opslag van elektrische energie

OPSLAG
VAN
ELEKTRISCHE ENERGIE
Een multi criteria analyse van de verschillende mogelijkheden
voor het opslaan van elektrische energie in de gebouwde
omgeving
Auteurs
Lars T. Beke BSc
Technische Universiteit Eindhoven
April 17, 2014
EINDHOVEN
drs. Koos Kerstholt
Stichting Kien
SAMENVATTING
In deze studie wordt gekeken naar de mogelijkheden voor de opslag van elektrische energie. Verschillende technologiën worden met elkaar vergeleken met
behulp van een multi criteria analyse. Met deze analyse is het mogelijk om de
technologiën te beoordelen op een set van criteria en met behulp van wegingen
verschillende scenario’s op te zetten. Middels een uitgebreide literatuurstudie
zullen de criteria per technologie worden beoordeeld. Uiteindelijke conclusies
zijn dat op het kosten aspect een aantal technologiën dicht bijelkaar zitten, maar
vliegwieltechnologie als beste naar voren komt. Binnen het scenario van korte
termijn energie opslag is het tevens vliegwieltechnologie dat het beste presteert
op de criteria. Bij het scenario van lange termijn opslag komt hydro-techologie
het beste naar voren. Een vierde conclusie is dat het gebruikt van de multi
criteria analyse een zeer goede en transparante tool is om diverse technologiën
met elkaar te vergelijken en kan goed worden ingezet als beslissingsmaker.
2
INHOUSOPGAVE
Samenvatting
1 Inleiding
1.1 Doel . . . . .
1.2 Technologiën
1.3 Methode . . .
1.4 Citeria . . . .
1.5 Scenario’s . .
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5
5
6
6
8
9
2 Chemische Systemen
10
2.1 Power to Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Waterstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Methanering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Elektrochemische systemen
3.1 Batterijen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Lood-zure Batterijen (Pb-A) . . . .
3.1.2 Lithium-ion Batterijen (Li-ion) . . .
3.1.3 Natriumzwavel Batterijen (Na-S) . .
3.1.4 Vanadium Redox Batterijen (VRB)
3.2 Electrochemical double layer capacitors . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
14
14
15
16
17
18
20
4 Elektrische Systemen
22
4.1 Superconducting magnetic energy storage . . . . . . . . . . . . . 22
5 Mechanische systemen
24
5.1 Vliegwielen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2 Compressed air energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.3 Hydro-elektrische energie opslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6 Thermische systemen
30
6.1 Thermische elektriciteit opslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3
7 Resultaten
7.1 Technologiën . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Scenario’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Wegingen . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Scenario Kosten . . . . . . . . . . . .
7.2.3 Scenario Korte termijn energie opslag
7.2.4 Scenario Lange termijn energie opslag
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
33
33
33
35
35
37
38
8 Conclusie
40
8.1 Discussie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Referenties
43
4
HOOFDSTUK 1
INLEIDING
Duurzaamheid, energiezuinigheid, hernieuwbare energie: het zijn urgente
maatschappelijke thema’s, aldus KIEN, Knooppunt Innovatie Elektrotechniek Nederland, een stichting gericht om innovatie in de elektrotechniek te
stimuleren. Samen met e-installateurs, overheden, bedrijven, instellingen,
netwerkorganisaties en gebruikers is KIEN een knooppunt van kennis en ervaring. En om deze thema’s aan te pakken werkt KIEN aan de 0-energieomgeving,
daar waar een omgeving in staat is om op jaarbasis energie neutraal te zijn.
Naast de opwekking van duurzame energie en een goede verdeling van het
verbruik is energie opslag een belangrijk element in de 0-energieomgeving.
Een veelvoud van technologiën bestaan om energie op te slaan. De keuze
voor een bepaalde technologie hangt af van een verscheidenheid van factoren.
Allereerst is daar de vorm waarin de gewenste energie wordt aangeleverd en
waarin deze ook weer benodigd is. Energie komt voor in diverse vormen waarvan
de belangrijkste zijn; kinetische energie, poteniële energie, chemische energie,
elektrische energie, thermische energie en magnetische energie. Daarnaast is
ook de toepassing van de energie van belang, zoals waar dient de energie voor
gebruikt te worden en wat voor eisen stelt dit aan de opslag methoden. Is de
energie nodig om korte pieken op te vangen, voor het verbeteren van de kwaliteit
van het vermogen of is het nodig om voor langere duur een basisbelasting te
voorzien. Als laatste is ook de context van invloed op de gewenste technologie,
zoals waar de technologie wordt toegepast, kleinschalig in een huis of flat of
grootschalig bij een windmolenpark of een zonneveld.
