Opslag van duurzame energie in Noord

Opslag van duurzame energie in
Noord-Holland in de 21ste eeuw
[Date]
Hoe wij echt onafhankelijk kunnen worden van fossiele brandstoffen
Oktober 2016
Menno Gravemaker
Inhoudsopgave
Introductie ............................................................................................................................. 4
Huidige positie ...................................................................................................................... 5
Probleem definitie ................................................................................................................. 7
Probleemstelling ................................................................................................................ 7
Verschillende methodes voor de opslag van energie ............................................................ 9
Opslagmethodes ............................................................................................................. 10
Water (gravitatie opslag) ................................................................................................. 10
Thermische opslag .......................................................................................................... 10
Batterijen ......................................................................................................................... 11
Loodaccu's ................................................................................................................... 11
Lithium ion ................................................................................................................... 11
Aluminium air................................................................................................................... 12
Condensator .................................................................................................................... 12
Supercapacitor ............................................................................................................. 12
Waterstof ......................................................................................................................... 13
Elektriciteit naar gas ........................................................................................................ 14
Oplossing voorstel .............................................................................................................. 15
Stationaire opslag ............................................................................................................ 15
Gebouw opslag ............................................................................................................ 15
Industrie en landbouw opslag....................................................................................... 16
Netwerk stabiliteit ......................................................................................................... 17
Mobiele opslag ................................................................................................................ 17
Verkeer ........................................................................................................................ 18
Scheepvaart................................................................................................................. 18
Seizoensopslag en levering veiligheid ............................................................................. 19
Samenvattend ..................................................................................................................... 19
Conclusie ............................................................................................................................ 20
Bijlage A. Cijfers energieverbruik Noord-Holland................................................................. 21
Introductie
Als Nederlanders hebben wij een bijzondere band met het water. Elke dag stroomt er weer
vers water uit onze kranen en kunnen wij zo goed als allemaal zwemmen. Ook brengt het
water ons economische welvaart zoals alle containers die via de noordzee de haven van
Rotterdam binnenkomen. Wij hebben leren samenwerken met water op een unieke manier.
In 1850 werd bij de drooglegging van de Haarlemmermeer een wonder der techniek neergezet
“Het gemaal Cruquius”. Met dit gemaal ging men de strijd aan met het water om zo land te
winnen waar enkelen van ons vandaag de dag nog op wonen. In heel Noord-Holland zijn er
polders droog gelegd zoals: Beemster, Purmer, Schermer, Wieringerwaard, Zijpe,
Bijlmermeer en Achtermeer. Als Noord-Hollanders weten wij hoe wij kunnen omgaan met
water. Dit zal ook de komende tijd niet snel veranderen. Droge voeten houden is voor ons van
levensbelang, want velen van ons wonen onder de zeespiegel.
Naast dat de wonderen der techniek het mogelijk hebben gemaakt dat wij droge voeten
houden, bedreigd de techniek indirect ons voortbestaan. De mobiliteit is toegenomen en de
bevolking is explosief gegroeid. Waar ooit een kleine nederzetting stond is nu een metropool
ontstaan die wereldwijd op de kaart staat. Met al onze machines is ons energieverbruik sterk
toegenomen. De energie die wij heden ten dage gebruiken bestaat voornamelijk uit fossiele
brandstoffen zoals olie, gas en steenkool.
Het gebruik van fossiele brandstoffen heeft ons welvaart gebracht maar vormt daarnaast voor
ons allemaal een grote bedreiging. Bij de verbranding van fossiele brandstoffen komt CO2 vrij
die eerst diep in de aarde verstopt zat. Dit CO2 gas zorgt ervoor dat energie van de zon
moeilijker uit onze dampkring kan ontsnappen. Het fungeert dus als een deken voor onze
planeet en daardoor wordt het steeds warmer op aarde. Er zijn een aantal gigantische
ijsvlaktes op deze planeet en deze ijsvlaktes smelten op dit moment in hoog tempo door deze
klimaatverandering. Hierdoor komen er onvoorstelbaar grote hoeveelheden water vrij die de
zeespiegel doen stijgen. Dit bedreigt in sterke mate ons voortbestaan.
Er zijn daarom plannen gemaakt en doelen gesteld om over te stappen naar hernieuwbare
energiebronnen. Deze stoten namelijk geen CO2 uit bij de opwekking van energie. De
komende decennia staan in het teken van de transitie naar hernieuwbare energiebronnen. Dit
document geeft in dat perspecitef antwoord op de vraag hoe wij Noord-Holland de komende
100 jaar duurzaam, leefbaar en veilig kunnen houden.
Er zijn verschillende grootheden om energie in uit te drukken. In dit rapport is de keuze
gemaakt om kWh te gebruiken, bronnen zijn omgerekend naar deze grootheid voor
eenduidigheid. In dit rapport is gebruik gemaakt van footnotes. In de digitale versie wordt via
een hyperlink naar de originele bron verwezen.
Huidige positie
In Noord-Holland zijn wij op dit moment met bijna 2,8 miljoen mensen1. Gezamenlijk
verbruiken wij 67.5 miljard kWh energie per jaar2. Dat is iets meer dan 24.100 kWh energie
per persoon per jaar. Een vergelijking: Het energieverbruik in heel Noord-Holland in 1 jaar is
gelijk aan een 7 watt spaarlamp die 1,1 miljard jaar brand. Wij verbruiken samen dus veel
energie maar waar gebruiken wij die energie voor?
