|
||||||||||||||||||||||
energieopslag, potentiële energie, opslag energie voor later gebruik, energiedrager
Grootschalige opslag van energie is noodzaak wanneer vrijwel
uitsluitend gebruik wordt gemaakt van windenergie en zonne-energie.
|
mogelijkheden bij gebruik van een thuisbatterij / accu (zelfstroom, aangepast op inkopen van openbare net): ![]() |
Voordelen lokale opslag (thuis, al of niet via de auto-accu, 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. (Afbeelding Zelfstroom.)
Een paar aspecten:
- "In Duitsland helpt de overheid mee en krijgen huiseigenaren tot 10.000
euro subsidie op de combinatie zonnepanelen, thuisbatterij en
autolader" (2023-10). Jammer dat Nederland zoiets nog niet heeft.
- Zeker 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 nog ca. 8.000 euro/kWh
bedraagt (situatie 2024, incl. btw), zullen niet veel
particulieren overgaan tot aanschaf; hoewel, volledige subsidie van bijvoorbeeld
1 miljoen accu's kost (geen btw want dat is natuurlijk onzin bij
volledige subsidie) 8.000 - 21% = ca. 2400 euro dus ca. 6,3 miljard euro en over
10 jaar verspreid valt dat best mee, en dan kunnen we in de
daaropvolgende jaren langzaamaan de rest van de bevolking van thuisbatterijen
voorzien.
- Accu's
worden steeds goedkoper, met steeds meer capaciteit, sneller laden/ontladen en
langere levensduur.
- De zogenoemde C-rate geeft de verhouding weer tussen het laden
en de capaciteit; een accu van 200 kWh laden met 600 kW duurt dan 200/600 = 1/3
uur ofwel 20 minuten.
- Als het een thuis-accu betreft: zorg ervoor dat de accu op een betrekkelijk
koele en droge plek staat met goede ventilatie (de accu moet zijn warmte kwijt
kunnen anders kan brand ontstaan). De inboedel- en opstalverzekeraar kan
eventueel eisen gaan stellen aan locatie en omgeving van zo'n accu.
- Meer gegevens bij de
thuisbatterij.
Buurtaccu's (buurtbatterijen) als reële optie (buurtaccu's
worden steeds vaker buurtbatterijen genoemd)
Buurtbuffers die lokale pieken opvangen zijn een
goede optie om lokaal opgewekte stroom ook zelf (in de buurt) te gebruiken én
om overbelasting van het netwerk te vermijden. Bij lokale dalen
kunnen deze de wijkaccu's worden opladen met lokaal aangemaakte stroom (of
openbare stroom). 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.
Een nieuwbouwproject "Roots" in Leidsche Rijn (Utrecht) en de wijk
Hooghkamer (Voorhout gemeente Teylingen) zijn al voorzien van buurtaccu's.
De Johan Cruijff ArenA ontwikkelde in 2018, samen met o.a. BAM, een
superbatterij met een opslagvermogen van 3 MW en een capaciteit van 2,8 MWh. Het systeem
is opgezet met tweedehandsaccu's van 148 gebruikte auto's. Ook bij een
stroomstoring en buiten het stadion kan de energieopslag worden ingezet.
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 door openbare stroom opgeladen. In bepaalde periodes en situaties kan
goedkoop opladen best voldoende zijn, maar door omvangrijke afname van
"goedkope stroom" wordt de stroom automatisch duurder... Een ander
punt is uiteraard de hoge aanschafprijs van een grote buurtbatterij; die kosten worden wel steeds
wat lager, misschien zet dat door als van
tweedehands accu's gebruik kan worden gemaakt als die tenminste toch nog een vrij lang en
gelukkig leven kunnen hebben.
Een grote verzameling accu's van elektrische auto's kan ook fungeren als
een buurt-accu.
Voordelen buurtbatterij:
- deelnemers behoeven geen nerd te zijn die van alle smoet weten kennis
moet bijhouden
- de kosten per deelnemer zijn lager, zeker indien beheer en onderhoud niet heel
veel kost (veel deelnemers per buurt immers; individueel stroom opslaan of
terughalen op gezamenlijke batterij; batterij moet wel fors groot zijn omdat
zowel opslaan als terughalen vaak voor velen op dezelfde momenten zal zijn)
- capaciteit wordt op buurtniveau bepaald en toegevoegd (zelf bijhouden of het
tijd wordt voor uitbreiding van de accu is moeilijk en kostbaar; bijplaatsen op
buurtniveau is wat gemakkelijker).
