home  

discl. / ©, lid NVJ

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z


energieopslag

 

energieopslag, potentiŽle energie, opslag energie voor later gebruik

Grootschalige opslag van energie is noodzaak wanneer vrijwel uitsluitend gebruik wordt gemaakt van windenergie en zonne-energie.
Opslag van energie is natuurlijk altijd mogelijk in enige vorm, maar vooral nuttig als er veel energie teveel wordt geproduceerd of in ieder geval tijdelijk zeer goedkoop is. Het lijkt er wel op dat dat met windmolens en zonnepanelen zal gebeuren, maar het is niet duidelijk of dat voldoende zal zijn om de opslag economisch te verantwoorden (bijvoorbeeld alleen in de stormachtige nachten en zonovergoten dagen wordt er teveel elektriciteit opgewekt).
Energieopslag van een groene bron is meer of minder te beschouwen als groene energie.

Belangrijk bij energieopslag is
- Doel van de opslag (korte termijn, lange termijn; aanvullend of veel laad/ontlaadcycli; woning, buurt, regio e.d.)
- Omvang van de benodigde opslag (in kWh of MJ)
- Kosten van opslag en transport (initieel de installatie; in werkende fase per kWh of MJ) 
- Snelheid van laden en ontladen
- Software van het centrale en lokale netwerk moet opslag en onttrekking mogelijk maken op een correcte en snelle manier
- Bij voorkeur lokale opslag om het centrale netwerk te ontzien
- Omvang van de apparatuur, vooral bij lokale opslag in woningen
- Verkrijgbaarheid stoffen: bij voorkeur materialen/stoffen die goed verkrijgbaar zijn (niet zeldzaam en bij voorkeur uit eigen land).

Attentiepunten
- Wanneer er in bepaalde periodes veel energie teveel of zeer goedkoop is en we kunnen die niet zonder meer opslaan, is minder efficiŽnte, minder rendabele opslag zeker te overwegen (tenzij de kosten van transport, opslag en heropwekking van elektriciteit of warmte boven het uiteindelijke nut komen).
- Bij nog-niet-bewezen technieken van energieopslag is de schaalbaarheid van het testmodel een belangrijk gegeven (is een kleine test voldoende om een veel grotere omvang waar te kunnen maken).
- Wanneer er vaak teveel elektriciteit wordt geproduceerd (en dus stroom zeer goedkoop is) kan er ook gedacht worden aan meer productie draaien of alleen specifieke, veel stroom vereisende activiteiten voor die momenten te reserveren. Daar kleven nogal wat nadelen aan, het is immers niet gemakkelijk om ineens een proces te starten en voor een onbekende, misschien korte periode uit te voeren, zeker niet als daarbij menselijke inbreng vereist is. (Wanneer veel bedrijven en particulieren in zulke periodes al of niet geautomatiseerd meer stroom gaan gebruiken wordt die natuurlijk ook weer duurder en moet dat proces weer stoppen).

Het is daarom wel enorm handig als we energie kunnen opslaan, vooral voor korte tijd maar soms ook voor langere tijd.

Er zijn verschillende manieren om energie op te slaan, mede afhankelijk van de vorm en de hoeveelheid van de energie.

Opslag van elektriciteit is mogelijk via:

- Accu's. Elektriciteit kan in accu's worden opgeslagen (centraal of lokaal).
- Stuwmeer, valmeer (spaarbekken, pompcentrale). Elektriciteit kan worden gebruikt om water op te pompen in een stuwmeer of uit een valmeer te pompen; op een later moment kan het water dienen om via een turbine weer elektriciteit op te wekken.
- Chemisch omzetten (Power-to-Gas, P2G, bijvoorbeeld naar waterstof of methaan). Elektriciteit wordt omgezet naar bijvoorbeeld waterstof of methaan om later weer elektriciteit te leveren.
- Onderwatertanks. Opslag van potentiŽle energie in ondergrondse tanks.
- Blue energy battery. Opslag van zout- en zoetwater als bron voor opwekken van elektriciteit. 
- Samengedrukte lucht of vloeistof (opslag perslucht). Door het samendrukken kan in een later stadium de lucht of de vloeistof een turbine aandrijven en elektriciteit opwekken.
- Vliegwiel. Opslag in de vorm van rotatie-energie.
- Blok aan kabel in mijnschacht.

Opslag van warmte is mogelijk via:

- Warmte-koude-opslag. Warmte opslaan in een gesloten systeem (lokaal, bij een gebouw) of open (bij een gebouw of in diepere aardlagen).
- Phase change materials (PCM). Stof verwarmen verandert de fase (vast naar vloeibaar) en zorg dat er nauwelijks of geen warmteverlies is, bij afkoeling komt de warmte weer vrij.
- Thermisch-chemische opslag. Stof1 en warmte geeft stof2, bewaar stof2; om weer warmte te verkrijgen voeg iets aan stof2 toe om weer stof1 en warmte te verkrijgen. Een ander methode: Stof1 en warmte geeft twee aparte stoffen, bewaar beide stoffen. Om weer warmte te verkrijgen breng de stoffen weer samen en er ontstaat stof1 en warmte.
- Heet vloeibaar zout of Keramische kogeltjes e.d.
Vrij kortstondige energieopslag in de vorm van warmteopslag in heet, vloeibaar zout of hete kogeltjes e.d.

Voor een aantal soorten energieopslag zie ook Energy Storage Association.



Elektriciteit: Accu's


Theoretisch kunnen ook zeer omvangrijke accu's worden toegepast of een zeer groot aantal kleinere accu's, afhankelijk van de economische situatie.

Voordelen accu's
- vrijwel rechtstreeks is de accu te laden vanuit elektriciteit (bij voorkeur groene stroom, van bijvoorbeeld zonnepanelen of windmolens)
- relatief klein volume (voor huiselijk gebruik of op wijkniveau; voor zeer grote bedrijven meer denken in de orde van containerformaat)
- omdat steeds meer auto's op stroom rijden en bijvoorbeeld steeds meer op elektriciteit gekookt wordt (inductiekookplaat e.d.), zijn er steeds meer pieken in de vraag naar elektriciteit waar accu's goed in kunnen voldoen; bij stroomuitval kan de accu te hulp schieten; bij een wispelturige elektriciteitsvoorziening via zonnepanelen en windenergie en een complexer netwerk (smart grid) is een accu te zien als een soort Uninterrupted Power Supply (UPS)
- door strategisch gebruik van accu's is netverzwaring in veel gevallen te vermijden.

Nadelen accu's
- nog steeds een duur tot zeer duur medium (de levelized cost of electricity (LCOE) van lithiumaccu's schijnt ca. 150 euro per MWh te zijn; onduidelijk is of dit reŽel is; situatie 2020 want de prijsverlagingen gaan behoorlijk snel); leasen van een accu van ca. 10 kWh capaciteit en 10 kW vermogen kost nog ca. 100 euro/maand (financieel meer geschikt op buurtniveau dan voor een particulier)
- niet zeer snel in het leveren van veel energie (een combinatie van accu's en ultracapacitors kan wellicht de snelheid van leveren verhogen)
- gaat maar een beperkt aantal malen opladen/ontladen mee (ťťn cyclus is ťťn keer volledig opladen plus ťťn keer volledig ontladen; bij 1000 cycli is de capaciteit al aardig afgenomen; Tesla denkt in de toekomst aan 3000-4000 cycli)
- meestal is dit niet direct een bezwaar, maar een accu is veel zwaarder dan de hoeveelheid benzine of kerosine met dezelfde hoeveelheid energie.

Lokale opslag van accu's
Voor het totale, openbare net is lokale opslag in accu's (bijvoorbeeld ťťn forse accu per woning) gunstiger dan centrale opslag in zeer omvangrijke (aantallen) accu's.

Voordelen lokale opslag (thuis of eventueel meer woningen):
- Er is nauwelijks impact op het openbare net omdat zowel opwekken als afnemen lokaal blijft. De impact heeft betrekking op zowel load (anders grote hoeveelheden extra nodig) als balancing (piekbelastingen en steeds distribueren en ontvangen van stroom).
- Wat je produceert, kun je ook zelf allemaal opmaken (als je zoveel mogelijk op elektriciteit aangesloten hebt), dus geen kW's van het openbare net betrekken als dat niet nodig is.

Twee aspecten: 
- Nog niet elke woning genereert zelf elektriciteit dus die inzet kent beperkingen.
- Als je niet je eigen auto-accu wilt gebruiken, moet een omvangrijke extra accu worden aangeschaft. Zolang de prijs van zo'n accu (onder de 10 kWh) nog ca. 9.000 euro is (situatie 2019, incl. installatiekosten en btw), zullen niet veel particulieren overgaan tot aanschaf; hoewel, volledige subsidie van bijvoorbeeld 3 miljoen accu's kost (geen btw want dat is natuurlijk onzin bij volledige subsidie) 9.000 - 21% = ca. 7000 euro dus ca. 21 miljard euro en over 10 jaar verspreid is dat evenveel als het afschaffen van de dividendbelasting ons gekost zou hebben (ca. 2 miljard euro/jaar), en dan kunnen we in de daaropvolgende jaren langzaamaan de rest van accu's voorzien... Trouwens, accu's worden steeds goedkoper en met meer capaciteit; over 10 of 20 jaar zijn accu's vermoedelijk veel beter (grotere capaciteit, sneller laden/ontladen) en goedkoper. 

Buurtaccu's als reŽle optie
Te denken valt aan buurtbuffers die lokale pieken opvangen en bij dalen en goedkope stroom de wijkaccu's kunnen opladen. Energienetwerken voor woonwijken is zeker te overwegen als de accu's niet zo duur meer zijn en een toereikende capaciteit hebben. Hierdoor wordt het landelijke net niet extra belast en heeft men op wijkniveau toch geen last van dips in en uitval van de elektriciteit.
Alles hangt natuurlijk ook af van de omvang van de elektriciteitsproductie op lokaal niveau (zonnepanelen en eventueel windenergie), anders worden de accu's uitsluitend in goedkope daluren opgeladen. In bepaalde periodes en situaties kan goedkope opladen best voldoende zijn, maar door omvangrijke afname van "goedkope stroom" wordt de stroom automatisch duurder...