Ons energieverbruik is onder te verdelen in 3 sectoren:
1. Gebouwen
32.151 miljoen kWh per jaar
2. Mobiliteit
17.757 miljoen kWh per jaar
3. Industrie en landbouw
17.674 miljoen kWh per jaar
Het verbruik per sector is afgebeeld in figuur 1
Figuur 1 Energieverbruik in 2014 per sector met een totaal 67.583 kWh per jaar
Alle energieverbruik gegevens zijn gehaald uit de klimaatmonitor databank. Een belangrijk
deel van deze cijfers is ook te vinden in bijlage A. De Klimaatmonitor bevat jaarlijks 92 tot 94
% van het Nederlandse finale energiegebruik volgens de NEV.
Sector Gebouwen
Deze sector bestaat uit woningen, commerciële dienstverlening en publieke dienstverlening.
Bijvoorbeeld in een huis wordt elektriciteit gebruikt voor de verlichting en gas gebruikt voor het
koken. Het verwarmen van deze gebouwen neemt de grootste post van energieverbruik tot
zich. Ongeveer 75% van het totale energieverbruik gaat in verwarmen en verkoelen van de
gebouwen zitten. De voornamelijkste energievormen in deze sector zijn: gas en elektriciteit.
1
2
CBS
Klimaatmonitor databank
Sector Mobiliteit
Deze sector bestaat uit de energiebehoefte van al het wegverkeer, mobiele werktuigen en de
scheepvaart. Hiervan is verreweg het grootste deel nodig voor het wegverkeer. Het
wegverkeer zorgt voor 81% van de energiebehoefte van deze sector3. In dit rapport worden
railverkeer en luchtverkeer niet meegenomen. Reden hiertoe is dat treinvervoer uniek is,
omdat de energie niet meevervoerd wordt. Overigens is de hoeveelheid energie die het
railverkeer verbruikt laag, namelijk ongeveer 200 miljoen kWh per jaar4. Daarnaast is
luchtverkeer lastig toe te schrijven aan één specifieke geografische regio, zoals in dit rapport
Noord-Holland. De voornaamste energievormen in deze sector zijn: benzine, stookolie en
bunkerolie.
Sector Industrie en landbouw
Onder deze sector valt de industrie, landbouw, bouwnijverheid en verwerking van vuil water.
Deze sector tekent zich door de verschillende gebruiken van energievormen5. De grootste
contributeurs aan de energiebehoefte van deze sector zijn: industrie en landbouw samen
zorgen zij voor 94% van de energiebehoefte. Er zijn vele verschillende energievormen in deze
sector. De meest voorkomende zijn: gas, olie, kolen, elektriciteit en aardwarmte.
Hernieuwbare energie
De energie wordt dus op verschillende manieren geconsumeerd. Het merendeel van onze
energiebehoefte vervullen wij nu door de verbranding van fossiele brandstoffen.
Naast fossiele brandstof is er ook hernieuwbare energie. Hernieuwbare energie wordt
gewonnen uit bijvoorbeeld de zon door middel van zonnepanelen, maar ook door de
verbranding van hout of biomassa. Hernieuwbare energie heeft netto geen extra CO2 uitstoot.
In 2015 was het aandeel van hernieuwbare energie over heel Nederland 5,8%6. Nederland en
ook de provincie Noord-Holland heeft de ambitie om de energiehuishouding in 2050 volledig
te laten bestaan uit hernieuwbare energiebronnen78.
Er is al veel mogelijk op het gebied van hernieuwbare energiebronnen: zonnepanelen,
windmolens, biomassa, etc. Daarnaast zakt de prijs van zonnepanelen snel en is de
verwachting dat deze trend zich de komende jaren door zal blijven zetten. De wet van
Swanson zegt dat bij elke productie verdubbeling, de prijs van zonnecellen 20% daalt9. Deze
wet gaat al op sinds 1976. Daarnaast is het steeds lastiger fossiele brandstoffen te winnen en
zal die prijs over de lange termijn naar verwachting stijgen. Kernfusie is op dit moment nog
niet commercieel en het is nog onzeker hoe lang het duurt voordat dit overal op de wereld
werkend is uitgerold. Daarom wordt er in dit verslag uitgegaan dat voornamelijk de zon maar
ook wind de duurzame energiebronnen van de toekomst zullen zijn.
3
Klimaatmonitor databank
NS Jaarverslag 2015 (gewogen met 16,4%, aantal inwoners NH t.o.v. NL)
5
Rijksoverheid Energieverbruik door de industrie, 2011-2015
6
CBS Verbruik hernieuwbare energie toegenomen naar 5,8%
7
Rijksoverheid Energievoorziening 2015-2050
8
Provincie Noord-Holland Energietransitie
9
A vision for crystalline silicon photovoltaics
4
Probleem definitie
Veel duurzame energie opwekkers zoals windmolens en zonnepanelen zetten natuurlijke
energie om in elektrische energie. Hernieuwbare energie opwekkers produceren dus
elektriciteit wat een prachtige energiedrager is aangezien het gemakkelijk te transporteren is.
Dit gebeurt namelijk door een draad in plaats van met een tankwagen zoals bij benzine het
geval is. Daarnaast is elektriciteit relatief gemakkelijk in andere vormen van energie om te
zetten zoals, mechanische beweging, licht, geluid en warmte. Elektriciteit heeft als
energiedrager ook een groot nadeel. Elektrische energie moet namelijk meteen ingezet
worden. Dit betekent dat het gebruikt of opgeslagen moet worden.