1.1
Doel
Het doel van dit onderzoek is om inzicht te verkrijgen in de verschillende energie
opslag systemen die gebruikt kunnen worden in relatie tot de 0-energieomgeving
en een oordeel te kunnen vellen over de toepasbaarheid in deze omgeving.
Binnen de gebouwde omgeving is een trend van elektrificatie gaande, waarbij
elektriciteit steeds meer, voor zover dat al niet is, de voornaamste vorm van
energie wordt. En daar waar elektriciteit een uitstekende energie drager is, is
elektriciteit relatief moeilijk om op te slaan. Daarom zal er ook worden gekeken
naar mogelijkheden van elektrische energie opslag (EES) waarbij elektrische
5
energie wordt omgezet naar een gunstigere energie drager en wanneer de energie
weer gewenst is zal worden terug geconverteerd naar elektrische energie. De
focus van dit onderzoek zal dus liggen op het opslaan van elektriciteit waarbij
de uitgangspositie is dat de gewenste vorm van de energie na het opslaan ook
weer elektriciteit is. Dit kan er toe leiden dat niet altijd de meest optimale
situatie wordt gekozen, doordat het bijvoorbeeld efficiënter is om de opgeslagen
energie om te zetten naar warmte. Desondanks, om een goede vergelijking te
kunnen treffen, is de conversie terug naar elektriciteit essentieel.
Laat voorop staan dat dit onderzoek geen allesomvattende studie is van alle
mogelijkheden om energie op te slaan en dat de beschreven technologiën niet limitatief zijn. Deze studie geeft een indicatie van de verschillende, veelbelovende
technologiën en de toepasbaarheid binnen de 0-energieomgeving. Natuurlijk zijn
er nog veel meer opslag technologiën dan in deze studie genoemd worden. De
gekozen technologiën vertegenwoordigen echter een groot deel van de literatuur
op het gebied van energie opslag en worden over het algemeen gezien als de
belangrijkste technologiën met de grootste potentie voor energie opslag [14] [13]
[9].
1.2
Technologiën
De technologiën in deze studie kunnen worden onderverdeeld naar vijf categoriën, namelijk; chemische systemen, elektrochemische systemen, elektrische
systemen, mechanische systemen en thermische systemen.
Zoals eerder
beschreven zijn deze categoriën niet limitatief en zijn er nog meerdere categoriën
denkbaar. Binnen de chemische systemen word gekeken naar de toepassing van
Power to Gas, waar twee varianten mogelijk zijn; één waarbij opgewekte elektriciteit word omgezet naar waterstof en in die vorm wordt opgeslagen en een
tweede variant waarbij het waterstof nog verder wordt omgezet naar methaan
en vervolgens kan worden opgeslagen. Bij elektrochemische systemen wordt
gekeken naar vier typen batterijen die een grote potentie hebben of al een bewezen technologie blijken. Dit zijn de lood-zure batterij, de lithium-ion batterij,
de natrium-zwavel batterij en de vanadium redox batterij. Daarnaast zal er nog
gekeken worden naar een super condensator, de electric double layer capacitor.
Voor elektrische systemen wordt er gekeken naar systemen die elektriciteit in
directe vorm opslaan, in dit geval met behulp van super geleidende magnetische
energie opslag. Bij mechanische systemen kijken we naar vliegwiel technologie,
opslag van energie met behulp van compressed air en met energie opslag met
behulp van hydro-eletrische systemen. Als laatste zal gekeken worden naar thermische systemen, waar gekeken wordt naar de opslag van thermische energie in
de grond.
1.3
Methode
Met behulp van een Multi Criteria Analyse (MCA) kan een wetenschappelijke vergelijking worden getrokken tussen diverse systemen op een variatie
van criteria. Een MCA is een hulpmiddel om besluitvormingsprocessen te
structureren en om besluitmakers te helpen bij het vinden van de optimale
6
balans tussen conflicterende doelen. Toepassingen van een MCA omvatten
het ordenen van gegevens, het transparant maken van beslissingsprocessen
en het ondersteunen van deze beslissingsprocessen. Een MCA zorgt voor
een inzichtelijk proces, waarbij de stappen navolgbaar zijn en de uitkomst
begrijpbaar. Hoewel de methode lijkt op een maatschappelijke kosten-baten
analyse is het grote voordeel van een MCA dat niet alle criteria hoeven
uitgedrukt te worden in monetaire eenheden. Men kan met het doorlopen van
een MCA pas beginnen wanneer de volgende zaken duidelijk zijn: de mogelijke
alternatieven moeten doordacht zijn; het probleem, de alternatieven en de
criteria waarop de alternatieven beoordeeld zullen worden moeten duidelijk
zijn, er moet instemming zijn van alle belanghebbenden en men moet de
noodzaak van de MCA overwogen hebben [30].