Nadelen buurtbatterij:
- zowel het opslaan als het terughalen van energie zal voor velen vaak op
dezelfde momenten zijn (vooral als er veel auto-accu's geladen moeten worden,
maar een vorm van time-sharing is mogelijk; 's nachts opladen auto-accu als
buutbatterij nog geladen is of (als de buutbatterij leeg is), elektriciteit van
het openbare net goedkoop is)
- verhandelen van de elektriciteit is ingewikkeld dan bij een thuisbatterij
(bijvoorbeeld de winst
verdelen over alle deelnemers of verdelen over de deelnemers die dat moment
actief zijn met het winstgevende laden / ontladen wat nogal complex is?).
(Analoog aan de buurtaccu / buurtbatterij bestaan ook de termen thuisbatterij
(thuisaccu) en gridbatterij /
gridaccu. Zie ook bij congestie.)
Nog meer centrale opslag in accu's (een zeer groot gebied bestrijkend)
Waarschijnlijk is dit (nog) niet de geëigende 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 én 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 en thuisbatterijen
Het gebruik de accu's van elektrische
auto's is wel een optie, maar deze methode bevat nogal wat onzekerheden:
- als de eigenaar zijn eigen auto-accu
kan gebruiken voor de opslag en levering van zijn zelf opgewekte stroom (dit
voorkomt terugleveren aan het openbare net wanneer dat niet gewenst is)
- als de eigenaar zijn auto-accu beschikbaar stelt voor gemeenschappelijk
gebruik (indien er voor alle participanten een redelijke vergoeding is en
indien de eigenaar een bepaalde onderste limiet kan instellen; ook dit voorkomt
terugleveren ana het omvangrijkere openbare net wanneer dat niet gewenst is;
participanten zijn de eigenaar van de accu, het energiebedrijf, de netbeheer en
eventueel de eigenaar van de laadpaal wanneer die verschilt van de eigenaar van
de accu).
Voor tijdelijke energieopslag zijn ook reguliere thuisbatterijen beschikbaar
waar de zonnestroom in kan worden opgeslagen.
Zie verder bij thuisbatterij,
waar de voor- en nadelen van de reguliere thuisbatterij én van de
auto-accu zijn vermeld.
Accu's met andere opslagmaterialen
Veel accu's bevatten zeldzame of dure metalen of elektrolyten (de vloeistof
tussen de twee polen van de accu), maar er worden ook proeven gedaan met accu's die bijvoorbeeld
waterstofbromide of zeezout als elektrolyt hebben, alom verkrijgbaar en
goedkoop.
energieopslag van elektriciteit van eigen pv-panelen en openbaar elektriciteitsnet; klik voor groter (prijs zonnepanelen belgië): ![]() AC = wisselstroom DC = gelijkstroom |
Door het oppompen van water in een stuwmeer fungeert het
water als een vorm van "potentiële energie" (zie wateraccumulatie bij
waterkrachtcentrale
of spaarbekkencentrale
voor reële 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
of 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
energieopslag.
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): ![]() |
Watermijn: opslag in stuwmeer en in mijnen van Limburg
De Watermijn is gestoeld op een idee van Jan Huynen voor een waterbassin
(stuwmeer) dat verbonden is met een bassin (bijvoorbeeld een oude mijn in
Limburg) op zo'n 1400 meter diepte onder de grond. Bij een tekort aan elektriciteit
stroomt water van het stuwmeer naar de mijn en wordt via een turbine
elektriciteit opgewekt. De initiatiefnemers: "Op deze manier kunnen we 6 uur lang 1,5 miljoen huizen van stroom
voorzien".
Wanneer er teveel elektriciteit is of wanneer die goedkoop is (veel zon en wind
bijvoorbeeld), dan wordt het water uit de mijn weer teruggepompt naar het
stuwmeer.
Het stuwmeer zal ca. 400x500 m groot moeten zijn om en "ergens tussen Sittard-Geleen en Maastricht Aachen Airport"
i.v.m. de juiste geologische gesteldheid.
De watermijn wordt ook Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale (OPAC) genoemd.
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 zo’n 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, binnen onze grenzen, in IJsselmeer/Markerwaard of de Watermijn in Limburg
of desnoods een "optie" op stuwmeren in Noorwegen of Duitsland
is een eenvoudige en goedkope manier om energie op te slaan.
Zie ook spaarbekkencentrale.
(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 (bij voorkeur uiteraard groene) elektriciteit of bij langdurig goedkoop
zijn daarvan, kan elektriciteit via de electrolyser (ook wel:
elektrolyser, in een soort Nederlands) bijvoorbeeld water omzetten in waterstof en
zuurstof; daarna kan eventueel het waterstof met CO2 methaan leveren en
water:
2H2O ==> 2H2 + O2 (en
daarna eventueel 4H2 + CO2 ==> CH4 + 2H2O,
de Sabatier-reactie, eventueel met CO als invoer).
Een fabriek waar waterstof wordt geproduceerd, groen of niet groen, is een Hydrogen Production Plant
(HPP; overigens wordt Hydrogen Power Plant, waar waterstof een bron voor energie is,
ook wel eens afgekort tot HPP).