Op dit moment wordt ons elektriciteitsnet stabiel gehouden doordat energiecentrales constant
hun elektriciteitsproductie aanpassen aan onze energiebehoefte. Als zonnepanelen en
windmolens in de toekomst de energie opwekken hebben wij een probleem. De energie wordt
niet meer op hetzelfde moment gemaakt als dat zij verbruikt wordt. De zon schijnt immers niet
altijd en de wind waait ook niet constant. Toch willen wij wel altijd energie kunnen gebruiken
wanneer ons dat uitkomt. Daarom is het van belang een manier te vinden om de duurzaam
geproduceerde energie tijdelijk op te kunnen slaan zodat wij het kunnen inzetten als wij dat
willen.
Probleemstelling
Hoe slaan wij in de toekomst onze duurzaam geproduceerde energie op?
De benodigde opslagcapaciteit is voornamelijk afhankelijk van de toepassing en het
energieverbruik. Daarom wordt eerst gekeken naar de hoeveelheid energie die wij samen in
2100 zullen verbruiken. Daarna zal ingegaan worden op welke factoren van belang zijn bij de
opslag en levering van energie.
Hoeveel energie zal Noord-Holland verbruiken in 2100?
Deze vraag is onmogelijk nu te beantwoorden. Je kunt stellen dat wij meer energie zullen
gebruiken maar er zijn ook veel argumenten om aan te nemen dat wij minder energie zullen
gaan gebruiken. Dankzij de komst van fossiele brandstoffen is de prijs van energie de
afgelopen 100 jaar zeer laag geweest. Daardoor waren er weinig financiële prikkels om
efficiënt met energie om te gaan. Ook was de ernst van het klimaatprobleem nog niet bekend.
Nu dit wel duidelijk is, is er meer aandacht voor energiebesparing. Hierdoor zullen wij in dit
stuk aannemen dat de energiebehoefte in 2100 lager is dan op dit moment. Om precies te zijn
gaan wij uit van een reductie van 31% over alle sectoren. Verdeeld op de volgende manier:
Gebouwen 42%, mobiliteit 37%, industrie 7%.
Om dit wellicht aannemelijker te maken staat hieronder een praktisch voorbeeld. In de
toekomst kan bespaard worden op het energieverbruik in de sector mobiliteit. Niet doordat wij
allemaal minder auto gaan rijden maar door een veranderingen in efficiëntie. De omzetting
van fossiele brandstof naar een nuttige toepassing is bijna altijd minder efficiënt dan dezelfde
omzetting vanuit elektrische energie. Bij auto’s wordt slechts 19% van de energie uit benzine
omgezet in kinetische energie bij de wielen. Bij elektrische auto’s is dat meer dan 60%
(inclusief verliezen van de batterij). Waar wij nu 15 miljard kWh energie voor wegverkeer nodig
hebben zal bij identiek gebruik in de vorm van elektrisch rijden slechts 5 miljard kWh zijn. Deze
besparing is gelijk aan 7% van het totale huidige energieverbruik in Noord-Holland.
Concluderend zal het totale energieverbruik in 2100 worden beoogd op 46.4 miljard kWh per
jaar. In figuur 2 wordt de verdeling van het energieverbruik weergegeven.
Het geschatte energieverbruik in de drie sectoren in 2100:
1. Gebouwen
18.600 miljoen kWh per jaar
2. Mobiliteit
11.200 miljoen kWh per jaar
3. Industrie en landbouw
16.600 miljoen kWh per jaar
Figuur 2 Energieverbruik 2100 verdeling per sector, totaal 46.4 miljard kWh per jaar
Welke factoren spelen een belangrijke rol bij de opslag en levering van
duurzame energie?
Elke dag kan als een cyclus beschouwd worden. Overdag schijnt de zon, soms waait de wind
en gedurende de gehele dag willen wij energie gebruiken. Dit gebeurt dag in, dag uit. Overdag
als de zon schijnt, willen wij dit opslaan om het zo in de avond en ochtend te kunnen gebruiken.
Daarnaast willen wij onszelf beschermen tegen langdurig slecht weer of seizoensverschillen.
Daarom is er langdurige opslagcapaciteit nodig. Eén ding is zeker: wij willen ten allen tijden
ervan op aan kunnen dat er energie beschikbaar is. Belangrijke factoren zijn dus:
● Leveringsveiligheid
● Stabiliteit van het elektriciteitsnetwerk
● Opvang seizoensverschillen
Daarnaast zal per toepassing de benodigde opslagcapaciteit verschillen hier wordt later
verder op ingegaan.
Verschillende methodes voor de opslag van energie
In dit deel van het rapport worden verschillende mogelijkheden voor het opslaan van energie
besproken. Er wordt eerst verder gekeken naar belangrijke eisen. Daarna wordt verder
ingegaan op de verschillende energieopslagmethoden.
Aangezien veel van de duurzame energiebronnen elektriciteit produceren, moet de
toekomstige opslag deze energievorm kunnen opslaan. Een voorbeeld zijn loodaccu’s. Deze
batterijen zijn zwaar en tijdens de productie zijn er grote hoeveelheden (giftige) grondstoffen
nodig. Daarom is het produceren van loodaccu’s zeer belastend voor het milieu. De hele
transitie naar hernieuwbare energiebronnen is vanwege het klimaat en daarmee
milieuredenen, dus de productie van energieopslag zou dit niet mogen ondermijnen. De
energieopslag moet dus geen grote negatieve impact hebben op het milieu. Daarnaast
vormen kostprijs, levensduur en efficiëntie belangrijke economische indicatoren voor de
uiteindelijke keuze van het opslagsysteem.
Naast deze algemene eisen verschillen de technische eisen per toepassing. Deze eisen zijn
te verdelen in twee soorten: stilstaande opslag en mobiele opslag. Stilstaande opslag wordt
gebruikt door de sectoren: gebouwen, industrie en landbouw. De mobiele opslag wordt
gebruikt in de sector: mobiliteit. Hieronder staan verschillende technische eisen per soort
opslagmedium.
Stilstaande opslag
●
●
●
Lage kosten per kWh
○ Er is veel opslagcapaciteit nodig; hiervoor zijn lage kosten een belangrijke eis
om realistisch de benodigde hoeveelheden capaciteit neer te kunnen zetten.
Hoge energie efficiëntie (85%+)
○ De energie die opgeslagen wordt moet er ook goed uitgehaald kunnen
worden.
Lange levensduur (10 jaar +)
○ De lange levensduur heeft te maken met de stabiliteit en prijs van het
energienetwerk.
Mobiele opslag
●
●
●
Hoge energiedichtheid (per kilogram, maar ook per liter)
○ Dit is belangrijk omdat het opslagmedium ook getransporteerd zal worden en
hoe lichter en kleiner deze is, hoe efficiënter het transport.
Hoog vermogen
○ Het systeem moet snel kunnen opladen en ontladen. Voorbeeld: bij het
accelereren van een auto is veel energie nodig.
Veiligheid
○ Voertuigen kunnen wel eens verongelukken; veiligheid is daarom zeer
belangrijk.
Seizoensopslag en levering veiligheid
Het nadeel van gebruik van zonne energie en windenergie is dat het niet evenveel voorkomt
in de verschillende seizoenen. Daarnaast is het lastig om van te voren te voorspellen hoeveel
energie eruit gewonnen kan worden, zeker over langere periodes zoals meerdere maanden.
Een dag zonder energie is niet voor te stellen en zou leiden tot chaos, onrust en misschien
wel mensenlevens. Een betrouwbare energievoorziening is dus van levensbelang. Op dit
moment wordt dit ook gedaan met olie. De Nederlandse overheid houdt zo’n 90 dagen
olievoorraden aan om eventuele fluctuaties in levering op te vangen10. In dit rapport wordt
uitgegaan van dezelfde hoeveelheid back-up energie. De seizoensopslag zal in deze back-up
energie verwerkt zijn om eventuele energie verschillen tussen seizoenen op te vangen.
Opslagmethodes
Water (gravitatie opslag)
Opslag van energie door middel van de zwaarte ofwel gravitatie energie van water. Als water
naar boven wordt gepompt dan wint het aan zwaarte energie. De zwaarte energie kan weer
omgezet worden naar kinetische energie door het naar beneden te laten stromen. Als het
water door een turbine gaat, wordt de kinetische energie weer terug in elektrische energie
omgezet. Dit is dus een vorm van energieopslag. Het nadeel van deze methode is de beperkte
energiedichtheid. Als 1000 kg water 100 meter omhoog wordt gebracht, dan kan daar
theoretisch slechts 0.272 kWh aan energie mee worden opgewekt. In de praktijk zal dit getal
iets lager zijn door verliezen. Daarnaast zijn er in Noord-Holland geen heuvels of bergen.
Daarom is deze methode geen geschikte oplossing voor ons.
Thermische opslag
Energieopslag in de vorm van warmte opslag. Water heeft één van de grootste soortelijke
warmtes van 4.2 J/gram℃ ofwel 4.2 J/cm3 ℃. Daarnaast is water veel voorkomend in onze
omgeving en relatief goedkoop, namelijk €1,28 per kubieke meter voor drinkwater11. Een
kubieke meter water (1000 liter) dat van 20℃ naar 50℃ wordt gebracht, slaat 35 kWh aan
warmte energie op. Een belangrijk nadeel van deze methode is dat de opgeslagen warmte
energie alleen als warmte te gebruiken is en niet als iets anders. Deze oplossing kan dus niet
in elke toepassing worden gebruikt.
De energiebehoefte van warmte komt voornamelijk voor in de sector gebouwen maar ook in
industrie en landbouw. Een belangrijk voordeel van deze methode is naast de lage kostprijs
€20 per kWh dat de energie omzetting van zonlicht naar thermische energie zeer efficiënt kan
worden gedaan.
Een ander belangrijk nadeel van thermische opslag is dat bij de terugwinning van de warmte
de temperatuur daalt. Dit kan praktische problemen veroorzaken waardoor niet 100% van de
capaciteit kan worden benut. Gelukkig zijn er mogelijkheden om materialen toe te voegen die
zorgen voor een faseovergang waardoor de energie terugwinning met constante
10
11
Rijksoverheid energiebeleid Olie
PNW tarieven en betaling
temperaturen kan worden gedaan en tegelijkertijd de opgeslagen energie wordt vergroot. Dit
kan door verschillende materialen toe te voegen zoals bijvoorbeeld bijenwas12.
Het warme water kan opgeslagen worden en eventueel extra met elektriciteit verwarmd
worden om op de gewenste temperatuur te komen.
Kosten per kWh
Energiedichtheid
Levensduur
Efficiëntie
20 €/kWh
30-60 Wh/kg
10+ jaar
90%
Batterijen
Batterijen zijn elektrochemische cellen. Deze cellen zetten opgeslagen chemische energie om
in elektriciteit door middel van redoxreacties. Bij een oplaadbare batterij zijn de chemische
processen omkeerbaar.
Loodaccu's
Zoals besproken in het begin van dit hoofdstuk zal door milieuoverwegingen deze oplossing
niet als levensvatbaar worden gezien. De kosten van energieopslag in loodaccu’s is €100 €150 per kWh daarnaast is de levensduur 5 jaar.
Lithium ion
Lithium-ion technologie, wat gebruikt wordt voor in laptops en ook in de elektrische auto’s van
bijvoorbeeld Tesla, is een goede stap in de energiedichtheid, maar heeft hetzelfde probleem
als lood accu's. Lithium-ion batterijen zijn namelijk van schaarse materialen gemaakt en niet
gemakkelijk te recyclen. Daarnaast is de prijs van opslag in lithium ion op dit moment meer
dan 300€/kWh en dat maakt het nog steeds een dure aangelegenheid. Als wij één dag aan
elektrische opslag van 71,5 miljoen kWh nodig hebben, dan kost dat meer dan 20 miljard euro
(levensduur 10 jaar). Daarnaast is een bijkomend probleem dat om deze relatief kleine
opslagcapaciteit te produceren 8 miljoen kg lithium nodig is13. Dit is maar liefst 25% van de
wereldwijde productie van lithium in 2015.
Als voordeel heeft lithium ion een hoge energiedichtheid (100 - 275 Wh/kg). Als nadeel heeft
lithium ion een lage vermogensdichtheid en zijn er beperkte hoeveelheid grondstoffen
beschikbaar. Deze technologie kan dus goed gebruikt worden als eerste stap, maar zal niet
het opslagmedium van de toekomst worden.
Kosten opslag
Kosten opslag
Energiedichtheid
Levensduur
12
300 €/kWh huidig
100 €/kWh toekomst
100-275 Wh/kg
10 jaar
IRENA Thermal energy storage rapport
EV World How Much Lithium Does A Battery Really Need (gebruik gemaakt van best realistic case
113gr/kWh)
13
Een nieuwe batterij soort is nodig: één die gemaakt kan worden uit veel voorkomende
materialen en die gemakkelijk te recyclen is zonder dat deze schadelijk voor het milieu is.
Aluminium air
Dit is een nieuwe technologie die gebruik maakt van aluminium en zuurstof. Beide van deze
grondstoffen zijn zeer voorradig. Daarnaast is deze batterij gemakkelijk te recyclen. Deze
technologie is geschikt aangezien wij zelf aluminium kunnen maken bij de hoogovens. Tot
voorkort was het nog niet mogelijk om met deze technologie ook een oplaadbare batterij te
maken maar nu zijn de eerste herlaadbare aluminium air batterijen een feit1415.
Aangezien de technologie nog veel verder moet worden ontwikkeld zijn schattingen gemaakt
over de kosten, energiedichtheid en levensduur.
Kosten opslag
Energiedichtheid
Levensduur
50 €/kWh
8000 Wh/kg theoretisch
1300 Wh/kg practisch
10 jaar
Vermogensdichtheid kan een beperkende factor vormen. Daarom zal uitgegaan worden dat
ook toekomstige aluminium air batterijen een lage vermogensdichtheid hebben.
Condensator
Condensatoren maken gebruik van energie opslag in de vorm van elektrische velden. Dit
wordt gedaan door twee geleidende platen te scheiden met een isolatielaag. De twee platen
worden verschillend geladen (één negatief en de andere positief) waarna er in het
elektrischveld tussen de platen energie wordt vastgehouden. Twee belangrijke aspecten van
de energie hoeveelheid die kan worden opgeslagen, is de oppervlakte van de platen en de
afstand tussen de platen/isolatielaag.
Supercapacitor
Dit is een speciale vorm condensator. Deze maakt gebruik van het Helmholzt dubble layer
effect. Hierbij wordt als het ware de afstand tussen de plaat en isolatielaag op een slimme
manier verkleind.
Voordelen zijn de hoge vermogensdichtheid en veilige grondstoffen en een nadeel is de
constante lekstroom. De condensator verliest afhankelijk van zijn soort in enkele uren tot
dagen de opgeslagen energie. Ook is de lage energiedichtheid (3-5 Wh/kg) een probleem
voor implementatie. Om deze technologie goed in te kunnen zetten zou dit omhoog moeten
met een factor van 20. Deze energieopslagmethode is ideaal voor transportatie aangezien het
veilige grondstoffen zijn en het een hoge vermogensdichtheid heeft.
Zoals genoemd is een belangrijke factor die de energiedichtheid van condensatoren bepaald
de oppervlakte van de platen. Door een nieuwe technologie is het mogelijk om de oppervlakte
14
15
Green car congress Fuji Pigment unveils rechargeable Aluminum-air battery
Extreme tech New aluminum air battery could blow past lithium-ion
van condensatoren met orders van magnitude te vergroten. Deze technologie betreft carbon
nano tubes16. Het zijn cilinders van koolstof die een diameter van enkele tot tientallen
nanometers hebben. Deze cilinders geleiden elektriciteit en hebben een zeer grote
oppervlakte. Een bos van deze carbon nano tubes (carbon nano tube forrest) kan een
oppervlakte van 1cm2 naar een effectieve oppervlakte van vele vierkante meters brengen17.
Dit betekent dat de beperkende factor, wat nu nog de relatief kleine oppervlakte is, kan worden
weggenomen. Hiermee zou de benodigde energiedichtheid wellicht wel behaald kunnen
worden.
Kosten opslag
Energiedichtheid
Levensduur
Vermogensdichtheid
200 €/kWh
100 - 600 Wh/kg
10 jaar
zeer hoog
Waterstof
Waterstof kan worden gemaakt door de elektrolyse van water. Hierdoor ontstaat zuurstof en
waterstofgas. Deze technologie bestaat al enige tijd en er is veel onderzoek naar gedaan. Op
dit moment zijn er bijvoorbeeld al auto’s die op waterstof rijden. Het grote voordeel van
waterstofopslag is dat het een zeer hoge energiedichtheid heeft. Dit wordt ook per volume
dichtheid bereikt als de waterstof onder 700 bar wordt samengeperst. Dit samenpersen moet
aangezien een gas opslaan teveel ruimte inneemt. Waterstof wordt onder hoge druk vloeibaar
waardoor de tank een normale afmeting kan krijgen. De energiedichtheid voor een
waterstofsysteem is dan tussen de 2.000 - 3.000 Wh/kg18. Een nadeel is de slechte efficiëntie.
