ENE11 - Stockage électrique_top

Voorziening | Elektriciteitsopslag

Elektriciteitsopslag

© Danilo Alvesd / unsplash.com

De opslag van elektriciteit is noodzakelijk om de ontwikkeling van hernieuwbare, intermitterende en van nature variabele productiebronnen mogelijk te maken. Nieuwe opslagoplossingen zijn in opmars en er wordt grootschalig onderzoek verricht om de betrouwbaarheid en veerkracht van bestaande technologieën te verbeteren. Deze pagina belicht de toepassingen op basis van batterijen of hydraulische, mechanische en thermische processen in de bouwsector en voor vervoersmiddelen.

Waarom elektriciteit opslaan?

Zie Pagina | Elektriciteitsopslag in het dossier

Welke zijn de verschillende vormen van elektriciteitsopslag en hun toepassingen?

Elektrochemische opslag

Oplaadbare batterij

Oplaadbare batterijen of accumulatoren produceren elektriciteit uit een omkeerbare redoxreactie - dat wil zeggen een chemische reactie waarbij elektronen worden uitgewisseld - en slaan deze elektriciteit op. De geleverde spanning ontstaat door het verschil in elektrochemische potentialen op de batterijelektroden. Er zijn veel soorten batterijen (lood/zwavelzuur, cadmium/nikkel, zwavel/natrium, redox-vanadium, lithium-ion, solid-state, enz.) en ze hebben een ruim toepassingsgebied. Het zijn gedecentraliseerde opslagmedia die ideaal zijn voor het eigen gebruik van energie uit fotovoltaïsche cellen (op wijkniveau, in een gebouw of individueel) maar ook voor de industrie, via hulpmiddelen voor elektrisch beheer (van het type EMS: Energy Management System).

Criteria voor de vergelijking van verschillende soorten batterijen

Er bestaan tegenwoordig tal van omkeerbare batterijen (d.w.z. herlaadbaar) die zich van elkaar onderscheiden door de volgende criteria:

  • spanning over de elektroden (V);
  • dichtheid van de opgeslagen energie (kWh/kg);
  • bedrijfstemperatuur;
  • zelfontlading;

    zelfontlading is een elektrochemische reactie die ook optreedt wanneer de batterij niet in gebruik is.
  • levensduur in kalenderjaren (jaren/maanden);
  • levensduur in aantal laad-/ontlaadcycli;
  • efficiëntie (%); 

    de efficiëntie van de laad-/ ontlaadcyclus is de verhouding tussen de hoeveelheid geleverde elektriciteit bij het ontladen en de hoeveelheid energie die gebruikt werd om de batterij op te laden.
  • ontladingsdiepte (%);

    de ontladingsdiepte (DOD: Depth of Discharge) is de hoeveelheid energie die van de batterij is ontladen. Diepe ontladingen hebben een negatieve impact op de levensduur van de batterijen in aantal cycli.
  • systeemcapaciteit (Ah);

    de capaciteit van de batterij is een indicator van de hoeveelheid stroom die de batterij gedurende een bepaalde tijd kan leveren.

    De capaciteit is gekoppeld aan de stroom en de ontlaadtijd, volgens de volgende formule:

    Id = Ct / Td

    waarbij:

    Ct: nominale capaciteit van de batterij (Ah, of Ampère-uur)

    Id: de ontlaadstroom van de batterij (A)

    Td: de ontlaadtijd van de batterij (h)

  • laadtoestand (%)

    laadtoestand (SoC: State-of-Charge) is de capaciteit van de batterij ten opzichte van haar maximale capaciteit. De laadtoestand geeft de interne toestand van de batterij weer en vooral het evolutiestadium van de elektroden.
  • kostprijs;
  • veiligheid;
  • enz.

Voor nog meer criteria betreffende batterijen, raadpleeg het MIT, 2008, A Guide to Understanding Battery Specifications, (uitsluitend in Engels)

Vergelijkende tabel: verschillende soorten batterijen
Lood-zwavelzuur (Pb-zuur)Nikkel-cadmium (Ni-Cd)Natrium-zwavel (Na-S)Vanadium redoxLithium-ion (Li-ion)
Spanning van een element (V)21.252.11.4–1.63.7
Energiedichtheid (Wh/kg)30-4045-60100-11025-3580-200
Aantal cycli500800-2 5002 000-5 000> 5 000> 5 000
Rendement (%)75-8565-7580-9070-8585-95
Investeringskost / Vermogen (€/kWh)50-150300-500500-1 500500-2 5001000-3 000
Waterstof

Deze technologie zet elektriciteit om in waterstof via elektrolyse van water: H2O ⇌ H2 + ½ O2. Waterstof kan in grote hoeveelheden in tanks worden opgeslagen in gecomprimeerde vorm of in metaalhydriden (of vloeistof) om later te worden gebruikt (enkele dagen tot enkele maanden na de productie). De vermogens zijn doorgaans middelgroot tot groot (één tot meerdere MW).