Centrale opslag in accu's
Waarschijnlijk is dit (nog) niet de geŽigende manier:
- het netwerk wordt toch zwaar belast of overbelast bij centrale opslag
- zulke accu's zijn zeer duur (hoewel de prijs steeds kleiner wordt)
- wat is de bron van de elektriciteit om grote centrale accu's op te laden? (als de centrale accu alleen gevuld wordt bij overproductie aan elektriciteit of bij zeer goedkope stroom, dan kan dit wel eens tegenvallen; wellicht een zonnepark of een windpark, maar dat zien buurtbewoners liever niet; bij een windpark op zee is een mogelijkheid; wellicht kernenergie omdat een kerncentrale moeilijk op- en af te schakelen is bij steeds wispelturiger wordende aanbod ťn afname van elektriciteit van zon en wind).

Langdurige opslag
- Gebruik van accu's voor langdurige opslag (bijvoorbeeld 's zomers opslaan om 's winters warmte te leveren) is niet zo gunstig:
. accu's zelf zijn daar veel te duur voor (de kosten per kW vermogen zijn dan zeer hoog)
. per verbruikte kWh is zo'n accu te duur (door de langdurige opslag is het aantal kWh waar de accu mee geladen/ontladen wordt veel te laag en dus de kosten per kWh verbruik enorm hoog)
. bij een te laag verbruik verliest de accu een aanzienlijk deel van zijn opslag
- Langdurige opslag zou eigenlijk in "moleculen" moeten plaatsvinden (bijvoorbeeld in de vorm van waterstof) in plaats van in de vorm van elektronen (elektrische opslag in accu's).

Accu's van auto's 
Het gebruik de accu's van elektrische auto's lijkt aanvankelijk een optie, maar dat deze methode bevat forse onzekerheden en is daarmee in praktisch opzicht alleen uitvoerbaar als de eigenaar zijn eigen auto-accu gebruikt voor zijn eigen opslag. 
Een paar problemen bij het gebruik van de accu's van elektrische auto's
- Alleen elektrische auto's die bij een laadpaal staan (privť of openbaar) kunnen terugleveren aan het net en dat zijn er niet zo heel veel zeker geen 3 miljoen waar sommigen het over hebben. De meeste auto's staan stil bij "de zaak", een sportschool, zwembad, winkel enz.
- Terugleveren aan het openbare gaat niet (meer) voor dezelfde prijs als van het net betrekken. Als terugleveren minder opbrengt dan afnemen van het net is de lust om terug te leveren snel voorbij; als de salderingsregeling wordt afgeschaft brengt een kW geleverd slechts 3 cent op maar kost afname van een kW aanzienlijk meer (bijvoorbeeld 23 cent in 2020).
- De accu is eerder uitgeput door het veelvuldig en willekeurig afnemen en terugleveren van elektriciteit (wellicht na 5 jaar al uitgeput) en een nieuwe accu is toch nog steeds zeer prijzig. Als een accu elke dag volledig opgeladen en volledig ontladen wordt, dan is na 3 jaar de capaciteit een stuk verminderd.
- Onduidelijk is hoeveel auto's kunnen leveren aan het net (terugleveren vereist een ander soort batterij).
- De eigenaar moet bereid zijn elektriciteit terug te leveren (met alle onzekerheden moet er fors winst zijn voor de eigenaar wil die daar toestemming voor geven).
- Prijsdifferentiatie elektrische stroom betekent plotseling koppelen en loskoppelen waarmee het een gecompliceerd geheel wordt.
- "Laad je accu altijd weer op voordat deze helemaal leeg is. Zo voorkom je iets dat diepteontlading heet. Langdurig niet opladen is namelijk schadelijk voor een accu." Een lithiumaccu moet je juist niet helemaal laden en ontladen om hem goed te laten werken, dat was wel bij de oudere modellen accu's het geval. De voorkeur gaat waarschijnlijk uit naar een laadgraad van 30 tot 80 procent.
(Zie eventueel bij laadpaal.)

Accu's met andere opslagmaterialen
Veel accu's bevatten zeldzame of dure metalen of elektrolyten (de vloeistof in een accu), maar er worden ook proeven gedaan met accu's die bijvoorbeeld waterstofbromide of zeezout als elektrolyt hebben, alom verkrijgbaar en goedkoop.


de accu van bijvoorbeeld iwell slaat groene stroom op en ontlaadt o.m. als er stroompieken dreigen (iwell): 




Elektriciteit: Stuwmeer of valmeer (bergcentrale, spaarbekken)


Door het oppompen van water in een stuwmeer fungeert het water als een vorm van "potentiŽle energie" (zie wateraccumulatie bij waterkrachtcentrale / spaarbekkencentrale voor reŽle mogelijkheden). 
In landen die wat bergachtiger zijn dan Nederland zijn veel stuwmeren, maar in Nederland kan dat ook, met wat meer inspanning natuurlijk.
Een stuwmeer fungeert als reservoir waar op een  gecontroleerde manier water uit kan ontsnappen om een turbine aan te drijven die elektriciteit opwekt.
Hoe hoger het verschil tussen de waterstanden aan beide zijden van de stuwdam (het verval), des te meer energie kan er opgewekt worden.