Als eerste stap worden de alternatieven bedacht en beschreven op basis van
een uitgebreide literatuurstudie. Vervolgens wordt er gekeken naar aspecten
die relevant geacht worden voor de beoordeling van de alternatieven. Die
aspecten en de bijbehorende criteria sluiten aan bij de doelstellingen van de
alternatieven in het gebied van de 0-energieomgeving. Vervolgens worden de
alternatieven beoordeeld op deze criteria met behulp van een literatuurstudie.
De beoordelingen van deze criteria per technologie worden in een overzicht
weergegeven in de vorm van criteriumscores. Er zijn verschillende soorten
eenheden waarin criteriumscores gemeten kunnen worden, waarbij in deze
studie gewerkt wordt met kwantitatieve gegevens zoals efficiënties en kosten
gemeten in percentages en monetaire eenheden, en kwalitatieve gegevens zoals
de invloed van een technologie op het milieu, uitgedrukt op een ordinale schaal
van plussen en minnen.
De criteriumscores worden gemeten op verschillende schalen. Om de scores
te kunnen vergelijken of te combineren, dienen ze eerst te worden weergegeven
op een gelijke schaal. Hiervoor is standaardisatie nodig, wat ervoor zorgt
dat de scores per criteria worden omgezet naar een schaal tussen nul en één.
De volgende stap in het MCA proces is het toekennen van gewichten aan de
verschillende criteria. Dit gewicht geeft het relatieve belang weer dat aan
een criterium wordt gehecht in vergelijking met een ander criterium. Met
andere woorden, hoeveel men van het ene criterium wil opgeven om een
ander criterium juist te verbeteren. Het toekennen van gewichten aan de
criteria is het meest complexe onderdeel van een MCA en tevens een van
de belangrijkste onderdelen. Door het toekennen van verschillende wegingen
kunnen er verschillende scenario’s worden doorlopen.
Uiteindelijk kan door het vermenigvuldigen van de gestandaardiseerde criterium scores met de wegingen de uiteindelijke rangorde van alternatieven worden bepaald. Per technologie komt er namelijk één waarde uit, die gemakkelijk
te vergelijken is met de andere scores van de technologiën. Echter moet hierna
nog wel een gevoeligheidsanalyse worden toegepast om de robuustheid van de
scores en de rangorde van technologiën te bepalen. Idealiter is er geen sprake van
onzekerheden, echter is in de realiteit altijd sprake van onzekerheid. In de eerste
plaats wordt er gekeken naar de onzekerheden in de feitelijke criteriumscores.
Hierbij gaat het om de meetonzekerheden of om toekomstige vorderingen in de
technologie die de huidige criteriumscores kunnen beı̈nvloeden. Door het speci7
ficeren van een betrouwbaarheidsinterval met minimum- en maximumwaarden
voor de scores kan er vervolgens wel een uitspraak gedaan worden over de betrouwbaarheid. Ten tweede dient er ook gekeken te worden naar de invloed van
de wegingen, wat terug komt bij de scenario’s door combinaties van verschillende
wegingen toe te passen.
1.4
Citeria
De eerder genoemde technologiën zullen beoordeeld worden op een set van
criteria, zoals beschreven hieronder. Deze criteria omvatten de belangrijkste
aspecten waarop de technologie moet beoordeeld worden. Deze criteria zijn
opgesteld in samenspraak met KIEN en zullen worden beoordeeld met behulp
van een literatuurstudie. Tevens zal per criteria worden aangegeven of het om
een kwantitatieve of kwalitatieve beoordeling gaat.
Kosten
Een belangrijk aspect voor de succesvolle toepassing en diffusie van een technologie zijn de kosten. Om een goed beeld te krijgen van de kosten die verbonden
zijn aan een technologie kunnen verschillende criteria worden gebruikt. Voor
deze studie is gekozen om de investeringskosten uit te zetten per vermogenseenheid, in $/kW, en om de kosten uit te zetten per energie eenheid per cycle,
in $/kWh per cycle. Van de kosten zal dus een kwantitatieve inschatting van
gemaakt worden. De investeringskosten relateren aan de eenmalige investering
die gedaan dient te worden om de technologie in operatie te brengen. Door
dit uit te zetten tegenover het vermogen, krijgt men een parameter die van
belang is met name wanneer het vermogen van een installatie leidend is. De
kosten per kWh per cycle is gedefineerd als de kosten per eenheid van energie
gedeeld door de cycle life 1 en is een belangrijke paramter die het beste aansluit
om vergelijkingen te treffen tussen technologiën die frequent op- en ontladen.
