Duurzame energie

Hoe gaan we om met de pieken en dalen van zon- en windenergie?

Een mega lithium-ionbatterij, gebouwd in 2017 bij Adelaide in Australië, voor het autobedrijf Tesla. Opslagcapaciteit: 129 duizend kilowattuur. Beeld ANP / Polaris Images
Een mega lithium-ionbatterij, gebouwd in 2017 bij Adelaide in Australië, voor het autobedrijf Tesla. Opslagcapaciteit: 129 duizend kilowattuur.Beeld ANP / Polaris Images

Zon en wind zijn de werkpaarden die de wereld naar een klimaatneutrale toekomst moeten leiden. Maar hoe vang je de pieken en dalen op waarmee ze hun energie leveren? ‘Technisch moet het kunnen. Waarom het zo traag gaat weten we eigenlijk niet.’

Joep Engels

Hij was zijn tijd ver vooruit. Al in 1977 bedacht de Bredase ingenieur Luc Lievense een plan om met windenergie constant stroom te kunnen leveren. Hij stelde voor in het Markermeer een honderd kilometer lange en veertien meter hoge ringdijk aan te leggen, met daarop 400 windturbines met een vermogen van elk ruim één megawatt. Waaide het hard en overtrof het aanbod de vraag, dan kon de overtollige stroom pompen aandrijven die het waterpeil binnen de dijk ophoogden. Als de wind stil zou vallen, liet men het waterbekken eenvoudig leeglopen, wat weer stroom genereert.

Het plan haalde het niet. De olieprijs, die in de jaren zeventig naar recordhoogte was gestegen, kelderde in het nieuwe decennium. Bovendien vreesde Amsterdam dat de stad bij een dijkdoorbraak zou overstromen.

De pieken en dalen van zon en wind

Maar in discussies over duurzame energie leeft het plan voort. De pieken en dalen van zon en wind zijn nog altijd een struikelblok voor een betrouwbare duurzame elektriciteitsvoorziening. En dan lonkt dit simpele en tot de verbeelding sprekende concept.

Maar verwacht er niet te veel van, zegt Fokko Mulder, hoogleraar energieopslag aan de TU Delft. “Als je de mogelijkheid hebt om een opslagbassin aan te leggen, in de bergen of fjorden, moet je het zeker doen. Maar zo’n systeem heeft een lage energiedichtheid. En wij gebruiken zoveel energie in dit land. Ik heb het eens uitgerekend. Met het totale energieverbruik in Nederland op één dag kun je het IJsselmeer twintig keer leegpompen. Met zo’n bekken kom je hier dus niet ver.”

Wind en zon zijn de werkpaarden

Maar hoe dan wel? Het doel is duidelijk. In 2050 moet de wereld klimaatneutraal zijn. Wind en zon zijn de werkpaarden in dit streven. Maar hoe vang je dan de pieken en dalen op? Hebben we daar wel de buffers voor?

Opslagsystemen zijn niet het eerste waar Kornelis Blok aan denkt als hij vraag en aanbod in de nieuwe energiewereld op elkaar wil afstemmen. Uitbreiding van het elektriciteitsnet komt bij de hoogleraar energiesysteemanalyse aan de TU Delft op de eerste plaats. “We moeten de wind- en zonneparken in Europa aan elkaar knopen. Dan spreid je het aanbod, het waait immers bijna altijd wel ergens in Europa. Het is ook de goedkoopste manier om het probleem aan te pakken. Al is het niet altijd even makkelijk. De Tennets van deze wereld, de netbeheerders, kreunen nu al. Maar hoe meer we doen, hoe beter het is.”

Stem de vraag op het aanbod af

Op plaats twee zet hij het spreiden van de vraag. Of beter: het afstemmen van de vraag op het aanbod. Vroeger liet je de wasmachine in de energieluwe nacht draaien, maar dat zet volgens Blok met de huidige zuinige machines nog maar weinig zoden aan de dijk. De warmtepomp kan een waardige opvolger worden, maar met name de elektrische auto kan een verschil maken.

“Nu speelt dat nog niet zo’n grote rol, "zegt Blok, “maar als straks de meeste auto’s elektrisch zijn, zou je ze moeten opladen als er stroom over is”. Een Tesla heeft die optie en er bestaat ook al een app die probeert de accu te laden op momenten van overschot. Blok: “Maar dan moeten de tarieven ook dynamisch worden, zodat de consument financieel geprikkeld wordt er gebruik van te maken.”

Autoaccu's als opslag

Met spreiden kom je een heel eind, zegt hij, maar uiteindelijk moet je een deel van de stroom ook opslaan. Voor de korte termijn, om de nacht of een sombere dag door te komen. Daarvoor zou je batterijen kunnen inzetten, en ook daarin bieden de elektrische auto’s een mooie optie. “Die zouden in tijden van stroomschaarste ook kunnen ontladen. De autoaccu’s zijn daarvoor nog niet echt geschikt, maar de fabrikanten zien deze toepassing aankomen en zullen daarop inspelen.”