Nederland heeft niet veel mogelijkheden voor stuwmeren en waterkrachtcentrales (spaarbekkencentrales), maar een teveel aan elektriciteit (of zeer goedkope elektriciteit) kun je ook naar Noorwegen of Duitsland "sturen" om een stuwmeer te vullen.
Bij een teveel aan elektriciteit kan ook bijvoorbeeld water vanuit het IJsselmeer in het Markermeer gepompt worden en bij een tekort aan elektriciteit stroomt het water weer naar het IJsselmeer, langs een turbine die elektriciteit opwekt. Dit Plan Lievense benut het Markermeer als buffer, een briljant plan uit 1981 van ingenieur Luc Lievense (1924-2015).
Als het ons lukt een groot stuwmeer hiervoor te kunnen bouwen (waarom zou dat niet lukken?), dan is dit veruit de eenvoudigste, goedkoopste en milieuvriendelijkste manier van energie-opslag.

Een stuwmeer wordt ook witte steenkool genoemd, een term die dateert uit de tijd dat de warmte in elektriciteitscentrales vooral door steenkool werd opgewekt (de benaming "witte" in tegenstelling met het zwarte van de steenkool, wellicht door de kleur van het uitgestuwde water of omdat de stuwmeren vooral door gesmolten sneeuw worden gevuld).


stuwmeer als energieopslag; zie stromend water, spaarbekkencentrale (waterkrachtcentrale):


Valmeer
Een andere optie is niet het water op te pompen, maar het uit een valmeer te halen. Onder meer ir. Dick Zwemmer heeft dit plan uitgewerkt (2007). "Werk niet met hoge dijken en een hoge waterstand boven NAP, maar ga de diepte in. Maak in de Noordzeebodem een meer van 40 m diep, en gebruik het vrijkomende materiaal om de dijk om het Valmeer te bouwen. Het ontwerp gaat uit van een dagproductie van zoín 18 GWh bedragen." 
Dit betekent:
- bij teveel aan elektriciteit haal water uit het valmeer en pomp dat in de zee
- bij tekort aan elektriciteit stroomt water van (hoger gelegen) zee door turbines naar het (lager gelegen) valmeer
- de turbines wekken elektriciteit op.

Het benutten van stuwmeren in Noorwegen of Duitsland of in IJsselmeer/Markerwaard o.d. is een eenvoudige en goedkope manier om "energie" op te slaan. 

Zie ook spaarbekkencentrale.



Elektriciteit: Chemisch omzetten
(a) Power-to-Gas, P2G, groene waterstof of methaan als "accu"; 
en Gas-to-Power of brandstofcellen om er elektriciteit van te maken
(b) Methanol of ammoniak als vloeibare opslag
(c) Andere methoden


(a) Power-to-Gas,  P2G, groene waterstof of methaan als "accu"; en Gas-to-Power of brandstofcellen om er elektriciteit van te maken

Power-to- Gas
Bij overcapaciteit van geproduceerde elektriciteit of bij langdurig goedkoop zijn daarvan, kan elektriciteit via de electrolyser bijvoorbeeld water omzetten in waterstof en zuurstof; daarna kan eventueel het waterstof met CO2 methaan leveren en water: 
H2O ==>  2H2 + O2 (en  daarna eventueel 4H2 + CO2 ==> CH4 + 2H2O)

Het opslaan van elektra in de vorm van gas is vooralsnog eenvoudiger dan het opslaan van elektriciteit zelf. 
Power-to-gas-installaties geven het elektriciteitsnet de flexibiliteit die nodig is wanneer te weinig elektriciteit uit zon en wind wordt verkregen. 

Gas-to-Power
Een Gas-to-Power-installatie kan vrijwel meteen elektriciteit leveren, enigszins vergelijkbaar met het verbranden van aardgas in een centrale, alleen komt er geen CO2 en warmte vrij maar onmiddellijk water in de vorm van stoom:
2H2 + O2 ==> 2H2O + energie (dus stoom)

En met deze stoom wordt een stoomturbine aangedreven die elektriciteit opwekt.

De waterstof kan ook eventueel eenvoudig getransporteerd worden door het aardgasnet en opgeslagen worden in oude aardgas-"bellen". Ook zuurstof kan worden opgeslagen om te gebruiken bij de productie van elektriciteit.
Waterstof of methaan, en bij krapte de stap naar elektriciteit, kan waarschijnlijk voor Nederland een gemakkelijke en goed schaalbare oplossing zijn. 

Bij overproductie worden zonnepanelen helaas nog steeds (tijdelijk) van het net afgesloten en worden windmolens stilgezet; ook de traditionele centrales produceren vaak een teveel aan elektriciteit. 

Proces bij productie en gebruik van groene waterstof of groene methaan
- Overmatig geproduceerde, duurzaam opgewekte energie wordt via een electrolyser gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof, of door CO2 om te zetten naar methaan.
- Bij een tekort aan "stroom" kan waterstof of methaan weer omgezet worden in elektriciteit via verbranding (zie boven) of via een brandstofcel (zo goed als rechtstreeks elektriciteit maken uit waterstof). Waterstof fungeert hier dus als een soort "accu".  

