Batterijen als buffer voor groene stroom

Op een gure herfstdag is de oogst aan windenergie groot. En zonne-energie piekt op een zonovergoten zomerdag. Maar er zijn ook windstille, grijze dagen en nachten. Zolang zon en wind minder dan een vijfde van de totale energie leveren, zijn de schommelingen in aanvoer van groene stroom eenvoudig op te vangen. Maar in Duitsland en Denemarken zorgen windrijke dagen inmiddels voor een energie-overschot. Mooi, zou je denken. Maar zonder afnemers levert energie niets op. Soms moet zelfs worden betaald om het overschot kwijt te raken. Dat maakt duurzame energie duur.

Er is dus dringend behoefte aan energieopslagmogelijkheden voor groene stroom. Volgens energiedeskundigen is energieopslag zelfs het grootste vraagstuk of struikelblok voor de omschakeling naar een duurzame energievoorziening.

undefined

Auto is aanjager

Een voor de hand liggende oplossing is de oplaadbare batterij. Die gebruiken we dagelijks in de afstandsbediening, zaklamp of smartphone. Een stapel grote exemplaren in de bijkeuken, garage of centraal in de wijk kan overtollige de stroom van zonnepanelen inderdaad over een paar dagen uitsmeren. Dat gebeurt op proef in onder andere Etten-Leur en Gorinchem (zie kader) op initiatief van energiebedrijven en netwerkbeheerders.

Maar bij energieopslag in batterijen gaat het nog steeds om demonstratie- of proefprojecten. Dat komt door de prijs van accu's. Een betrouwbare batterij van één kilowattuur kost nu ruim 300 euro (350 dollar). Terwijl 100 dollar geldt als de grens waarbij opslag economisch aantrekkelijk wordt. Een kilowattuur is overigens genoeg om een koelkast anderhalve dag te laten werken of je smartphone een weekje.

De accucentrale en thuisbatterijen bestaan uit lichtgewicht lithiumionbatterijen. Zij zijn betrouwbaar en voordelig. Dat komt vooral omdat de auto-industrie de grote aanjager is in batterijonderzoek. Elk zichzelf respecterend automerk heeft een elektrisch exemplaar in de showroom of in ontwerp. De fabrikanten willen een lichte accu. Want hoe lichter en compacter de accu, hoe lager het energieverbruik per kilometer en hoe groter de actieradius per kilo of liter accu. Lithiumionbatterijen bieden de hoogste energiedichtheid. De opslagcapaciteit per kilo steeg de afgelopen jaren telkens met 5 tot 7 procent. Een batterij anno 2015 levert dubbel zoveel stroom als in het jaar 2000.

De lithiumionbatterij wordt ook goedkoper door massaproductie. Tesla, de pionier in elektrisch rijden, is 's werelds grootste batterijmaker aan het worden. In Nevada verrijst een gigantische accufabriek. Eind 2016 moeten de eerste batterijen er van de band rollen. Vanaf 2020 produceert de 'gigafabriek' jaarlijks de accu's voor een half miljoen auto's. De fabriek zal overigens op zon-, wind- en geothermische energie draaien.

undefined

Flowbatterij

Een compacte batterij is prettig voor energieopslag van zon en wind aan huis of in een centrale. Maar belangrijker voor niet-mobiele toepassingen is de prijs per kWh. Het is dus logisch om ook naar andere, eventueel grotere batterijen te kijken. De meest beloftevolle is de nog vrij onbekende redox-flowbatterij, kortweg flowbatterij genoemd. Een flowbatterij is nu zeker drie maal groter dan een lithiumionbatterij, maar zou de grens van 100 dollar per kWh wel eens eerder kunnen doorbreken. Bovendien zijn er erg milieuvriendelijke, veilige versies in ontwikkeling.

Een flowbatterij bestaat uit een centraal gedeelte met twee elektroden ('de cel'), twee opslagtanks en twee pompen. De pompen laten de vloeistoffen uit de tanks naar de cel stromen, elk langs een elektrode. Een membraan voorkomt menging van de vloeistoffen, maar laat wel kleine geladen ionen door. De flowbatterij levert stroom doordat opgeloste stoffen met elkaar reageren. Omdat de stoffen geen direct contact hebben, verloopt de reactie via de elektroden, wat voor stroom zorgt. Bij het opladen vindt de omgekeerde reactie plaats en keren de uitgangsstoffen terug.