Het opslaan van elektra in de vorm van waterstof is vooralsnog eenvoudiger dan het opslaan van elektriciteit
zelf (zolang accu's zeer duur blijven). Wanneer we met de elektriciteit van windenergie op zee, en
eventueel van zonnepanelen op zee, waterstof produceren die wordt opgeslagen in
oude olie- en gasvelden op zee, dan kan de waterstof later gebruikt worden voor
verwarming (voor burgers in wintertijd vooral).
Power-to-gas-installaties (en daarna Gas-to-power) 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 dat deel
van het aardgasnet dat niet meer gebruikt wordt 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. (Opslag van moleculen waterstof en methaan fungeert als "accu"
bij stilvallen van de wind of wegvallen van de zon.)
Ook lucht kan vloeibaar gemaakt worden. Bij het "loslaten" van deze
700 keer gecomprimeerde lucht kan energie opegwekt worden door een turbine.
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.
Waterstof kan ook het aardgas vervangen voor cv-ketels. Het schijnt dat moderne
cv-ketels nu al 10-20% waterstof aankunnen als dat bij het aardgas gemengd wordt
(2022). Voor slecht geïsoleerde huizen een mogelijkheid om toch de winter door
te komen.
Omdat ook in de industrie over niet al te lange tijd de energietransitie
zal moeten plaatsvinden, is het vervangen van olie en aardgas door groene
waterstof een optie. Op de Maasvlakte wordt door Shell een
groene-waterstof-centrale gebouwd met als bron de elektriciteit van een
nabijgelegen windpark op zee. Deze centrale is vooralsnog niet zeer groot (200
MW), maar de toekomstige groene-waterstof-centrale in de Eemshaven zal
waarschijnlijk 4 GW zijn (4000 MW).
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 efficiënt 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; of nog beter
omzetten naar methanol (CH3OH) omdat methanol onder normale omstandigheden
vloeibaar is.
- Net als met zonnepanelen kunnen ook in het kader van waterstof in vrij korte
tijd veel innovaties plaatsvinden. Bijvoorbeeld op de Duke University (Durham,
USA) is een eenvoudig nieuw materiaal ontwikkeld van nikkeldraadjes, waardoor
waterstof 50 keer sneller aangemaakt kan worden uit water, een enorme
verbetering van efficiënte, groene productie van waterstof.
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)
- al vanaf 2011 wordt in zoutcavernes (zoutmijnen) aardgas opgeslagen; HyStock
werkt aan de eerste grootschalige ondergrondse opslag van
waterstof in Nederland ("ruime belangstelling voor waterstofopslag eerste zoutcaverne HyStock",
24 juli 2023; jammer en wonderlijk dat pas vanaf 2028 opslag in de cavernes
mogelijk is...)
- vrijwel alle huidige waterstof wordt in de industrie gebruikt, dat is meer
"behapbaar" wanneer groene waterstof wordt ingezet in
verbrandingsmotoren.
Nadelen van opslag in waterstof en methaan
- stoffen zijn brandbaar (maar aardgas is dat ook)
- opslag van waterstof als vloeistof moet bij -259 graden C, dat is niet
handig, hoewel extreem geïsoleerde tanks door super-isolatie een uitkomst
kunnen bieden (dit is isolatie zoals in de ruimtevaart wordt toegepast, onder
meer via het luchtledig maken van de isolatielaag en reflecterend materiaal om
straling buiten te houden; situatie 2021); omzetten van waterstof naar een andere stof
(de "waterstofdrager") die gemakkelijk weer in
waterstof is om te zetten en die opgeslagen kan worden bij "normale"
temperatuur en druk lijkt bijna noodzakelijk als de koeling niet eenvoudig en
goedkoop kan, maar door het omzettingsproces is de efficiëntie dan uiteraard
veel geringer
- opslaan in oude aardgasvelden heeft (waarschijnlijk) nog niet eerder
plaatsgevonden; misschien is methaan makkelijker op te slaan dan waterstof?
- omzetten van elektriciteit naar waterstof en weer terug naar elektriciteit
heeft een niet al te groot rendement, maar energiecentrales op kolen of
gas hadden een paar decennia geleden ook een zeer laag rendement
- voorlopig is er zelden echt teveel groene stroom om waterstof of
methaan uitsluitend te fabriceren bij een overschot aan zonne- en windenergie
- er wordt wel eens beweerd dat waterdamp een broeikasgas is en dat
daarom de productie van energie uit waterstof niet goed zou zijn, maar waterdamp
in de lucht kan ook juist verkoelend werken en waterdamp condenseert bij de productie van energie uit
waterstof en bij condensatie komt ook weer energie vrij die gebruikt kan worden in het
systeem; overigens: (a) planten en bomen produceren enorm veel waterdamp dus
zouden we alle bomen moeten kappen en planten de grond uit moeten trekken? (b)
waterdamp van bomen werkt ook verkoelend, wat vooral in de binnenstad merkbaar
is); soms schieten "milieumensen" wat door en lijkt de zorg voor het
milieu meer op een religie dan op een weldoordachte, afgewogen manier om
de aarde voor plant, mens en dier leefbaar te houden.