Hiermee worden lage investeringskosten gekoppeld aan levensduur van een applicatie. Kosten zoals onderhoudskosten, vervangingskosten en gebruikerskosten
zijn niet meegenomen omdat gedegen en betrouwbare informatie hierover niet
aanwezig is voor alle systemen. Indien mogelijk wordt er wel een uitsplitsing
gemaakt van de kosten, maar deze worden niet meegenomen in de MCA. Zo
kunnen de kosten worden uitgesplitst naar de investeringskosten, in $/kWh,
naar de kosten gerelateerd aan het omzetten van het vermogen - bijvoorbeeld
van DC naar AC, kosten gerelateerd aan het balanceren van de output energie
of de standaard operatie en onhoudskosten, allen in $/kW.
Efficiëntie
De round trip efficiëntie van alle EES zullen kwantitatief worden vergeleken,
waarbij zal worden gekeken naar het gehele proces, van elektriciteit naar een
tijdelijke opslag vorm en weer terug naar elektriciteit.
1 Cycle life is gedefinieerd als het nummer van gehele op- en ontladen cycli een batterij kan
hebben voordat de nominale capaciteit is vervallen tot 80 procent van zijn originele capaciteit.
8
Technologie fase
Met de fase van de technologie zal een kwalitatieve inschatting gemaakt worden
waarbij gekeken zal worden naar de volwassenheid van de technologie. Hierbij
wordt gekeken of de technologie als succesvol is geı̈mplementeerd en commercieel
haalbaar is bewezen, of dat de technologie nog in een niche fase zit. In totaal
zullen er vijf fases worden onderscheiden, namelijk: i) research and development;
ii) demonstratie; iii) implementatie, vi) diffusie en v) commercieel volwassen en
deze worden gerangschikt van - - tot ++.
Power quality
Met power quality wordt gekeken naar de kwaliteit van het geleverde vermogen,
naar de synchronisatie van de voltage, de frequentie en de fase zodat elektrische
systemen optimaal functioneren. De beoordeling van EES op power quality
zal daarom gericht zijn op de prestaties van de EES om de power quality van
het net te verbeteren, omdat deze niet altijd optimaal is ingeval van duurzaam
opge-werkte energie met bijvoorbeeld zonnepanelen of windmolens. Ook de
beoordeling van deze criteria zal gerangschikt worden van - - tot ++.
Energie management
Energie management is een concept waarbij wordt gekeken naar het optimaliseren van het verbruik en aanbod van energie door middel van load leveling, peak
shifting of load following. De beoordeling van EES op energie management zal
zich richten op de prestaties van de EES om hieraan bij te dragen, wederom
gerangschikt op een schaal van - - tot ++.
Milieu
De impact op het milieu van de betreffende EES zal kwalitatief worden bepaald
en gerangschikt, waarbij wordt gelet op in welke mate de technologie vervuilend
kan zijn voor het milieu, een mogelijke ecologische impact heeft, of vervuilende
stoffen uitstoot tijdens de proces van opslag van de elektriciteit.
1.5
Scenario’s
Het is mogelijk om met verschillende combinaties van wegingen meerdere scenario’s te analysering vanuit hetzelfde startpunt. In dit verslag zullen drie scenario’s worden bekeken, vanuit het oogpunt van kosten, vanuit het oogpunt van
korte termijn energie opslag - hoe goed een bepaalde technologie kan omgaan
met vermogens fluctuaties, frequentie fluqtuaties enpower quality, en laatste
scenario vanuit het oogpunt vanlange termijn energie opslag - hoe goed een
bepaalde technologie over langere duur en op grotere schaal energie kan opslaan.
9
HOOFDSTUK 2
CHEMISCHE SYSTEMEN
2.1
Power to Gas
Power to gas (P2G) is een manier van het converteren van elektrische energie
naar een gasachtige energie drager. Hierbij wordt elektrische energie omgezet
naar waterstof of verder geconverteerd met behulp van koolstofdioxide naar
methaan door middel van een proces genaamd methaneren. Na de omzetting van
elektrische energie naar H2 kan dit worden opgeslagen in het gasnet of worden
getransporteerd, waarna het weer kan worden omgezet naar elektriciteit. Een
tweede manier is het methaan direct in te voeren in het gasnetwerk, waar het
gemakkelijk kan worden opgeslagen. Het gas kan dan op een ander tijdstip weer
worden omgezet naar elektriciteit. In figuur 2.1 zijn de diverse routes te zien
van P2G. De verschillende P2G installaties hebben een vermogen van tussen
de vier kWe oplopend tot 800 kWe [15]. De toepassing van P2G ligt meer op
wijkniveau tot gebiedsniveau, mogelijk in combinatie met een windpark of een
zonnepanelenpark, vanwege de benodigde investeringen en schaalvoordelen.