Principe van elektriciteitsopslag via waterstof

Elektriciteit kan opnieuw worden verkregen uit waterstof door:

  • brandstofcel, met toepassing in:

    • gebouwen (power-to-power);
    • vervoersmiddelen (power-to-fuel);
  • elektriciteitscentrale, als gas dat aardgas vervangt of na vermenging met aardgas tot enkele tientallen % (power-to-gas);

Met deze methoden is het niet alleen mogelijk om elektriciteit terug vrij te geven. Een brandstofcel produceert ook warmte en het aardgas dat waterstof bevat, kan ook worden gebruikt voor thermische toepassingen.

Note

Opmerking: In 2018 was meer dan 95% van de waterstof die wereldwijd wordt geproduceerd, eigenlijk afkomstig van het kraken van aardgas en niet van elektrolyse van water.

Hydro-energieopslag

Hydro-energieopslag, ook bekend als pompcentrales of "Pumped Energy Transfer Stations" (STEP), is een klein- tot grootschalig opslagsysteem gerelateerd aan waterkracht en stuwdammen. Het principe van deze installaties is dat een waterlichaam op een bepaalde hoogte wordt opgeslagen om op een geschikt moment te worden "geturbineerd". De operatie verloopt dus in twee fasen.

  1. Water wordt van een lager naar een hoger gelegen spaarbekken gepompt tijdens de piekproductie van elektriciteit (doorgaans overdag);
  2. Water stroomt terug van het bovenste spaarbekken naar het lager gelegen bekken via een turbine die elektriciteit opwekt op het hoogtepunt van het elektriciteitsverbruik (doorgaans 's avonds).

Via hydro-energieopslag kunnen grote hoeveelheden energie opgeslagen worden, van enkele tientallen MWh tot verschillende GWh, afhankelijk van de grootte van de waterbekkens en de opslaghoogte van het water.

Het gaat om een "massaopslag" of energieopslag "door zwaartekracht" die geschikt is voor een netwerk dat doorgaans gecentraliseerd is.

Werking van een hydro-energieopslaginstallatie

Mechanische opslag

Vliegwie

Vliegwielen worden gebruikt om energie op te slaan door kinetische energie bij rotatie om te zetten in elektriciteit en omgekeerd. Het systeem bestaat uit een massa, gewoonlijk een cilinder, die in een "luchtledige" kamer (om de wrijving te beperken) om een as wordt geroteerd door een elektromotor. Tijdens de ontladingsfase werkt de elektromotor in "generator"-modus (d.w.z. "omgekeerd") en produceert hij elektriciteit. De kenmerken van vliegwielen zijn:

  • een hoge omzettingsefficiëntie;
  • een erg korte reactietijd;
  • een hoge mate van zelfontlading;
  • wordt gebruikt om gedurende zeer korte tijd hoge vermogens te injecteren.

Werking van een vliegwiel

Elektriciteitsopslag

Supercondensator

Supercondensatoren werken volgens hetzelfde principe als conventionele condensatoren (d.w.z. door tegengestelde ladingen op te slaan op hun elektroden) maar maken ook gebruik van de technologie van elektrochemische batterijen. Een supercondensator heeft twee poreuze elektroden in actieve koolstof (koolstof), die zeer dicht bij elkaar liggen en van elkaar gescheiden worden door een isolerend membraan. Aangezien er geen chemische reactie plaatsvindt, kan de energie snel worden vrijgegeven en ligt het rendement erg hoog. Gelet op de erg korte laad- en ontlaadtijd wordt deze technologie veelvuldig toegepast in de automobielsector.

Supergeleider

Supergeleidende systemen, ook wel supergeleidende magnetische energieopslag (SMES) genoemd, kunnen rechtstreeks elektriciteit opslaan via supergeleidende spoelen die sterk worden afgekoeld. In de onderzoeks- en ontwikkelingsfase zijn deze installaties nog onderhevig aan een grote zelfontlading en zijn ze nog erg duur. Deze toepassingen blijven voorlopig beperkt tot opslag van korte duur, bij hoogwaardige technologieën.

Andere vormen van energieopslag:

De opslag van overtollige energie kan ook gebeuren in de vorm van:

  • perslucht: bestaat erin om elektriciteit te gebruiken om lucht samen te persen en later te hergebruiken. De lucht kan ook als verbrandingslucht in een elektriciteitscentrale gebruikt worden als vermogensversterker. De term CAES (Compressed Air Energy Storage) wordt ook voor dit proces gebruikt;
  • thermisch: door opslagvaten (type boiler voor sanitair warm water) of geothermische opslag door middel van een omkeerbare warmtepomp. De energie wordt opgeslagen in de vorm van warmte en kan niet terugkeren in elektrische vorm (behalve bij zonne-energiecentrales).

Vergelijkende tabel van de verschillende vormen van energieopslag en de toepassingen ervan

Vergelijkende tabel van de verschillende vormen van energieopslag

Technisch-economische vergelijking

Elke opslagtechnologie voldoet aan verschillende behoeften (laad-/ontlaadfrequentie, aantal cycli, vermogen, opslagcapaciteit, kostprijs, snelheid, enz.).