Benamingen van waterstof
- Groene waterstof is waterstof verkregen via hernieuwbare energie,
bijvoorbeeld via groene stroom van zonnepanelen en water zoals boven beschreven;
in het Engels is het "green hydrogen".
- Grijze waterstof is waterstof verkregen via fossiele brandstoffen,
bijvoorbeeld uit aardolie, aardgas of steenkool. Nederland is een zeer grote producent van deze vorm
van aardgas. In het Engels is het "gray hydrogen", maar er wordt ook
wel gesproken over "black hydrogen" of "brown hydrogen" als
de bron resp. steenkool of bruinkool is.
- Blauwe waterstof is grijze waterstof waarbij de CO2 wordt afgevangen
(opgeslagen of omgezet naar een andere stof); "blue hydrogen".
- Roze waterstof is waterstof verkregen door
elektrolyse van water met als energiebron kernenergie; "pink
hydrogen" (rose waterstof).
- Gele waterstof of zonnewaterstof is een
specifieke vorm van groene waterstof: waterstof die rechtstreeks verkregen wordt
uit fotokatalyse van zonlicht en water, bijvoorbeeld via de halfgeleider barium
tantalum oxynitride (BaTaO2N), nog in experimenteel stadium (situatie 2021);
"yellow hydrogen". Let op: in het Engels is "yellow
hydrogen" soms ook een mix van wat beschikbaar is aan bronmateriaal.
- Turquoise waterstof wordt verkregen via
aardgas en methaan pyrolyse; het bijproduct is vaste koolstof; "turquoise
hydrogen".
- Witte waterstof is natuurlijk voorkomend waterstof, waarschijnlijk te
verkrijgen via "fracking" (zie bij schaliegas),
maar dat kan blijkbaar (nog) niet goed geëxploiteerd worden; "white
hydrogen". (Bij Frans Lotharingen, vlak bij de Frans-Duitse grens, is
december 2023 in de rotsachtige bodem "aardse" waterstof gevonden, dus
witte waterstof. "Ook in Spanje, Duitsland, Zweden, Polen, IJsland, Noorwegen, Oekraïne, Rusland en Kazachstan zijn al bronnen ontdekt. In de VS wordt in Nebraska naar witte waterstof geboord. Een reservoir in Mali wordt al sinds 2014 als enige ook daadwerkelijk geëxploiteerd.")
Documentatie
- Huidige
gasnet geschikt te maken voor waterstof (uit Energiegids 2018-10)
- Site Energystock
- Site Hyet Hydrogen
- Site Waterstofnet
- Site Waterstof Magazine
Kritische noot
Er zijn nogal wat pilots met waterstof waar veel geld in gaat zitten.
Dat is onvermijdelijk, maar als je als geïnteresseerde na doorlezen van de
rapportage een aantal kritische vragen stelt over het project dan geeft men niet
thuis (men is alweer bezig met een nieuwe pilot). Worden de rapportages van de
pilots ooit door andere deskundigen beoordeeld? Worden de randvoorwaarden en
omstandigheden van de pilot ooit door deskundigen doorgenomen? Worden de
resultaten ooit in een groter verband gebracht zodat er niet weer vrijwel
eenzelfde onderzoek plaatsvindt?
een internationaal consortium, geleid door nouryon (voormalig akzonobel) en gasunie bouwden in delfzijl een waterstoffabriek om groene waterstof te produceren; klik voor groter!: ![]() |
waterstofbuffer; productie, opslag, transport, gebruik en bijmengen van waterstof; klik voor groter! (gasunie en energystock): ![]() |
(b) Ammoniak, methanol of Hydrozine als vloeibare opslag
van energie
Proces bij productie van ammoniak, methanol of hydrozine uit waterstof
Met waterstof kan bijvoorbeeld ook ammoniak, methanol of hydrozine 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 wat corrosiever dan
olie).
Nederland heeft vooralsnog veel teveel mest. Omzetten van mest naar
ammoniak om later ammoniak naar elektriciteit om te kunnen zetten, is een optie.
(Kritische noot: Beter
is natuurlijk minder mest aan te maken door minder dieren te houden. God heeft
de levende wereld geschapen om te eten én gegeten te worden, maar de intensieve veeteelt
is de hel op aarde voor varkens, koeien en kippen.)
Ammoniak
Proces: het duurzaam aangemaakte waterstof reageert met stikstof uit de
lucht tot ammoniak (NH3). Opslag en transport van ammoniak kan gekoeld of onder
betrekkelijk matige
druk van 10 atmosfeer plaatsvinden, ook voor langere termijn, vergelijkbaar met LPG. Energie
uit ammoniak ontstaat:
- door verbranden van
ammoniak; dat geeft in principe alleen stikstof en water als afvalproducten,
geen CO2 (4NH3 + 3O2 => 2N2 + 6H2O)
- door de brandstofcel van het type SOFC (Solid
Oxide Fuel Cell) waardoor elektriciteit ontstaat (er worden elektronen
aangemaakt; met een efficiëntie van ca. 60%).
Voordelen van opslag van energie in ammoniak zijn
- vloeibaar ammoniak bevat per liter meer waterstof-atomen dan conventionele
vloeibare waterstof (waterstof in de vorm van vloeibare ammoniak is
energieopslag voor de langere termijn)
- vloeibaar ammoniak bevat ongeveer de helft van de energie van diesel of
benzine
- ammoniak is gemakkelijk op te slaan en gemakkelijker te transporter
- de geproduceerde stikstof is toepasbaar voor een bepaalde tak van industrie.
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 vervliegt maar 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).
Lees eventueel verder bij Ammonia
Energy Association AEA.
Methanol
Methanol is gemakkelijk te produceren en heeft een energiedichtheid van 5
kWh/liter, dus kan redelijk goed als brandstof worden toegepast, ook voor
schepen of vrachtwagens (diesel heeft een energiedichtheid van 10 kWh/liter).
Methanol uit duurzaam aangemaakte waterstof wordt e-methanol genoemd. Er
komt steeds meer vraag naar e-methanol, maar duurzame elektriciteit wordt
begrijpelijk voorlopig nog liever ingezet om niet-duurzame elektriciteit te
vervangen dan om er waterstof van te maken.
Hydrozine
Hydrozine (CH2O2 of HCOOH), ontstaat als waterstof reageert met water en CO2.
Hydrozine is daarmee een goede drager van waterstof. In een aggregaat wordt de
hydrozineomgezet naar waterstof en komen water en CO2 vrij; de O2 wordt zo
mogelijk in hetzelfde proces hergebruikt.
Wanneer waterstof op een groene manier wordt aangemaakt (uit water en groene
elektriciteit van bijvoorbeeld windmolens of zonnepanelen) dan is dit proces in
principe groen.
Een andere naam voor hydrozine is mierenzuur en in het Engels is het formic acid,
methanoic acid.
Voordelen van opslag van energie in hydrozine
- hydrozine is vloeibaar onder normale omstandigheden (geen druktanks nodig
zoals bij waterstof)
- ook voor de veiligheid beter dan waterstof (brandt niet zo snel; vergelijkbaar
met diesel dat ook niet zo snel ontbrandt)
- één liter hydrozine bevat 53 gram waterstof (waterstof weegt 0,09 kg/m3 dus
53 gram is bijna 0,6 m3 waterstof in gasvorm; in 1 kg waterstof zit 33,3 kWh
ofwel 120 MJ aan energie; in 1 liter hydrozine zit dan (53/1000)*33,3 kWh d.w.z.
1,76 kWh ofwel 6,34 MJ; overigens, in 1 m3 waterstof zit dan 3,0 kWh ofwel 10,8
MJ)
- geen toepassing van zeldzame metalen e.d.; een simpel proces
- als de benodigde elektriciteit in het proces groen is en als de geproduceerde
CO2 wordt hergebruikt bij de productie van hydrozine, dan is het proces
CO2-neutraal.
Nadelen van opslag van energie in hydrozine
- hydrozine is zeer corrosief dus is mogelijk speciaal materiaal nodig voor opslag en leidingen
- bij de productie van waterstof uit hydrozine komt CO2 vrij dat het beste
onmiddellijk gebruikt kan worden om van waterstof hydrozine te maken; wanneer
dat niet zo is, wordt toch weer CO2 uitgestoten of het moet worden opgeslagen.
(c) Battolyser (energieopslag + waterstofproductie)
De "battolyser" is een combinatie van accu (batterij, energieopslag)
en electrolyser (unit voor de productie van waterstof). Het interessante is dat
toevoer van elektriciteit opgeslagen wordt in de battolyser, maar als de accu
gevuld is, automatisch de elektriciteit gebruikt wordt om waterstof te
produceren.
Oorspronkelijk is de battolyser door Prof. Dr. Fokko Mulder en student Bernhard Weninger
(beiden TU Delft) als een prototype vervaardigd: "Zodra de batterij vol begon te raken, begon hij waterstof te produceren."
Inmiddels is de battolyser opgeschaald naar een demo-versie bij de
Magnumcentrale in de Eemshaven (15 kW/15kWh, situatie 2021 en mogelijk later tot
10 MW) met als doelen:
- opvangen en opslag van groene energie (van zon en wind)
- produceren van waterstof (wanneer de batterij is opgeladen)
- terugleveren van elektriciteit aan het openbare net óf continueren van het
produceren van waterstof (afhankelijk van het feit of levering aan het net
gewenst is).
de battolyser slaat energie op én produceert waterstof (abstract efficient electricity storage with a battolyser, an integrated ni–fe battery and electrolyser van prof.dr. fokko m. mulder, bernard m.h. weniger, j. middelkoop, f.g.b. ooms en h. schreuders; tu delft): ![]() |
![]() |
(d) Andere methoden, omzetting van CO2
e.d.
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."
- Een andere optie is de afgevangen CO2 rechtstreeks te gebruiken
voor de
productie van kalk en groene methaan in een nieuwe kalkoven.
Geïnitieerd door Carmeuse
is er een samenwerking ontstaan tussen Carmeuse
(productie van kalk e.d.), John
Cockerill (energie-oplossingen), Storengy
(opslag oplossingen van onderaards aardgas, CO2 e.d.) en Engie
(energiebedrijf): op basis van water, groene elektriciteit en kalksteen (CaCO3)
wordt m.b.v. een electrolyser waterstof en CO2 gemaakt, waarna groen methaan,
kalk (CaO), zuurstof en warmte ontstaan (en geen CO2 meer
aanwezig is). Zie ook afvang en opslag
van CO2 (CCS) en afvang en onmiddellijk gebruik van CO2 (CCU).
productieproces van een nieuwe kalkoven zoals voorgesteld in de samenwerking tussen diverse bedrijven; klik voor groter! ![]() |
- Verder is aangetoond dat bepaalde mineralen energie uit zonlicht kunnen
halen (via fotosynthese). Dat kan een manier zijn om water te splitsen in
waterstof en zuurstof (2H2O => 2H2 en O2; tijdschrift
GEA december 2021 p.20, Landelijke
Vereniging voor Geologische Activiteiten LVGA).
- Op een milieuvriendelijke manier verkregen waterstof kan toegepast worden om synthetische
kerosine te maken. Zo kan ook de luchtvaart op een groene manier werken, als
er ooit voldoende groene waterstof is tenminste.
- Waterstof kan op de een bepaalde manier omgezet worden naar een poeder als waterstofdrager
(bijvoorbeeld natriumboorhydride NaBH4)
waardoor het beter te gebruiken is als energieopslag (gemakkelijker, geen gas
immers, veiliger), als brandstof voor schepen e.d. (het
proces in schema).
"H2Fuel is een gepatenteerde techniek voor de productie, opslag en vrijgave van waterstof",
zie verder bij H2Fuel.
waterstof in dorge vorm (h2fuel): ![]() |
Zie eventueel verder bij afvang
en opslag of onmiddellijk gebruik CO2.
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 of van zonneparken op zee (pv-panelen
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.
Voor meer informatie: Offshore
Energy Storage FLASC.
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. Het was een project van Offshore
Energy Storage FLASC.
pompcentrale en opslagtanks vrij diep in zee: ![]() |
principe van energieopslag bij opwekken door een windmolen op zee; klik voor groter (copyright flasc): ![]() |
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 cesi): ![]() |
In beginsel eenvoudige en dus veelbelovende technieken,
zowel ondergronds als bovengronds hoewel de omgeving wellicht de voorkeur zal
geven aan bovengronds (beter in toom te houden dan ondergronds).
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!: ![]() |
Met een overdaad aan elektriciteit kan een groot, zeer zwaar vliegwiel worden
aangedreven waardoor dat sneller draait. Zo kunnen snelheden van tienduizenden
omwentelingen per minuut worden bereikt. Wanneer het vliegwiel weinig weerstand
ondervindt, met magnetische lagers (frictieloos) en in vacuüm bijvoorbeeld, blijft deze
opslagenergie enige tijd behouden en is de efficiëntie op kortere termijn 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.
Voordelen vliegwiel
- kan snel energie opslaan (snel gestart en in een kwartier op grote
snelheid)
- kan zeer snel energie leveren (snel opschakelen); geschikt
om bij zonne- of windparken voor een tijdje stroom te leveren als er geen zon of
wind is; geschikt
om het netwerk te balanceren bij congestie?
- eenvoudig principe, weinig onderhoud
- gaat lang mee (voorbeeld: 20 jaar of > 1 miljoen cycles).
Nadelen vliegwiel
- opgeslagen energie behoorlijk valt snel weg in vergelijking met o.m. een accu
(voorbeeld van een stand-by loss is 7% per uur), dus de energie moet
relatief zeer snel gebruikt worden
- niet heel erg grote capaciteit
- neemt nogal wat ruimte in
- prijs?
- moet goed afgesloten zijn (i.v.m. vacuüm e.d.).
Bepalen van de massa, capaciteit e.d.
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 (immers: 50000/(3600*1000)), dus voor 100 kWh is een vliegwiel van ca. 7000 kg
nodig.
"De opgeslagen kinetische energie van een vliegwiel is evenredig met de
massa van de rotor, het kwadraat van de straal en het kwadraat van de
rotatiesnelheid (rpm)" en in formule:
Ek = 0,5 * I * w2
ofwel bij cilinders:
Ek = 0,5 * (0,5*m*r2) * w2
I = traagheidsmoment van de massa om rotatieas [kg*m2]
I = (bij een cilinder) 0,5*m*r2
w
= hoeksnelheid [rad/s], dus hoeksnelheid in round/min (rpm) delen door 6
(rad/round) * 60 (sec/min) dus delen door 10 om het aantal rad/s te verkrijgen
de eenheid van energie is Joule.
Berekening
van de capaciteit van een vliegwiel-opslag aan de hand van de bovenstaande
formule (Excel-sheet)
vliegwiel als energieopslag met kinext, tot 92% efficiency, vliegwiel van 5000 kg, snelheid max. 950 km/h (1,800 rpm), capaciteit 30 kWh, responstijd < 20 ms, benodigd 4x4 m grondvlak, heerhugowaard (brochure kinext t.b.v. s4-energy): ![]() |
Een (theoretische) manier om bij een energieoverschot
potentiële 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. Wanneer er weer een overschot is aan elektriciteit of
enorm veel goedkope elektriciteit dan wordt het blok weer opgehesen. Maar levert dit voldoende op?
Wanneer de
mijnschacht 1000 m diep is en het blok 100.000 kg weegt, is er
aan potentiële 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 potentiële 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 hierboven 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 en aan de andere
voorwaarden wordt voldaan, dan is deze vorm van opslagcapaciteit van energie
misschien wel aantrekkelijk...
Warmte-koude-opslag (wko)
staat 's zomers warmte af aan een buffervat in de grond en levert in de winter
de warmte die benodigd is. Voordeel van wko is dat 's zomers de koude gebruikt
kan worden om het huis te koelen.
Naast warmte-koude-opslag zijn er meer mogelijkheden voor een
"warmte-accu". Een buffervat met warm water wordt nu nog meestal toegepast voor een korte periode en
voor een beperkt gebruik. De bekende boiler is een voorbeeld. Wanneer het
water opgewarmd wordt door zelf opgewekte elektriciteit, is het een duurzaam
concept.
Door de energietransitie naar groene energie en de gasprijs is het
opslaan van warmte in buffervaten interessanter geworden. In zo'n buffervat is
het handiger een ander materiaal dan water te gebruiken omdat dan meer warmte
per volume kan worden opgeslagen. Een buffervat van zout, steen of
staalslakken o.d. heeft dan de voorkeur.
Het buffervat kan in principe verwarmd worden door:
- een grote hoeveelheid zonnepanelen
(leveren elektriciteit)
- zonnecollectoren (leveren warmte)
- PVT-panelen (leveren
elektriciteit én warmte)
- een warmtepomp
(levert warmte of vaak ook koude)
- een open haard (houthaard, bijvoorbeeld de Dik Geurts Ivar 10 H2O Store,
ook aan te sluiten op de cv-installatie).
Wanneer die niet toereikend zijn, kan elektriciteit vanuit het openbare net
worden gebruikt. Helaas is in de winter, wanneer we veel
warm water nodig hebben voor de verwarming, de opbrengst van de zonnepanelen het
kleinst, dus een eigen accu-systeem is noodzakelijk:
- Zo'n accusysteem kan elektriciteit opslaan en leveren waarmee warmte wordt
geproduceerd, maar daar zijn zeer veel of grote dure accu's voor nodig. Wel
kunnen
oude accu's van elektrische auto's gebruikt worden waarbij die accu's door eigen zonnepanelen
opgeladen worden. Eventueel kan een wijk-accu-systeem uitkomst brengen.
- Opslag van warmte zelf heeft het voordeel dat die onmiddellijk als
warmte beschikbaar is. Nadeel is dat een groot, zeer goed geïsoleerd buffervat
nodig is om een huis te verwarmen. Zo'n warmte-accu kan bestaan uit een medium,
liefst met een hoge warmtecapaciteit,
waarin warmte wordt opgeslagen in een goed geïsoleerde "zak" in de kruipruimte
(o.m. Solar Freezer),
maar ook uit een betonnen, zeer goed geïsoleerd bijgebouw dat staalslakken
bevat die in de zomer verwarmd worden door zonnepanelen of PVT-panelen (Centralized
Energy Storage And Recovery CESAR) en via warmtewisselaar en een
buizenstelsel de warmte aflevert bij de aangesloten huizen. De warmte-accu van
CESAR kan inwendig ca. 450 graden Celsius bereiken. De zeer dikke isolatielaag
houdt de warmte lange tijd vast zodat in de winter de warmte gebruikt kan
worden. Gebruik van PVT-panelen boven pv-panelen heeft het voordeel dat uitsluitend
de warmte kan worden opgeslagen en de elektriciteit (al of niet onmiddellijk)
gebruikt kan worden door de aangesloten huizen. Nadeel is dat er fors
geïsoleerd moet worden.
Nadeel van elk opslagsysteem is uiteraard dat de soms aanzienlijke ruimte
beschikbaar moet zijn om de elektriciteit of warmte op te slaan.
Een ander nadeel is dat door het zeer beperkte aanbod van warmte-opslag-systemen
(met uitzondering van warmte-koude-opslag) de aanschaf- en installatiekosten
(nog) zeer fors zijn.
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 beïnvloeden? 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): ![]() |
Aquathermie is het benutten van warmte / koude uit oppervlaktewater (TEO), drinkwater (TED) of afvalwater
(TEA).
Aquathermie is daarmee een vorm van "energieopslag",
de beschikbare warmte (of koude) bronnen van water. Omdat geen (directe)
fossiele energie wordt gebruikt is aquathermie een in Nederland ruimschoots
beschikbare bron van groene energie.
Voor al deze soorten geldt:
- de warmtebron / koudebron is de warmte / koude van het water
- er moet een netwerk zijn om warmte of koude bij de klant te brengen
- met een warmtepomp wordt de temperatuur van het water verhoogd
naar wat gewenst is (collectief centraal of decentraal, of individueel bij de klant).
Soorten aquathermie zijn:
Thermische energie uit oppervlaktewater (TEO) is de warmte en koude die aan het oppervlaktewater onttrokken wordt.
Wanneer een gebouw nabij een rivier of ander groot water is gelegen, dan kan dit
water fungeren als een soort natuurlijke warmte-koude-opslag.
In
de winter is de temperatuur van rivierwater meestal een stuk hoger dan de
omgeving en kan die warmte in een gebouw worden benut via een warmtepomp.
In de zomer is het water van de rivier meestal veel kouder dan de omgeving en
kan het worden gebruikt om een gebouw te koelen. Voor een warmtenet op
basis van aquethermie moet in landelijke gebieden vaak een te grote afstand
worden overbrugd wat de kosten aanzienlijk verhoogt en de en efficiëntie
verlaagt. In die gebieden kunnen lokale, in de buurt aanwezige sloten, kanalen
en plassen als warmte-koude-bron fungeren.
Meer gegevens over aquathermie
uit oppervlaktewater.
Thermische energie uit drinkwater (TED) maakt gebruik van het feit dat de thermische energie van drinkwater in het leidingnet met een warmtewisselaar gewonnen kan worden, voordat het water door de klant gebruikt wordt.
Thermische energie uit
afvalwater (TEA) heet riothermie.
De temperatuur van dat water kan bijvoorbeeld in de zomer ook
benut worden om warmte toe te voeren aan een (andere) vorm van warmte-koude-opslag
(wko).
Meer gegevens over aquathermie
uit afvalwater (riothermie).
de drie methoden aquathermie; teo is energie uit oppervlaktewater, ted is uit drinkwater en tea is uit afvalwater (warmingup): ![]() |
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 geïsoleerde 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 en de isolatiegraad van het opslagvat).
PCM kan ook toegepast worden bij bijvoorbeeld vloerverwarming.
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): ![]() |
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 resulteert in een verandering van Stof1 die later
weer benut wordt om warmte vrij te maken.
Het bedrijf Cellsius heeft
een zout-batterij waarmee restwarmte omgezet wordt via het zout kaliumcarbonaat
opgeslagen dat op een later moment, door toevoeging van waterdamp, wordt opgezet
naar warmte. In 2023 verkeert nog in de experimentele fase, maar vooralsnog een
interessante oplossing. Een bekend probleem bij de omzettingen van zout is dat
die omzetting niet zo vaak kan plaatsvinden, maar hopelijk werkt het Cellsius-principe
beter.
Methode C: 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 vacuüm, 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 vacuüm 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): ![]() |
Bij bijvoorbeeld een zonnetoren (concentrated
solar power, CSP) kan de centraal opgevangen hitte worden doorgegeven aan heet
vloeibaar zout of keramische kogeltjes of eventueel in basalt. 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 warmte-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)
Zie eventueel afvang en opslag
van CO2 (CCS) en afvang en onmiddellijk gebruik van CO2 (CCU).