Opmerkingen
- Zeer efficiŽnt is het proces nog niet: ca. 60% rendement van elektriciteit naar waterstof, iets minder naar methaan, en van gas naar elektriciteit ca. 40%. Maar bedenk wel dat de waterstof fungeert als (broodnodige) energieopslag en met gratis of zeer goedkope energie als bron; het proces heeft dus een geheel andere functie dan de primaire processen die met relatief dure bronnen gevoed moeten worden. 
- Electrolysers zijn nog steeds zeer duur. Zo duur dat het waterstof economisch gezien eigenlijk continu moet worden aangemaakt (op "vol-lasturen" moet draaien).
- Vooral het comprimeren tot vloeibare waterstof of methaan verdienen waarschijnlijk aandacht om te verbeteren.
- Mogelijk is in de toekomst opslag van waterstof als metaalhydride mogelijk, een Metal-Organic Framework (MOF) materiaal.
- Mogelijk is in de toekomst ook het produceren van azijnzuur uit methaan mogelijk (en daarna wellicht de stap terug van azijnzuur naar methaan om later weer elektriciteit op te wekken): CH4 + CO2 ==> CH3COOH.

Voordelen van opslag in waterstof en methaan
- vergelijkbaar met aardgas; aardgasnet en zelfs met wat aanpassingen onze cv-ketels zijn ook te gebruiken met waterstof of methaan
- de meest gangbare electrolyser kan in een kwartier worden op- of afgeschakeld
- vrij gemakkelijk omzetten naar elektriciteit
- er zijn ook zonnepanelen die direct waterstof uit water produceren (rendement 15%; onderzoek KU Leuven 2019); het nut lijkt discutabel met zo'n laag rendement en omdat je er geen elektriciteit van maakt, maar de industrie kan veel waterstof gebruiken dus deze manier om groene waterstof te maken levert onmiddellijk milieuvoordeel
- bij verbranden van waterstof komt geen CO2 vrij
- bij verbranden van methaan komt wel CO2 vrij maar dat is evenveel als er opgenomen is in de eerste stap (om methaan te maken): 
CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O + energie (stoom)

Nadelen van opslag in waterstof en methaan
- stoffen zijn brandbaar (maar aardgas is dat ook)
- opslaan in oude aardgasvelden heeft (waarschijnlijk) nog niet eerder plaatsgevonden; misschien is methaan makkelijker op te slaan dan waterstof?

Documentatie
- Huidige gasnet geschikt te maken voor waterstof (uit Energiegids 2018-10).
- Hyet Hydrogen (High Yield Energy Technology).


een internationaal consortium, geleid door nouryon (voormalig akzonobel) en gasunie bouwden in delfzijl een waterstoffabriek om groene waterstof te produceren;
klik voor groter!:


(b) Methanol of ammoniak als vloeibare opslag

Proces bij productie van methanol en ammoniak uit waterstof
Met waterstof kan bijvoorbeeld ook methanol of ammoniak worden gemaakt dat in de procesindustrie gebruikt wordt of in vloeibare vorm opgeslagen kan worden in grote tanks waar nu olie in bewaard wordt (alleen is ammoniak corrosiever dan olie). 
Proces: het duurzaam aangemaakte waterstof reageert met stikstof uit de lucht tot ammoniak (NH3). Opslag en transport van ammoniak kan gekoeld of onder druk plaatsvinden ook voor langere termijn, vergelijkbaar met LPG. Energie ontstaat door verbranden van ammoniak; dat geeft in principe alleen stikstof en water als afvalproducten, geen CO2.

Voordelen van opslag van "energie" in ammoniak zijn
- vloeibaar ammoniak bevat per liter meer waterstof-atomen dan conventionele vloeibare waterstof
- ammoniak is gemakkelijker op te slaan en gemakkelijker te transporteren.

Nadelen van opslag "energie" in ammoniak zijn
- een lek met ammoniak is slechter voor milieu ("mest") en omgeving (stank) dan een lek met waterstof (waterstof is wel brandbaar)
- bij eventueel verbranden van ammoniak (bijvoorbeeld bij boten of vrachtverkeer) moet uitstoot van NOx vermeden worden (alleen N2 en H2O mogen vrijkomen).

(c) Andere methoden van omzetting

De tijd leert ons welke andere omzettingsprocessen er nog meer interessant zullen zijn voor energieopslag.

"Een nieuwe onderzoekslijn is de foto-elektrochemische conversie van CO2 tot CO. In combinatie met H2 kunnen dan op kunstmatige wijze koolwaterstoffen worden gesynthetiseerd." (TU Delft) Op die manier kunnen koolwaterstoffen (bijvoorbeeld methaan enz.) als energiebron worden opgeslagen.



Elektriciteit: Onderwatertanks (ondergrondse hydro-electric plants)


Opslag van energie onder water in "tanks" . Een speciale manier van het "opslaan van energie" bij een overschot aan energie is het wegpompen van water uit opslagtanks in zee, die zich op 400 tot 800 m diepte bevinden. Wanneer energie nodig is, wordt er door een klep in de opslagtank te openen water toegelaten, waardoor het stromende water een turbine aandrijft die elektriciteit levert. Het overschot aan energie van windparken op zee, kan zo "eenvoudig" worden opgeslagen. De diepte van 400-800 m is noodzakelijk om een goede druk van het water op de turbine te hebben. Voordeel is dat de methode goed opschaalbaar is: als er vaker meer overschot aan energie is, kan er een tank worden bijgeplaatst. Toevoer en afvoer van lucht is nodig om het water uit en in de tank te laten lopen.

Opmerking: op Malta is een test gedaan (2017-2019) door o.m. de Universiteit van Malta met een vat op de bodem van de zee (slechts 150 m diep!) en een tweede vat net onder het oppervlak van de zee. Het principe is vrijwel hetzelfde als hierboven vermeld. Voor iets meer info over deze offshore energy storage technology: FLASC. ("Het is nu aan de mensen van FLASC om van een prototype (small scale) naar een demonstratie model (large scale) te gaan." DNV-GL vindt de techniek uitvoerbaar, dus hopelijk horen we er meer over.)


pompcentrale en opslagtanks vrij diep in zee:




Elektriciteit: Blue energy battery


Zoals blauwe energie opgewekt kan worden waar zoet en zout water elkaar ontmoeten, zo kunnen ook tanks met zoet en zout water voor energie zorgen.
Opladen batterij door zoet en zout water bij elkaar te brengen via membranen (zie bij blue energy).
Ontladen batterij door het zoute water te verdunnen met het zoete water.


blauwe energie met membranen die uitsluitend positieve of negatieve ionen doorlaten (kema, onderdeel van dnv-gl):




Elektriciteit: Samengedrukte lucht of vloeistof (opslag perslucht; Cryogenic Energy Storage CES, Liquid Air Storage, Liquid Air Engery Storage LAES)


Er zijn pilots om energie in de vorm van samengedrukte lucht onder de grond op te slaan, bijvoorbeeld in oude zoutkoepels. Deze methode wordt wel de Compressed Air Energy Storage CAES genoemd en wel de soort Constant Volume Storage (het volume van de oude zoutkoepel wijzigt niet, wel de druk van de lucht die erin samengeperst is). 

Een variant van de samengedrukte lucht is Liquid Air Storage: met teveel aan elektrische energie wordt lucht afgekoeld tot vloeibare lucht en opgeslagen in lagedruk-tanks. Wanneer elektriciteit nodig is, laat men de lucht ontsnappen, die drijft een turbine aan en wekt elektriciteit op. Vloeibare lucht neem 1/700ste van de ruimte in van gasvormige lucht. Het economisch nut van deze methode is door de goede schaalbaarheid vrij eenvoudig en goedkoop te onderzoeken. Zie verder bij Highview Power.

Deze techniek wordt ook wel Cryogenic Energy Storage CES of Liquid Air Engery Storage (LAES) genoemd: energieopslag van vloeibare lucht gebruikt elektriciteit om lucht te koelen totdat deze vloeibaar wordt, slaat de vloeibare lucht op in een tank (energieopslag), elektriciteit opwekken door de vloeibare lucht weer naar een gasvormige toestand te brengen (door blootstelling aan omgevingslucht of met afvalwarmte van een industrieel proces) en dat gas te gebruiken om een turbine te laten draaien waarmee elektriciteit opgewekt wordt. 
In plaats van lucht kan ook stikstof worden opgeslagen (groot onderdeel van lucht immers).


principe opslag samengeperste lucht;
klik voor groter!:




Elektriciteit: Vliegwiel (rotatie-energie; Flywheel Energy Storage FES)


Met een overdaad aan elektriciteit kan een groot, zeer zwaar vliegwiel worden aangedreven waardoor dat sneller draait. Zo kunnen snelheiden van 1tienduizenden omwentelingen per minuut worden bereikt. Wanneer het vliegwiel weinig weerstand ondervindt, met magnetische lagers en in vacuŁm bijvoorbeeld, blijft deze opslagenergie enige tijd behouden en is de efficiŽntie boven 90%. Een "normaal" vliegwiel verliest de helft van zijn energie in enkele uren. Om elektriciteit op te wekken wordt rotatiesnelheid aan het vliegwiel onttrokken. 
De omvang van de energie kan ca. 100 kWh zijn. De energie van veel vliegwielen ligt blijkbaar tussen de 10 en 50 kJ/kg.
Die 50 kJ is ca. 0,014 kWh, dus voor 100 kWh is een vliegwiel van ca. 7000 kg nodig...

Voordelen vliegwiel
- snel opschakelen (snel gestart en in een kwartier op grote snelheid)
- eenvoudig principe
- gaat lang mee

Nadelen vliegwiel
- niet heel erg grote capaciteit
- neemt nogal wat ruimte in
- moet goed afgesloten zijn.



Elektriciteit: Blok aan kabel in mijnschacht


Een (theoretische) manier om bij een energieoverschot potentiŽle energie op te slaan, is een gigantisch blok aan een hijskabel in een diepe mijnschacht op te trekken. Bij het dalen kunnen de afrollende hijskabels via een generator elektriciteit opwekken. Maar levert dit voldoende op? 

Wanneer de mijnschacht 1000 m diep is en het blok 100.000 kg weegt, is er aan potentiŽle energie beschikbaar: Ep = m*g*h = 100.000*10*1000 = 1000 MJ. Omdat 1 kWh overeenkomt met 3,6 MJ heeft het systeem in dit voorbeeld slechts ca. 300 kWh aan opslagcapaciteit. 
Om 10 MWh aan opslagcapaciteit te hebben (voor ca. 4.000 huishoudens), is bij een diepte van 1000 m een blok nodig van 10.000 / 300  is 3,3 miljoen kg (ca. 3.000 ton).
Als je een blok lood neemt van dat gewicht, dan heb je ongeveer 300 m3 lood nodig. Bij een mijnschacht van 2x2 m opening (hoe groot is zo'n opening?) is dat een blok lood van 300 m lang. Dan moet je minimaal een 1300 m diepe schacht hebben, wil je profijt hebben van 1000 m potentiŽle energie van een loodblok van ca. 3.000.000 kg. (Er van uitgaande dat er geen verliezen zijn...; als het rendement 70% is, is een blok van ca. 4.500.000 kg nodig enz.)

Vragen
- Is de berekening hier correct?
- Zijn de mijnschachten recht naar beneden? Zo niet, dan moet het blok verdeeld worden in kleinere blokken en de kabel moet een stevige in de mijnschachtvorm gebogen staaf zijn.
- Hoeveel mijnschachten zijn er om te benutten? (En worden die al niet benut voor warmte-koude-opslag o.d.?)

Opmerkingen
- De kosten van 3 miljoen kg lood (of welk metaal dan ook) is nogal fors.
- Lood ligt toch wat moeilijk (milieugevoelig) dus er is eigenlijk een andere materiaal (betonblok o.d.) maar dat weegt altijd minder en neemt daardoor veel meer ruimte in.
- als het blok op de bodem van de mijnschacht ligt of het einde van de kabel heeft bereikt, dan moet er gewacht worden met optrekken tot de stroom weer goedkoop is. Dat is natuurlijk bij een accu ook zo, maar je zet makkelijker een extra accu neer dan dat je een mijnschacht moet zoeken en e.e.a. moet installeren. 

Als het hier goed berekend is, is deze vorm van opslagcapaciteit van energie misschien wel aantrekkelijk...?



Warmte-opslag: Warmte-koude-opslag gesloten en open systemen (ook in aardlagen)


Warmte kan in de zomer ondergronds in (grote) aardlagen of in oude mijngangen worden opgeslagen en in de winter worden opgepompt om voor verwarming te zorgen, als een omvangrijke warmte-koude-opslag (wko).
Warmte-koude-opslag is, net als aardwarmte, een vorm van bodemenergie.

Vaak wordt ook over koude-warmte-opslag (kwo) gesproken, waarschijnlijk omdat door de slappe winters en de hete zomers de koude-opslag interessanter is dan de warmte-opslag. 

Gesloten warmte-koude-opslag (wko)
Een gesloten bronsysteem komt niet vaak voor. Bij een gesloten bronsysteem is het te verwarmen of te koelen medium in "reservoirs" of buizen opgenomen die alleen in verbinding staan met de rest van het energiesysteem. Voor een woning of ander gebouw kan dit een goede optie zijn, voor wijken of grotere gebouwen zouden de tanks te omvangrijk worden; daarvoor zijn open wko-systemen meer geschikt.

Open systeem
Als bij opslag van warmte en koude in de bodem gebruik gemaakt wordt van het grondwater dan is sprake van een open bronsysteem (open systeem voor bodemenergie). Een open systeem zal alleen nuttig zijn bij een grotere energiebehoefte i.v.m. de grotere energieopslag, de kosten, vergunningen, procedures e.d. 

Voordelen warmte-koude-opslag (wko)
- de warmte van de zomer (of de koelte van de winter) wordt opgeslagen en blijft grotendeels bewaard tot je die weer nodig hebt in de winter (resp. in de zomer)

Nadelen wko als open systeem
Aspecten die de problematiek van nieuwe warmte- en koudeopslag aangeeft bij open wko-systemen (voordat het wko-systeem is aangebracht):
- een prijzig systeem (ook wko als gesloten systeem)
- er is geen geschikt watervoerend pakket in de bodem (dikke zandpakketten)
- er mogen geen grote grondwaterstromen zijn (dan verdwijnt het warme of koude water immers)
- drinkwaterbescherming in de nabijheid kan opslag in de bodem beletten
- bestaande bodemverontreiniging mag niet verspreid worden door het wko-systeem
- geografische en juridische problemen, zeker wanneer het aantal installaties met warmte-koude-opslag sterk toeneemt: wat doe je als ondergrondse warmte- en koudebronnen te dicht bij elkaar liggen en elkaar door interferentie ongunstig beÔnvloeden? wie is verantwoordelijk?
Aspecten bij een bestaand open wko-systeem:
- er is onbalans tussen warmte en koude; er wordt bijvoorbeeld teveel warmte onttrokken uit dan wel niet voldoende warmte toegevoerd aan de warme laag (de bodem wordt structureel teveel afgekoeld en het nuttig effect van het wko-systeem wordt steeds kleiner); monitoren met behulp van glasvezels in de bronnen kan het functioneren van het wko-systeem mogelijk verbeteren
- "veel wko-installaties zijn niet goed omdat de infiltratietemperatuur in de winter te laag gekozen wordt; daardoor zijn er te weinig uren met een buitentemperatuur die laag genoeg is om koud water te laden" (ing. P.F. van Gent, 2011)
- het wko-systeem kan vrij veel elektriciteit eisen; zelf opwekken van elektriciteit is zeer gewenst (meestal door pv-panelen).