Goede systemen zitten in de 40 - 60% range en uitzonderlijke systemen op 85%. Deze
efficiëntie betreft die van het systeem zelf. Daarnaast zijn er ook verliezen in de productie van
waterstof waardoor de uiteindelijke efficiëntie lager zal uitvallen. Deze productieverliezen
worden in dit rapport niet meegenomen. Daarnaast is veiligheid een probleem, aangezien de
tank op een druk van 700 bar met een grote hoeveelheid aan brandbaar gas een groot risico
vormt. Gezien waterstofgas het kleinste molecuul ter wereld is, lekt er door de tijd heen
waterstof uit de tank. Onder hoge druk is het daardoor lastig vast te houden en gaat de
efficiëntie nog verder naar beneden. Ook is als katalysator platinum nodig. Platinum is een
kostbare grondstof die schaars is.
Kosten opslag
Kosten opslag
Energiedichtheid
Levensduur
Efficiëntie
300 - 700 €/kWh (systeem voor toepassing in een auto) huidig
150 - 300 €/kWh toekomst
2000 - 3000 Wh/kg
2 - 5 jaar
40 - 60% (bij 100% efficiënte waterstofproductie)
16
Paper: Achieving Both High Power and Energy Density in Electrochemical Supercapacitors with
Nanoporous Graphene Materials
17
18
Paper: Long Carbon Nanotubes Grown on the Surface of Fibers for Hybrid Composites
Book: Renewable hydrogen technologies
Elektriciteit naar gas
Deze methode houdt in dat van waterstof die verkregen wordt uit elektrolyse samen met
koolstofdioxide (CO2) methaan gemaakt wordt. Methaan is makkelijker op te slaan dan
waterstof doordat methaan een groter molecuul heeft. Het voornaamste bestanddeel van
aardgas is methaan. Op dit moment gebruiken wij methaan al voor bijvoorbeeld het koken en
het voeden van de HR ketel. Een bijkomend voordeel van deze techniek is dat de huidige
infrastructuur (gasnetwerk) gebruikt kan blijven worden. Een nadeel van deze techniek is dat
de efficiëntie zeer laag is. Aangezien de dichtheid bij gas voornamelijk door volume wordt
bepaald en niet door gewicht is deze ook toegevoegd in het onderstaande rijtje.
Energiedichtheid
Energiedichtheid
Houdbaarheid
Efficiëntie
15,400 Wh/kg (per kg methaan)
1.0 Wh/liter (per liter methaan)
Zeer lang
30-50%
Oplossing voorstel
In Noord-Holland zullen wij de komende tijd haast maken met de transitie naar een duurzaam
voortbestaan. Door de uitrol van grote oppervlaktes aan zonnepanelen en de plaatsing van
windmolens op zee en land, moeten wij nog een belangrijke horde overstijgen, namelijk de
opslag van de duurzaam geproduceerde energie. In dit hoofdstuk wordt een voorstel gedaan
om de duurzaam geproduceerde energie op te kunnen slaan.
Stationaire opslag
Gebouwen en industrie hebben in de winter extra warmte energie nodig om de
binnentemperatuur op peil te houden. Deze energie kan via een efficiënte manier direct uit
zonlicht gewonnen worden. Deze energie kan door middel van thermische opslagtanks
goedkoop en efficiënt opgeslagen worden. Hierbij wordt uitgegaan dat in de toekomst huizen
beter zijn geïsoleerd, waardoor de totale energiebehoefte van de gebouwen sector lager is
dan het huidige gebruik. Om verschillen in het weer goed op te vangen wordt een
warmteopslag van vijf dagen aangehouden.
Daarnaast zullen in de toekomst veel huishoudens en bedrijven zonnepanelen op hun dak
hebben. Gezien transport verliezen is het efficiënt om deze energie dicht bij de bron op te
slaan. Om direct elektrische energie op te kunnen slaan is gekozen voor de opslag door middel
van aluminium air batterijen. Grote aluminium air batterijen zullen daarnaast verspreid worden
over het land om zo het elektriciteitsnet te stabiliseren; een taak die nu op zich wordt genomen
door de kolen en gascentrales.
Gebouw opslag
Gebouwgebonden warmte opslag
Er wordt vijf dagen aan gemiddelde warmte energie opgeslagen. De verwachting is dat 50%
van het energieverbruik in deze sector in de toekomst uit verwarming van water bestaat. Dit
komt neer op:
5
18600 ∗ 0,5 ∗ (
) = 127 miljoen kWh
365
Er zijn 1,3 miljoen huishoudens in Noord-Holland19 . Zij zijn voor 56% verantwoordelijk voor
de energiebehoefte in deze sector. Daarnaast zijn er commerciële en publieke gebouwen
ieder voor respectivelijk 31% en 13% verantwoordelijk. Per huishouden komt dit neer op zo’n
55 kWh aan warmte opslag. Dit kan al met 1-3 m3 ruimte (afhankelijk van de toegepaste fase
veranderende stoffen).
Kosten: € 2,5 miljard
19
€
= 127 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 20 [
]
𝑘𝑊ℎ
CBS huishoudens en samenstelling
Gebouwgebonden batterijen
Er wordt één dag aan gemiddelde elektriciteitsopslag opgeslagen. Dit omdat elke dag als
cyclus kan worden beschouwd dus een opslag van één dag is voldoende. 50% van het
energieverbruik in deze sector zal in de toekomst elektrisch zijn (een deel hiervan wordt ook
gebruikt om water te verwarmen naar hogere temperaturen).