Voor de lange termijn bieden de batterijen (nog) geen soelaas. Blok laat het zijn studenten altijd uitrekenen en dan blijkt dat een gemiddeld huishouden vijftig zogeheten powerwalls van Tesla nodig heeft om de winter door te komen. “Daarvoor moeten we een deel van de opgewekte stroom inzetten om duurzame brandstoffen zoals waterstof te maken. Het is relatief duur, maar volgens onze berekeningen gaat het, als je in deze volgorde werkt, om vijf procent van de totale stroom. Op het geheel maakt dat voor de prijs niet veel uit.”

2500 miljoen kilowattuur per dag

Collega Mulder kijkt er net iets anders tegenaan. De mogelijkheden van de elektrische auto worden volgens hem overschat. “Stel dat we straks allemaal elektrisch rijden en evenveel kilometers maken als nu”, rekent hij voor. “Dan verbruiken alle personenauto’s in Nederland per dag 40 GWh [de Engelse afkorting voor gigawattuur, 1 GWh is een miljoen kilowattuur, red]. Als je alle energie meerekent, verbruiken we in Nederland nu 2500 GWh per dag. Zoveel pieken en dalen kunnen die auto’s niet opvangen.”

Volgens hem zijn het de opwekkers van elektriciteit zelf die voor de opslag moeten zorgen. “Ik denk dat we voor de korte termijn 20 à 30 procent van het piekvermogen daarvoor moeten inzetten. Dat lijkt veel en duur, maar opslag levert ook geld op. Als je de stroom opslaat, gooi je het niet alleen niet weg, je voorkomt er ook mee dat de prijs inzakt. Je ziet het ook gebeuren. Er gaat geen maand voorbij of ergens in de wereld wordt weer een batterij van soms wel een gigawattuur aangekondigd. Bij een zon- of een windpark, of bij een knooppunt van het netwerk.”

Synthetische brandstoffen

Voor de seizoensopslag denkt ook Mulder aan de productie van synthetische brandstoffen zoals waterstof of ammoniak (zie kader). Daarbij gaat wel een hoop energie verloren. Als je de elektriciteit uit windenergie gebruikt om waterstof te maken en vervolgens die waterstof weer omzet in stroom, heb je nog maar 40 procent van de elektriciteit over.

Dat hoeft geen bezwaar te zijn, legt Mulder uit. Elektriciteit is een bijzonder effectieve vorm van energie. “Een benzinemotor haalt nog geen 15 procent rendement. Een elektromotor zit ruim boven de 80 procent. Als je het zo bekijkt, is het overkomelijk dat je met de omzetting veel verliest. Of neem een warmtepomp: die haalt drie tot vijf keer zo veel warmte uit een kilowattuur. Zo’n pomp is na de omzetting nog steeds twee keer zo rendabel.”

Nieuwe beleggingkans voor pensioenfondsen

Al met al ligt de weg naar de volledige elektrificering van de samenleving open. Technisch zijn de oplossingen denkbaar, zegt Mulder. “De obstakels zijn van organisatorische en financiële aard. Met de ontwikkeling en opschaling van de noodzakelijke technologie ben je met een energievoorziening die draait op zon en wind voordeliger uit. Dat vereist nog wel de nodige investeringen, die je pas op termijn terugverdient. Maar ik heb begrepen dat de pensioenfondsen zoeken naar nieuwe beleggingsmogelijkheden.”

Als het allemaal uit kan, waarom doen we het dan niet? In de scenario’s die het Internationaal Energie Agentschap of het IPCC, het klimaatagentschap van de VN, schetsen, mogen we blij zijn als de wereld in 2050 de elektriciteitsvoorziening volledig heeft verduurzaamd. Elektriciteit is dan goed voor bijna de helft van de totale energievraag. De andere helft wordt in die toekomstbeelden nog steeds gedekt door biomassa of fossiele brandstoffen (waarbij de CO2 onder de grond wordt gestopt).

In theorie kan het, zegt Blok. Technisch is het mogelijk in 2050 die gehele brandstofbehoefte met waterstof af te dekken. “Maar dan moeten we de bijdrage van zon en wind nog veel sterker laten groeien dan in de huidige plannen. En die zijn al ambitieus. Bovendien zullen we ook waterstof moeten importeren. Als we honderd jaar de tijd hadden, zou het kunnen. Maar we hebben maar dertig jaar om CO2-neutraal te worden. Voor dat doel moeten we alles inzetten en kunnen we die biomassa of opslag van CO2 niet terzijde schuiven.”