Technisch-economische vergelijking van de verschillende oplossingen voor elektriciteitsopslag

Vermogens-

bereik

Reactie-

tijd

Energie-efficiëntieLevensduur

Investeringskost /

Vermogen

(€/kW)

Investeringskost /

Opgeslagen energie

(€/kWh)

Hydro-energieopslag100 MW-1 GWs-min70-85%>40 jaar500-1 50070-150
Waterstof1 kW-10 MWs-min23-35%5 tot 10 jaar>5 000<500
Batterijen*

1 W-10 kW (alleenstaand)

1 kW-10 MW (in reeks)

ms70-95%500-10 000 cycli50-3 00050-1 000
Vliegwiel1-100 kWms>90%100 000 cycli500-2 0002 000-8 000
Supergeleider10 kW-5 MWms>90%20-30 jaar>200>10 000
Supercondensator10 kW-5 MWms90-95%50 000 cycli100-50010 000-20 000

* Voor een meer gedetailleerde vergelijking van de verschillende batterijtypes, raadpleeg het voorgaande deel.

Bron: ENEA-consulting

Welke type opslag kiezen voor de residentiële en tertiaire sector?

Met het wegvallen van het compensatieprincipe in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest, zal de injectie van groene stroom op het net niet langer financieel interessant zijn; vandaar het belang om oplossingen voor eigen gebruik te vinden door middel van opslag. In de praktijk betekent dit dat "kleine" zelfproducenten hun energie moeten kunnen stockeren op batterijen of een thermische opslagoplossing.

Elektriciteitsopslag op batterijen

In dit geval worden lood-zuur of lithium-ion batterijen gebruikt (elektrochemische opslag). Het teveel aan geproduceerde elektriciteit wordt opgeslagen in de batterijen, om later te worden vrijgegeven zodra de productie de behoefte niet meer dekt. De consument blijft dus aangesloten op het net en gebruikt dit als bij-productie.

Grotere verbruikers (grote tertiaire of industriële gebruikers) kunnen de elektriciteit die is opgeslagen in batterijen op een later tijdstip gebruiken om de stroompieken die aan het netwerk worden onttrokken terug te dringen (peak shaving ¼ uur) en zo te besparen op hun contracten voor elektriciteitslevering.

Waarop moet men letten bij het kiezen van een batterij?

Bijzondere aandachtspunten bij het kiezen van een batterij

  • impact van de ontladingsdiepte: heel wat batterijen verdragen geen diepe ontladingen, die rechtstreeks impact hebben op hun levensduur (over het algemeen slechts 50% voor een lood-zuur batterij). Er kan dan een regelaar worden geplaatst om de batterij te beschermen tegen deze ontladingen;
  • aantal laad-/ontlaadcycli;
  • levensduur buiten cycli;
  • geringe zelfontlading;
  • opslagcapaciteit(Ah of beter kWh): naar keuze, om de autonomie van het systeem te verzekeren naargelang de behoeften.

De samenvattende tabel van de verschillende types van batterijen in het voorgaande deel kan ook nuttig zijn om de juiste batterijkeuze te maken.

Opslag in de vorm van warm water

Deze oplossing verschilt van de elektrochemische opslag in die zin dat de elektriciteit die in thermische energie is omgezet, ook als dusdanig wordt gebruikt.

Het teveel aan geproduceerde elektriciteit wordt gebruikt om, via een specifieke regelaar en een boiler (met mogelijke opslag op verschillende temperaturen), een deel van de warmwaterbehoeften (sanitair warm water of verwarming) te dekken en daardoor de fossiele-brandstofrekening te verlagen. De regelaar vergelijkt voortdurend de groene-energieproductie van het gebouw met het verbruik en stuurt de overtollige productie naar een elektrische weerstand of een warmtepomp (voor een hoger rendement), die het water opwarmt, dat vervolgens wordt opgeslagen.

Dit systeem vertoont de volgende kenmerken:

  • hoge reactiviteit (1s);
  • opslagsysteem op korte termijn (enkele uren tot 2 dagen);
  • goedkoper dan het batterijsysteem;
  • vermogens beperkt door de capaciteit van de boiler, de overtollige energie wordt in het net geïnjecteerd;

Zie Voorziening | Zonneboiler

Fotovoltaïsche installatie met vermogenscontroller en thermische opslag

Wat zijn de beperkingen van de technologieën voor energieopslag?

De technische en economische beperkingen van energieopslag zijn:

  • de vrij hoge investeringskost: door de industrialisatieprocessen zijn er momenteel geen schaalvoordelen mogelijk;
  • hoge exploitatiekost (voor technologieën die geen gebruik maken van batterijen): technische belemmeringen wat betreft de infrastructuur, de interconnecties, de flexibiliteit van de productie, de beheersing van de energievraag, enz.;
  • technische grenzen van de technologie zelf: capaciteit, levensduur, weerstand, energieverlies, prestaties van de regelaar, enz.;
  • impact op het milieu van de productiefase en het einde van de levensduur van de opslagsystemen.

Meer weten

In de Gids

Betreffende de productie van groene stroom:

Betreffende thermische opslag:

Documenten

Websites

bijgewerkt op 08/02/2021

Code n° : G_ENE11 - Thema's : Energie - Gerelateerde project components : Fotovoltaïsche | Hernieuwbare energie