warmte-koude-opslag, doubletsysteem,  figuur zomer winter;
klik voor groter (geocomfort):




Warmte-opslag: Phase Change Materials (Faseovergang van stoffen, vaak paraffines of zouten)


Het principe van faseovergangsmaterialen als warmteaccumulerende materialen is als volgt:
- door warmte op te nemen smelt het materiaal (bij een bepaalde temperatuur)
- tijdens het smelten absorbeert het materiaal grote hoeveelheden warmte uit de omgeving (de ruimte wordt hierdoor koeler)
- wanneer de temperatuur zakt, stolt het materiaal weer en komt warmte vrij (de ruimte wordt warmer; eventueel kan door ventilatie een teveel aan warmte verdwijnen)
- door de pcm's in geÔsoleerde buffers op te slaan kan de "latente warmte of koude" op een later moment worden benut.

Voordelen PCM
- Relatief veel energie kan opgeslagen worden in een betrekkelijk kleine ruimte (mede afhankelijk van de soort stof).

Zie verder, ook voor het temperatuurbereik en de voor- en nadelen van de verschillende stoffen, bij phase change materials!


capaciteit warmte-opslag van water, steen, hout, plastic en pcm (rubitherm):



Warmte-opslag: Thermisch-chemische opslag (Thermisch-Chemische Materialen TCM)


Methode A: Stof1 en warmte geeft stof2, bewaar stof2; om weer warmte te verkrijgen voeg iets aan stof2 toe om weer stof1 en warmte te verkrijgen. 
Uitleg van dit proces (TNO project SSUSG):
Thermo-chemische opslag van bijvoorbeeld natriumsulfide-pentahydraat en warmte geeft natriumsulfide-hemihydraat en water:
Na2S.5H2O + warmte (80 graden C) => Na2S.0,5H2O + 4,5 H2O
waarvan het natriumsulfide-hemihydraat als droog zout wordt bewaard. Wanneer warmte nodig is: voeg water(damp) toe waardoor de omgekeerde reactie warmte levert van 65 graden C.

Methode B: Stof1 en warmte geeft twee aparte stoffen, bewaar beide stoffen. Om weer warmte te verkrijgen breng de stoffen weer samen en er ontstaat stof1 en warmte.
Uitleg van dit proces (De Beijer RTB):
"Thermochemie werkt op basis van het, onder een vacuŁm, drogen en hydrateren van zouten. Door speciale zouten te verhitten met warm water of elektriciteit worden watermoleculen van het zout gescheiden. Door vervolgens het zout en het water apart van elkaar onder vacuŁm te scheiden, is hiermee het chemisch potentieel voor eeuwig opgeslagen. Zolang beide compartimenten van elkaar gescheiden blijven ontstaat er een verliesvrije opslag. Om vervolgens warmte te genereren dient het vloeibare water door middel van verdamping omgezet te worden in waterdamp en bij het zout te worden gebracht. Het zout maakt vervolgens een chemische binding met het zout waarbij reactie-energie in de vorm van warmte vrijkomt. Deze warmte wordt afgevoerd en gebruikt om de woning of het gebouw te verwarmen."


principe thermo-chemische opslag, resp. "laden", opslaan en "ontladen" van warmte (de beijer rtb):




Warmte-opslag: Heet vloeibaar zout of Keramische kogeltjes


Bij een zonnetoren (concentrated solar power, CSP) kan de centraal opgevangen hitte worden doorgegeven aan heet vloeibaar zout of  keramische kogeltjes. De temperatuur van het zout is afhankelijk van het soort zout dat gebruikt wordt. De temperatuur van de kogeltjes kan rond de 1000 graden C worden, waardoor veel warmte kan worden opgeslagen. De rotatiesnelheid van een zonnecentrifuge zorgt ervoor dat de hitte gelijkelijk verdeeld wordt over de kogeltjes van ca. 1 mm diameter. 
De hitte van de energieopslag wordt bij concentrated solar power gebruikt om 's nachts elektrische stroom te kunnen leveren. Soms is tot 7 uur back-up-stroom op deze manier mogelijk.

Voordelen van warmteopslag in heet vloeibaar zout of kleine bolletjes
- veilig systeem
- zout en kogeltjes zijn overal beschikbaar zijn
- gemakkelijke toepassing.

Nadelen van deze warmteopslag 
- de isolatie moet zeer goed zijn
- neemt vrij veel ruimte in.

Documentatie
- Zonnetoren: Concentrated solar power (csp), Solar Receivers and Steam Generators (en energieopslag in zout) (van John Cockerill)