Wereldwijd zijn er nu ruim 200 flowbatterijen operationeel. De eerste en enige in Nederland staat sinds 2010 op de Fotonenboerderij van Erna Roeterdink en Jan Borgman in de Achterhoek. De stroom wordt in deze flowbatterij vastgelegd in verschillende vormen van vanadium, een nogal prijzig metaal. De 100 kWh batterij heeft de omvang van een zeecontainer en slaat de stroom op van 360 vierkante meter zonnepanelen op de staldaken. Die leveren de stroom voor twee melkrobots, alle verlichting, machines en het woonhuis. Borgman: "Een flowbatterij was niet de goedkoopste maar de duurzaamste keuze. Het vanadium verbruik je op geen enkele manier, het gaat in principe eeuwig mee." Technisch gaat alles al vijf jaar feilloos, verzekert Borgman. "Alles gaat automatisch. Alleen de pompen moeten regelmatig nagekeken worden, en eens in de tien jaar staat het systeem een dag stil om kleine vervuilingen uit de vloeistoffen te filtreren."

undefined

Zuur

De flowbatterij zal al snel goedkoper zijn dan de huidige lithiumionbatterijen, belooft start-up Elestor uit Arnhem. Elestor bouwt een prototype zonder het prijzige vanadium. Uitgangsstof is waterstofbromide, een sterk zuur. Bij het opladen ontstaat dan aan de ene pool waterstofgas en aan de andere bromine. Die gassen worden in tanks opgevangen, en stroom ontstaat weer wanneer de gassen naar de elektroden worden gepompt. Daar reageren ze terug tot waterstofbromide. Elestor-oprichter Wiebrand Kout: "Het systeem is aan grondstoffen zeker vier maal goedkoper dan een vergelijkbare lithiumionaccu." Het prototype moet begin 2016 gereed zijn en krijgt een plek in het nieuwe hoofdkantoor van ingenieursbureau Wittenveen+Bos in Deventer.

En wellicht kan de flowbatterij nog goedkoper. Technici van MIT presenteerden al een type flowbatterij dat werkt zonder membraan, vaak het duurste onderdeel. Chemici van Harvard en Cambridge publiceerden onlangs een zeer milieuvriendelijke variant. Hun flowbatterij bevat organische stoffen, dus geen schadelijke metalen, geen gassen en geen brandbare of giftige stoffen. Praktisch bruikbaar is het lab-exemplaar nog niet vanwege een te lage spanning. Maar omdat allerlei chemische reacties mogelijk zijn in een flowbatterij, geloven ze dat het een kwestie is van tijd en veel experimenteren om een zeer groene flowbatterij te realiseren.

Bijzonder aan de flowbatterij is ook dat de opslagcapaciteit simpel is te vergroten. Wie wat extra zonnepanelen wil installeren, hoeft geen tweede flowbatterij te kopen, maar kan de tanks omruilen voor wat grotere exemplaren.

undefined

Wereldwijd net

Ondanks de grote investeringen en snelle ontwikkelingen in batterijtechniek is het niet gezegd dat accu's daadwerkelijk een grote rol gaan spelen in energieopslag of de enige methode zullen zijn. Batterijen zijn erg geschikt om pieken en dalen van enkele dagen plat te strijken. Maar er is ook behoefte zijn aan seizoensopslag: zonnestroom bewaren voor de winter of juist windenergie opslaan voor de windstillere zomermaanden. Een veel geschikter opslagmethode daarvoor is de omzetting van stroom in een synthetische brandstof: waterstofgas of een benzine-achtige vloeistof. Ook daar stort de wetenschap zich op.