Figure 2.1: Overzicht van de diverse routes van Power to Gas
De twee vormen van P2G kunnen direct worden ingevoerd in het bestaande
10
gas infrastructuur, al is dit voor waterstof gelimiteerd. Huidige limieten liggen
rond de twee en vijf volume procent, afhankelijk van het gas netwerk en de
afnemers van gas. Mogelijk kan dit in de toekomst oplopen tot tien volume
procent. Bij de omzetting naar methaan zijn er geen limieten op het invoeren in
het gas netwerk [18]. Een voordeel van P2G is dat het gas ook direct gebruikt
kan worden voor het duurzaam opwekken van warmte, maar dat ligt buiten de
scope van dit onderzoek
2.1.1
Waterstof
Waterstof wordt geproduceerd door middel van elektrolyse volgens vergelijking
2.1. Het gebruikt water kan echter alleen gebruikt worden wanneer de puurheid
van het water hoog is. Daarom moet het water vaak nog worden ontdaan van
mineralen en ionen. De opslag van het waterstof kan op verschillende manieren
gebeuren, zoals in de gecomprimeerde vorm, als gas in hoge druk tanks of terug
te voeren in het net, of als vloeibaar waterstof, waarbij het word afgekoeld naar
-250 graden Celsius en kan worden opgeslagen onder druk in gekoelde tanks.
H2 O(l) → 2H2 (g) + O2 (g)
2.1.2
(2.1)
Methanering
Methaan wordt geproduceerd door de omzetting van koolstofdioxide en waterstof naar methaan en water, volgens vergelijking 2.2. De hoofdreden voor deze
extra stap is de gelimiteerde invoering van waterstof in het gas net. Daarnaast
is methaan een beter gas in termen van energie capaciteit.
CO2 (g) + 4H2 (g) → CH4 (g) + 2H2 O(l)
(2.2)
Vergelijking 2.2 voltrekt in twee stappen. Eerst word de waterstof met de
koolstofdioxide omgezet in monoxide en water 2.3, en daarna word deze monoxide verder omgezet naar methaan volgens vergelijking 2.4.
CO2 (g) + H2 (g) → CO(g) + H2 O(l)
(2.3)
CO(g) + 3H2 (g) → CH4 (g) + H2 O(l)
(2.4)
Kosten
Gedetailleerde informatie over de opbouw van de kosten in de termen van
investeringskosten en exploitatiekosten is nog maar weinig gegeven, aangezien
de meeste projecten met P2G nog in de testfase zitten en de economische
overwegingen nog niet worden geëvalueerd. Een schatting van de initiële
investeringskosten voor waterstof opslag met behulp van P2G liggen in de orde
grootte van 3500 $/kW vanwege de relatief nieuwe fase waarin de technologie
zich bevind. Echter word wel verwacht dat deze kosten uiteindelijk kunnen
dalen naar een waarde van ongeveer 750 $/kW. Wanneer er gekeken wordt per
hoeveelheid energie, liggen de waarden rond de 14 $/kWh, waarbij ook hier de
verwachting is dat dit nog sterk kan dalen [18]. Uiteindelijk liggen de kosten
11
rond de 0,32 g/ kWh - per cycle [26]
De kosten voor P2G waarbij de extra conversie stap naar methaan wordt
gemaakt liggen niet ver van de waterstof kosten af. Huidige kosten liggen rond
de 4200 $/kW, waarbij de verwachting ligt dat deze nog kunnen dalen naar 1200
$/kW binnen een tijdsspanne van tien jaar. De kosten per energie eenheid liggen
momenteel rond de 15 $/kWh, waar hierbij word verwacht dat deze kunnen
dalen naar ongeveer 4 $/kWh [27].Deze reductie in kosten is veelal te verwachten
uit technologische vooruitgang, zoals de integratie van de diverse systemen, wat
de complexiteit verlaagt en de efficiëntie verhoogt, als mede het opstellen van
standaarden voor de controle en communicatie, wat verbeteringen in de planning
te weeg brengt en dus ook de algehele kosten drukt [15]. De kosten per cycle
liggen iets hoger, rond de 0,40 g/ kWh - per cycle [26].
Efficiëntie
Afhankelijk van het drukniveau van het gasnetwerk of het opslagmedium
varieert de efficiëntie van P2G tussen 54 en 77 procent voor waterstof [36].
De conversie terug naar elektriciteit met behulp van een brandstofcel voor
waterstof gaat gepaard met een efficiëntie slag van tussen de 40 en 60 procent,
afhankelijk van het type brandstofcel [16]. Wanneer we tevens mee rekenen dat
de warmte vrij komt bij de conversie terug naar elektriciteit tevens gebruikt
kan worden, is de round trip efficiëntie 62 procent.
De omzetting van elektriciteit via waterstof naar methaan volgens het proces
van methaneren gaat gepaard met een efficiëntie van tussen de 49 en 65 procent
[36]. Voor de conversie van methaan terug naar elektriciteit ligt dit tussen de
40 en 50 procent [14]. Echter, wanneer de conversie van methaan plaats vindt
met behulp van een warmtekrachtkoppeling stijgen deze efficintie waarden tot
wel 80 procent. Dit leidt er toe dat de efficiëntie maximaal rond de 54 procent
is.
Fase technologie
Veel projecten bestaan al die elektriciteit omzetten naar waterstof. Al
sinds 1991 zijn er installaties die in operatie zijn. Van deze systemen is
het geı̈nstalleerd vermogen tussen de 5 kWe en 500 kWe, al zijn er zowel
kleinschaligere en grootschaligere projecten in de planning of demonstratie
fase. Echter, een trend kan worden gespot naar een steeds groter geı̈nstalleerd
vermogen. De locatie van deze projecten speelt zich veelal in Europa of Noord
Amerika af, in totaal zijn deze twee gebieden verantwoordelijk voor 95 procent
van de projecten [15].
Het methaneren van waterstof komt minder voor dan enkel waterstof productie met elektriciteit, al zijn er meerdere projecten in operatie. In Rozenburg
is onlangs een installatie in operatie gegaan met een vermogen van 7 kWe, waarbij 2 m3 methaan word geproduceerd per uur. Dit project word uitgevoerd door
DNV KEMA en Steding, waarbij het gaat om een test van halverwege 2013 tot
2018, gesubsidieerd door de overheid.
12
Power rating
P2G wordt voor waterstof als voor de omzetting naar methaan voornamelijk
gebruikt in grote installaties voor het opslaan van energie voor langere duur,
waarbij de tijdsschaal ligt in uren tot maanden, afhankelijk van de grootte en
de specifieke toepassing. Tevens is de ontlaadtijd van P2G in de orde grootte
van uren, waarbij P2G optimaal wordt gebruikt in situaties waar voor langere
periode energie vraag is. Hierbij kan gedacht worden aan toepassingen zoals
load levelen, load volgen of als reserve capaciteit.
Milieu impact
P2G is een veelbelovende technologie op het gebied van de impact op het milieu, aangezien het product, het gas, een duurzaam product is, die kan worden
opgeslagen in bestaande infrastructuur. De opslag van het waterstof in tanks
heeft ook maar een zeer geringe invloed op het milieu. Daarnaast is komen
bij de reactie met waterstof en methaan weinig schadelijke producten vrij, al
ontbreekt een langdurig wetenschappelijk onderzoek.
13
HOOFDSTUK 3
ELEKTROCHEMISCHE
SYSTEMEN
3.1
Batterijen
Batterijen zijn een waardevolle schakel voor het optimaliseren van elektriciteitsgebruik binnenshuis. De meeste batterijen opereren in een tijdsschaal van tussen
seconden en uren, zoals te zien is in figuur 3.1. Over het algemeen word een
onderscheid gemaakt tussen drie categorien, kort, gemiddeld en lang, met een
ontlaadtijd van respectievelijk seconden tot minuten, minuten tot uren en uren
tot dagen. De categorie van korte ontlaadtijd is voornamelijk geschikt voor het
verbeteren van de kwaliteit van het vermogen en bepaalt de vermogens karakteristieken van de opslag. De gemiddelde categorie kan al compenseren voor
een verschil tussen aanbod en afname op een relatief korte tijdsschaal. De lange
categorie is gericht op het verschuiven van mogelijke opwekking en eventuele
energie arbitragemogelijkheden [21].
Figure 3.1: Overzicht van de diverse technologiën uitgezet tegen de ontlaadtijd
en het vermogen
14
Vier typen veelbelovende batterijen voor elektrische energie opslag zullen
hieronder worden beschreven. Deze zullen zijn: Lood-zuur batterijen (Pb-A),
Lithium-ion batterijen(Li-ion), Natriumzwavel batterijen (Na-S) en Vanadium
redox batterijen (VRB).
3.1.1
Lood-zure Batterijen (Pb-A)
Uitgevonden in 1859, is de Pb-A batterij uitgegroeid tot een van de meest veel
voorkomende batterijen tegenwoordig. De batterij bestaat uit elektrodes van
lood metaal en lood oxide, in een elektrolyt van zwavelzuur. Tijdens het ontladen veranderen beide elektroden in lood sulfaat en het elektrolyt verliest zijn
opgelost zwavelzuur en wordt voornamelijk water. Specifieke eigenschappen
van de lood-zure batterijen zijn dan ook de lage kosten, de technologische volwassenheid, maar ook een lage energie dichtheid en een beperkte cycle life. De
batterijen worden veelal gebruikt voor gericht vermogensgebruik zoals in het
geval noodstroomvoorzieningen en peak shaving1 [21].