1
18600 ∗ 0,5 ∗ (
) = 25 miljoen kWh, Per huishouden is dat 11 kWh
365
Kosten: € 1,25 miljard
€
= 25 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 50 [
]
𝑘𝑊ℎ
Industrie en landbouw opslag
Industrie en landbouw warmteopslag lokaal bij bedrijven
Er wordt vijf dagen aan gemiddelde warmte energie opgeslagen. De verwachting is dat 60%
van het energieverbruik in deze sector in de toekomst uit verwarming van water bestaat.
5
16600 ∗ 0,6 ∗ (
) = 81 miljoen kWh
365
Kosten: € 1,6 miljard
€
= 81 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 20 [𝑘𝑊ℎ]
Industrie en landbouw batterijen lokaal bij bedrijven
Er wordt twee dagen aan gemiddelde elektrische energie opgeslagen. Dit aangezien de
energievraag sterk kan fluctueren en het benodigde gebruik boven het gemiddelde gebruik
kan liggen. De verwachting is dat 40% van het energieverbruik elektrisch zal zijn.
2
16600 ∗ 0.4 ∗ (
) = 22 miljoen kWh
365
Kosten: € 1,1 miljard
€
= 22 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 50 [
]
𝑘𝑊ℎ
Netwerk stabiliteit
Er wordt twee dagen aan gemiddelde elektriciteit energie opgeslagen. Het gemiddelde betreft
de elektrische energie behoefte van alle drie de sectoren samen. Deze opslag komt in de vorm
van grote systemen verspreid door de provincie heen.
2
(0,5 ∗ 18600 + 0,9 ∗ 11200 + 0,4 ∗ 16600) ∗ (
) = 143 miljoen kWh
365
Kosten: € 7,2 miljard
€
= 143 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 50 [
]
𝑘𝑊ℎ
Daarnaast is er 0,2 dag aan elektriciteit verbruik nodig in de vorm van hoogvermogen
opslag. Deze opslag zal bestaan uit condensatoren uitgerust met de carbon nano tubes
technologie.
0,2
(0,5 ∗ 18600 + 0,9 ∗ 11200 + 0,4 ∗ 16600) ∗ (
) = 14 miljoen kWh
365
Deze hoogvermogen opslag is bedoeld om de mobiliteitsector snel te kunnen voeden en hoog
frequente fluctuaties in het elektriciteitsnet op te kunnen vangen (bij plotselinge wind
bijvoorbeeld).
Kosten: 2,8 miljard
€
= 14 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 200 [
]
𝑘𝑊ℎ
Mobiele opslag
Condensatoren met carbon nanotubes als kathode en anode zijn geschikt om hoge
energiedichtheden te bereiken naast de al bestaande hoge vermogensdichtheden.
Waarschijnlijk zal de lekstroom nog een belangrijk nadeel blijven van deze technologie.
Natuurlijk willen wij niet dat een auto na twee weken helemaal leeg is en de ANWB gebeld
moet worden. Dus een deel van de opslag in voertuigen zal middels een aluminium air batterij
worden voltrokken.
Als tanken binnen enkele seconde gedaan kan worden is het voor auto’s en ander wegverkeer
makkelijker om vaker te tanken. Dit is interessant, omdat daarmee de opslagcapaciteit kleiner
kan zijn, waardoor het transport efficiënter zal worden. Met condensatoren hoef je geen
rekening te houden met het aantal laadcycli aangezien deze vele duizenden tot miljoenen cycli
aankunnen. Alleen condensatoren bieden de mogelijkheid om binnen enkele seconden een
auto op te laden. Deze manier is overigens ook zeer geschikt in combinatie met een
geautomatiseerd wagenpark (zelfrijdende auto’s).
Voor schepen is het lastiger om vaker te tanken zeker als er lange tijd op zee gevaren wordt.
Aangezien schepen minder vaak verongelukken dan wegverkeer is het risico bij deze
toepassing van mobiele opslag minder groot. Hierdoor is het niet gek als schepen uiteindelijk
op waterstof gaan varen. Containerschepen die de wereld over moeten hebben uiteraard meer
opslag nodig dan binnenvaartschippers. Helaas is het lastig te achterhalen hoe vaak deze
verschillende typen boten tanken. Daarom is uitgegaan van een opslagcapaciteit van 15
dagen.
Verkeer
Hieronder valt wegverkeer en mobiele werktuigen. Deze twee groepen zullen 90% van het
verbruik van de sector mobiliteit vormen. Er wordt drie dagen aan gemiddeld energieverbruik
opgeslagen. Een deel van de opslag door aluminium air batterijen (75%) en een deel door
condensatoren (25%).
3
11200 ∗ 0,9 ∗ (
) = 83 miljoen kWh
365
€
€
Kosten: € 7,2 miljard = (83 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 0,75 ∗ 50 [𝑘𝑊ℎ ]) + (83 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 0,25 ∗ 200 [𝑘𝑊ℎ])
Scheepvaart
Er wordt vijftien dagen aan energieverbruik opgeslagen in de vorm van waterstoftanks. Deze
tanks bevinden zich op het schip zelf en verschillen in grootte, afhankelijk van het soort
schip. De verwachting is dat 10% van het energieverbruik in deze sector in de toekomst
gebruikt wordt door de scheepvaart.