En er zijn toekomstscenario's voor duurzame energie waarin energieopslag helemaal overbodig is. Een gigantisch wereldwijd hoogspanningsnet kan pieken en dalen afvlakken door stroomtransport. Het waait immers altijd wel ergens op de wereld, en 's nachts schijnt de zon aan de andere kant van de planeet. Hoe groter een netwerk, hoe groter de buffercapaciteit. Maar een dergelijk netwerk vergt wel miljardeninvesteringen en wereldwijde samenwerking.

Een ander obstakel voor energieopslag in thuisbatterijen is verrassend genoeg de stimuleringsregeling voor groene energie. Fotonenboer Borgman overweegt zijn flowbatterij te verkopen. "In Nederland mag je alle zonnestroom die je aan het net levert, verrekenen met je stroomafname. Door dat salderingssysteem kan energieopslag nu per definitie niet uit."

undefined

Samen stroom opslaan

In nieuwbouwwijk De Keen in Etten-Leur staat een buurtbatterij die overdag het overschot aan zonne-energie van 200 woningen opslaat en 's avonds of op een bewolkte dag afgeeft. De opslag voorkomt schommelingen op het net en transportverliezen. De Gorinchemse all-electric wijk Hoog Dalem heeft een virtuele buurtbatterij. Elke woning heeft een eigen accu, maar als het nodig is, delen bewoners stroom of opslagruimte. Een slim netwerk zorgt voor de verdeling en benut de energieopslagcapaciteit zo optimaal.

In Zeeland is de eerste Nederlandse accucentrale in aanbouw. De centrale van het Amerikaanse bedrijf AES is een flinke loods met tienduizenden gestapelde batterijen en staat op een industrieterrein in Oost-Vlissingen. De accucentrale gaat pieken en dalen op het net afvlakken. "Een groeimarkt", voorspelt AES-woordvoerder Nikolay Peychev. In totaal kunnen de batterijen 5000 kilowattuur aan energie opslaan, genoeg om zeker 600 huishoudens een dag lang van stroom te voorzien. Grootschalige energieopslag kan in de toekomst wellicht ook via de crowd. Wanneer de elektrische auto definitief doorbreekt, vormen de miljoenen accu's (elk zo'n 80 kWh) een forse buffer.

undefined

Grootschalige opslag: hoe?

Wanneer Duitsland of Denemarken op winderige of zonnige dagen hun stroomoverschot niet kunnen verkopen aan buurlanden, dan wordt de energie in Noorwegen opgeslagen in een stuwmeer. De stroom drijft pompen aan die water omhoog stuwen. Is er weer vraag naar stroom, dan komt de energie vrij via een waterkrachtcentrale.

Maar wat te doen in een land zonder bergen? Drie grootse ingenieursplannen voor grootschalige opslag:

undefined

1. Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale

Een combinatie van bovengronds stuwmeer en ondergrondse kelders op 1,5 kilometer diepte in de verlaten Limburgse mijnen. Bij een energieoverschot wordt water opgepompt. Dat stort later weer naar beneden via een waterkrachtcentrale. Kosten: 1,6 miljard. Initiatiefnemers: Haskoning, Sogecom. Plan is afgewezen in 2007 en 2013 door het ministerie van EZ. Ondernemer Jan Huynen zoekt nu samen met de provincie Limburg naar private investeerders.

undefined

2. iLand

Een Vlaamse variant op het plan Lievense. iLand is een tien meter hoog kunstmatig eiland voor de Vlaamse kust met in het midden een dertig meter diep bassin van drie vierkante kilometer. Windmolens pompen bij een energieoverschot water uit het bassin in zee. Het water stroomt terug via een waterkrachtcentrale. Kosten: 1,6 miljard euro. Initiatiefnemers: oud-minister Johan Vande Lotte, energiemaatschappij Electrabel, baggeraar DEME. Concessie in aanvraag.

undefined

3. Energietrein

Overtollige stroom zet een loodzware magneetzweeftrein in beweging die eindeloos rondjes rijdt in een ondergrondse vacuümtunnel van 2,5 kilometer doorsnede. De snelheid kan oplopen tot 2000 kilometer per uur. Is er stroom nodig dan wordt de bewegingsenergie weer omgezet in stroom. Kosten: 1 à 2 miljard euro. Initiatiefnemer ECN zoekt deelnemers voor ontwikkeling.

undefined