Kosten
De kosten van een Pb-A batterijen zijn door de lange periode van ontwikkeling en
de vergevorderde fase aan de lage kant, tussen de 300 en 600 $/kW en tussen de
200 en 400 $/kWh. De kosten per kW zijn opgebouwd uit de capaciteitskosten
van rond de 170 $/kW, en daarnaast nog de kosten gerelateerd aan het omzetten
van het vermogen wat ook rond de 170 $/kW ligt, de kosten voor het balanceren
van installatie wat rond de 70 $/kW ligt en als laatste de operatie en onderhoud
kosten van rond de 22 $/kW [3]. De cycle life van deze batterijen is echter niet
bijzonder groot, tussen 500 en 2000 cycles met gemiddelde rond de 1250 cycles,
waardoor uiteindelijke de kosten per kWh per cycle tussen de 20 en 100 g/ kWh
- per cycle komen te liggen [9].
Efficiëntie
De grootte van Pb-A batterijen in grid gekoppelde energieopslag systemen verschilt, afhankelijk van de rol van de batterij. De grootste Pb-A systeem staat
in California en meet 10 MW en opereert op overall efficiëntie van 72 procent.
Over het gehele spectrum gezien zitten de efficiëntie waarden tussen de 63 en
90 procent [17], maar gemiddeld komen dit type batterijen uit op een waarde
van rond de 82 procent roundtrip efficiëntie [3].
Fase technologie
Pb-A batterijen zijn een van de meest volwassen batterijen en hebben dus al
vele ontwikkelingen en verbeterslagen gekend. Dit heeft ervoor gezorgd dat ze
momenteel veel gebruikt worden en beschikken over goedkope technologie.
Power rating
De toepassing van Pb-A batterijen is beperkt. Pb-A batterijen hebben een
gemiddelde ontlaadtijd van seconden tot uren en een gemiddelde opslag duur van
1 Peak shaving is het nivelleren van de elektriciteitsvraag en daarmee de belasting van een
opweksysteem.
15
tussen de minuten en dagen. Door de beperkte cycle life is dit type voornamelijk
geschikte voor korte, infrequente toepassingen (bijvoorbeeld een keer per dag)
waar de lage energie dichtheid (30-50 Wh/kg) ervoor zorgt dat toepassing binnenhuis moeilijk word, net als voor andere toepassing met beperkte ruimte. De
Pb-A is voornamelijk goed voor de toepassing op ononderbroken vermogens applicaties en korte duur grid verbinding om instabiliteit te corrigeren, gericht dus
op de power quality. Echter zijn er wel commerciële voorbeelden waarbij PbA batterijen worden gebruikt voor het toepassingen van energie management,
zoals een 8,5 MWh systeem in Berlijn of een 4 MWh systeem in Madrid [9].
Milieu impact
De impact op het milieu voor Pb-A batterijen zijn een stuk minder positief.
Bij de productie ervan komen broeikasgassen vrij, er is metaal uitputting en
fossiele brandstoffen worden gebruikt. Dit is voornamelijk het resultaat van de
opwekking van het benodigde lood. Daarnaast is het zuur extreem corrosief en
het lood is zwaar giftig en kan resulteren in een veelvoud van gezondheidsproblemen. Pb-A batterijen worden hiermee ook wel gezien als de meest vervuilende
batterijen ter wereld [23].
3.1.2
Lithium-ion Batterijen (Li-ion)
De karakteristieken van een Li-ion batterij liggen bijna in het tegenovergestelde
van de Pb-A batterijen, met een hoge cycle life, een hoge energie dichtheid,
hoge efficintie waarden en hoge kosten. De reacties in een Li-ion batterij zijn
verschillend dan dat van de meeste cellen, omdat in plaats van een chemische
reactie aan de elektrodes de ladingsoverdracht gebeurt door het invoegen van
ionen in de elektroden
Kosten
De prestaties van de Li-ion batterij komen wel tegen een prijs, die aanzienlijk
zijn, namelijk 1200 tot 4000 $/kW en 600 tot 2500 $/kWh. De hogere kosten
per kW komen voornamelijk voort uit de capaciteitskosten, die liggen rond de
1000 $/kW. De kosten gerelateerd aan het omzetten van het vermogen ligt rond
de 125 $/kW ligt, de kosten voor het balanceren van installatie heeft Li-ion
batterijen niet de operatie en onderhoud kosten liggen rond de 19 $/kW [3]. De
cycle life van Li-ion batterijen is daarentegen wel weer heel goed, met meer dan
10.000 cycles [3], wat erbij draagt dat de kosten per kWh per cycle tussen de
15 en 80 g/ kWh - per cycle komen te liggen [9].
Efficiëntie
Doordat overladen en nevenreacties nauwelijks plaats vinden kan de batterij een
hoge efficiëntie halen van meer dan 90 procent [21]. Echter zorgen deze eigenschappen er wel voor dat een complexe controle systeem nodig is om overladen
te voorkomen, omdat overladen gelijk omslaat in oververhitting en mogelijk
falen van de batterij. De roundtrip efficiënties liggen uiteindelijk tussen 85 en
95 procent en gemiddeld rond de 90 procent [3].