Deze omslag heeft zijn tijd nodig

Deze omslag heeft nu eenmaal zijn tijd nodig, verzucht hij. Een recente Zweedse studie liet zien dat in de meeste landen de elektriciteitsvoorziening niet meer dan met één procent per jaar verduurzaamt. Blok: “We zien het hier in Nederland. Als we in 2030 een serie nieuwe windparken op de Noordzee willen hebben, moet daarover volgend jaar al een besluit zijn genomen. Anders draaien ze in 2030 niet.”

Hij kan er geen specifieke knelpunten voor aangeven. “Als je het wereldwijd bekijkt, hoeft ruimte geen beperkende factor te zijn. Maar kijk hier in Nederland: als ergens een windmolenpark moet komen, zijn er allerlei procedures en bezwaren. Ander voorbeeld: in principe is er geen beletsel voor de vele hoogspanningsnetwerken die nodig zijn. Maar in de praktijk stuit Tennet op grenzen. Op gebrek aan mankracht bijvoorbeeld.”

Het zijn anekdotische voorbeelden. “Het kan ook snel gaan, dat zie je nu bijvoorbeeld in Nederland, waar we in één decennium het aandeel duurzaam in de elektriciteitsvoorziening van 25 naar 75 procent gaan brengen.”

Eigenlijk is nooit goed onderzocht waar de grenzen van de duurzame groei liggen. “Iemand als Mark Jacobson van Stanford University beweert wel dat we in 2050 alles elektrisch kunnen hebben, op basis van zon en wind. Maar dan vergeet hij dat daar een enorme infrastructuur bij hoort. Dan vergeet hij alle zware industrie met hun energiebehoefte. Nogmaals, in theorie kan het wel. Maar het moet wel gebeuren.”

Snelle batterijen

De batterij van een elektrische auto moet natuurlijk veilig zijn, mag niet te veel kosten en moet vooral niet te zwaar zijn. Dat wil zeggen: veel energie per kilo kunnen bevatten. De levensduur is weer niet zo belangrijk. De gemiddelde auto is na 350.000 kilometer wel op: een batterij waar je 500 kilometer mee kunt rijden, hoeft dus maar 700 keer te kunnen worden geladen. Dat maakt diezelfde batterij niet zo geschikt om een huishouden de nacht te laten doorkomen. Bij dagelijks helemaal laden en ontladen is de batterij na twee jaar versleten.

Wil je een langere levensduur of een batterij die snel kan opladen en zo pieken in het stroomaanbod kan opvangen, dan moet je toegeven op het gewicht. Maar voor een batterij in een elektrische bus of een powerwall in een woning is dat niet zo’n bezwaar.

Onderzoekers van de Universiteit Twente presenteerden onlangs een nieuw type batterij met een negatieve pool, de anode, van nikkelniobaat. In de bestaande lithiumionaccu’s is de anode veelal van grafiet, zegt Mark Huiijben, hoogleraar nanotechnologie van de UT. “Dat grafiet kan het snelle laden en ontladen niet goed aan. Na een paar snelle cycli degradeert het grafiet al en presteert de accu minder.”

Met een anode van nikkelniobaat laadde en ontlaadde de accu tien keer zo snel. Dat klinkt als exotisch materiaal, maar de fabricage van zulke accu’s stelt volgens Huijben geen extreme eisen. De Twentse batterij lijkt zeer geschikt als buffer in het elektriciteitsnetwerk.

Opslaan in ammoniak

Bij de omzetting van elektriciteit naar duurzame brandstoffen denkt iedereen aan waterstof, maar ammoniak begint een geduchte concurrent te worden. Het is een oud idee: in de Tweede Wereldoorlog reden stadsbussen in Brussel al op ammoniak. Echt duurzaam was dat niet. Ammoniak werd en wordt meestal gemaakt van aardgas. Je kunt een bus beter meteen op aardgas laten rijden.

Maar je kunt ammoniak ook maken door waterstof en stikstof (uit de lucht) onder hoge druk en temperatuur bij elkaar te brengen. Dat vreet energie, maar als het wordt gedaan met piekstroom uit wind- of zonne-energie die anders weggegooid zou worden, wordt het toch interessant.

Je zou de ammoniak kunnen gebruiken als opslagmedium voor waterstof. Dat moet namelijk extreem worden gekoeld om het (in vloeibare vorm) te kunnen bewaren, of je bewaart het waterstof als gecomprimeerd gas, maar dan kost het nog steeds veel ruimte.

Ammoniak is veel compacter. Als je de energie weer nodig hebt, is ammoniak als brandstof te gebruiken of je kraakt de ammoniakmoleculen in een brandstofcel weer tot waterstof en stikstof.

Lees ook:

Je krijgt meer stroom als je zonlicht doormidden knipt

Het idee is in een zin te vatten: maak een groter deel van het invallende zonlicht geschikt voor de zonnecel en zijn efficiëntie zal drastisch verbeteren

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden