij Superconducting Magnetic Energy Storage wordt de elektrische energie opgeslagen in een supergeleidende spoel. Dit gebeurt door gelijkstroom in de supergeleide spoel in te voeren en uiteindelijk kort te sluiten. Door het ontbreken van weerstand zal de stroom eindeloos doorlopen. Supergeleiding treedt pas op bij zeer lage temperaturen, hierdoor moet de spoel cryogeen gekoeld worden. De SMES produceert een zeer sterk magnetisch veld waardoor een afgesloten veiligheidszone van enkele meters nodig is. SMES systemen kunnen zeer snel vermogen leveren. Kleinschalige SMES-systemen worden al op ruime schaal toegepast bij netgekoppelde systemen op het gebied van UPS en spanningskwaliteit. Grootschalige SMES systemen worden vanwege de kosten nog niet toegepast. Figuur een SMES van Accel met een capaciteit van 0,6 kwh en een maximaal vermogen van 800 kw (Bron: Vermogen: MW Capaciteit: kwh Efficiency: 95% Typische (ont)laadtijd: seconden Zelfontlading geen (wel is er energie nodig om de SMES te koelen) Levensduur: 10 tallen jaren * Capaciteit 7 Wh/kg, 120 W/kg Kosten /kw * De levensduur van de SMES is meer dan 30 jaar, de levensduur van de omvormer, het koelsysteem en de vermogenselektronica is korter. Opslag van elektriciteit: Status en toekomstperspectief voor Nederland 66