15
(11200 ∗ 0,1) ∗ (
) = 46 miljoen kWh
365
Kosten: € 6,9 miljard
€
= 46 ∗ 106 [𝑘𝑊ℎ] ∗ 150 [𝑘𝑊ℎ]
Seizoensopslag en levering veiligheid
Tussen de winter en de zomer kan verschil zitten in verbruik en opwekking van energie. De
opslag moet vooral geen lek hebben over een langere periode. Naast dat condensatoren een
lekstroom hebben, is dat ook in mindere mate het geval bij batterijen. Daarom is een back-up
van batterijen niet geschikt. Het grote voordeel van gas is dat als het eenmaal gemaakt is, het
heel lang zonder energieverlies te bewaren is. In de lege gasvelden kunnen wij duurzaam
geproduceerd gas opslaan. Deze vorm van energieopslag heeft als nadeel dat de efficiëntie
zeer laag is. Daarom is deze energie redelijk duur en voornamelijk geschikt als lange termijn
opslag en als back-up. Dit gas kan door gascentrales naar elektriciteit worden omgezet of via
het bestaande gasnetwerk naar industrie of gebouwen worden gedistribueerd.
Er wordt een reserve van negentig dagen van de totale energie door de drie sectoren
aangehouden. Dat komt neer op:
90
(18600 + 11200 + 16600) ∗ (
) = 11,441 miljoen kWh
365
Eén m3 methaan heeft een energiewaarde van 10,11 kWh aan potentiële energie. Totaal is er
dus een capaciteit van 1.1 miljard m3 methaangas nodig. Ter vergelijking: de huidige
gasreserves in het groningse gasveld zijn 800 miljard kubieke meter20.
De kosten voor deze vorm van opslag worden vooral bepaald door de energieprijs en daarmee
de frequentie en hoeveelheid die wordt ingezet. Het opslaan zelf is relatief goedkoop, omdat
wij al beschikking hebben over (lege) gasvelden in de grond.
Samenvattend
Het is mogelijk om onze duurzaam opgewekte energie op een goede manier op te slaan voor
elke sector. De aangedragen opslagoplossing zal in Noord-Holland totaal 30,5 miljard euro
kosten. Deze opslag zal gemiddeld gezien 10 jaar meegaan wat de kosten op 3 miljard euro
per jaar brengt. Ter vergelijking het bruto binnenlands product van Noord-Holland was in 2014
133 miljard euro. Het is daarmee ook economisch niet onhaalbaar.
De kosten zijn als volgt verdeeld:
Aluminium air batterijen
€ 16,75 miljard
Waterstofopslag
€ 6,9 miljard
Warmte opslag
€ 4,1 miljard
Condensatoren
€ 2,8 miljard
20
Aardgas in Nederland Aardgasreserves en verbruik
(54,8%)
(22,6%)
(13,4%)
(9,2%)
Conclusie
Om de komende 100 jaar Noord-Holland leefbaar en bewoonbaar te houden zullen wij gaan
overstappen naar hernieuwbare energiebronnen. Hierbij is de opslag van de duurzame
energie een belangrijke kwestie.
Een voorstel is gedaan die een combinatie van oplossingen aandraagt om het opslagprobleem
te verhelpen. Zo kunnen wij er samen voor zorgen dat duurzaam opgewekte energie ook in
de praktijk mogelijk wordt. Zonder deze belangrijke schakel blijft de overstap naar 100%
hernieuwbare energie namelijk niets meer dan toekomstmuziek. Door weer terug te vallen op
onze bijzondere band met het water en het water weer voor ons te laten werken kunnen wij
bijvoorbeeld warmte energie opslaan in onze gebouwen.
Het is in ons eigen belang om een voorbeeld positie in te nemen als het gaat om de overstap
naar duurzame energie. Zonder de overstap van ons, maar ook die door anderen, zouden wij
het gevecht met het water op de lange termijn wel eens kunnen verliezen.
Het aangedragen opslagsysteem kost rond de 3 miljard euro per jaar. Wellicht kan in NoordHolland een volledig nieuwe industrie opbloeien door opslagsystemen zelf te produceren en
een voorbeeld te zijn voor de rest van de wereld. Hierdoor levert het naast een veilige en
betrouwbare energietoevoer ook veel banen op. Met deze oplossing kunnen wij zorgen dat
Noord-Holland in de 21ste eeuw volledig onafhankelijk wordt van fossiele brandstoffen en zo
houden wij Noord-Holland, ons deltaland, de komende 100 jaar duurzaam, leefbaar en veilig.
Bijlage A. Cijfers energieverbruik Noord-Holland
kWh (2014)21 kWh (2100) % Besparing t.o.v. huidig
18.944
10.419
45,00%
Commerciële dienstverlening
8.792
5.715
35,00%
Publieke dienstverlening
4.415
2.428
45,00%
Subtotaal Gebouwde Omgeving
32.151
18.562
42,27%
Wegverkeer
15.065
9.039
40,00%
1.393
1.045
25,00%
Binnen -en recreatievaart
483
410
15,00%
Zeescheepvaart
816
693
15,00%
Subtotaal Verkeer en vervoer
17.757
11.188
37,00%
Industrie
11.009
9.908
10,00%
Bouwnijverheid
252
252
0,00%
Energieproductie
118
118
0,00%
Winning van delfstoffen
206
206
0,00%
Afval en (afval)water
519
519
0,00%
5.572
5.572
0,00%
17.674
16.574
6,64%
67.583
46.324
31,46%
Woningen (sjv)
Gebouwen
Mobiele werktuigen
Mobiliteit
Landbouw, bosbouw en visserij
Industrie en landbouw Subtotaal Industrie en landbouw
TOTAAL
21
Klimaatmonitor databank