16
Fase technologie
In contrast met Pb-A batterijen zijn Li-ion batterijen een recente technologische ontwikkeling, waarbij de eerste commerciële versie pas in 1960 werd
geı̈ntroduceerd door Sony. De batterij wordt echter al steeds meer geadopteerd
vanwege de hoge energie dichtheid en veelal toegepast in consumentenelektronica. De Li-ion batterij is relatief vrij vergevorderd, al is de toepassing voor
grootschalig gebruik zoals energie opslag in huizen in de implementatie fase [9].
Power rating
Qua toepassing ligt de Li-ion batterij dicht bij de toepassingen van de Pb-A
batterij. Echter, de Li-ion batterij overtreft de prestaties van de Pb-A batterij op bijna alle vlakken, behalve in volwassenheid van de technologie en de
kosten van de batterij. De energie dichtheid van de batterij ligt rond de 200
Wh/kg en de cycle life is bijzonder hoog, tot wel 10.000 cycles. De Li-ion batterij kent een opslag duur van tussen minuten en dagen en een ontlaadtijd van
minuten tot uren.De aansluiting van Li-ion batterijen op het grid is ook pas
een recente ontwikkeling, waarbij het huidig maximum ligt rond de 36 MW,
voornamelijk gericht op net stabiliteit bij de opwekking met duurzame energie
technologien[21].
Milieu impact
De impact op het milieu voor Li-ion batterijen is een stuk positiever dan voor
Pb-A batterijen. De impact op het milieu is relatief klein, onder andere omdat
de hoeveel lithium per batterij relatief laag is, 0.007 kg per kg Li-ion batterij
en daarmee ondanks dat dit proces een intensief proces is, maar geringe invloed
heeft. De grootste impact komt voort uit de productie van de batterij door de
aanvoer van de benodigde metaal en de proces energie die in de batterij gaat
[25].
3.1.3
Natriumzwavel Batterijen (Na-S)
Ook de Na-S batterijen zijn een relatief nieuwe batterij technologie, waarbij de
ontwikkeling in de veel landen plaats vond tussen de 1960 en 1990. De ontwikkeling van Na-S batterijen die geschikt zijn voor grootschalig netwerk toepassingen
is exponentieel gegroeid, en is tevens sterk gegroeid op het gebied van implementatie voor duurzame energie toepassingen en netwerk ondersteunende functies
[13]. Het principe van een Na-S batterij werkt met een vloeibaar natrium elektrode en een vloeibaar zwavel elektrode, gescheiden door een vaste beta alumina
elektrolyt dat alleen positieve natrium ionen door laat tijdens het op- en ontladen, met temperaturen tussen de 300 en 350 graden Celsius.
Kosten
De kosten van de Na-S batterijen zijn gemiddeld, tussen de 500 en 1500 $/kW
en tussen de 300 en 500 $/kWh, wat aan de lage kant is voor batterijen. Echter
kennen Na-S batterijen vrij lage cyle life waarden, van tussen de 2500 en 5000,
gemiddeld rond de 3300 [3]. Dit zorgt voor kosten per kWh per cycle van tussen
de 8 en 20 g/ kWh - per cycle komen te liggen [9]. De opbouw van de kosten
17
voor deze batterij begint bij de capaciteits kosten van rond de 250 $/kW in
een bereik van de 180 tot 700 $/kW, en daarnaast de kosten gerelateerd aan
het omzetten van het vermogen van rond de 170 $/kW ligt, de kosten voor het
balanceren van installatie rond de 50 $/kW en de operatie en onderhoud kosten
liggen rond de 50 $/kW [3]
Efficiëntie
Het spectrum van de efficiëntie van Na-S batterijen is vrij breed, met waarden
van tussen de 71 en 90 procent, afhankelijk va de omstandigheden. Echter ligt
het gros van de waarden tussen de 79 en 83 procent efficiëntie [3].
Fase technologie
Het is de enige batterij die de kwalificatie ‘volledig capabel en redelijk’ krijgt
van de ESA voor zowel vermogens- als energy applicaties dat een indicatie geeft
dat dit een waardevolle technologie kan worden in netwerk-opslag toepassingen
[21]
Power rating
Eigenschappen van de Na-S batterij zijn een hoge cycle life van rond de 2500 cycles, hoge energie dichtheid in de orde grootte van 150 - 230 Wh/kg, een redelijk
goede efficiëntie en een hoog puls vermogen. De Na-S batterij is vanwege zijn
tijdschaal, wat gaat tot uren, geschikt voor medium duur netwerk applicaties.
De hoge cycle life, hoge energie en vermogens dichtheid, redelijke kosten en lage
milieu impact zorgen ervoor dat de Na-S batterij diverse energie opslag rollen
kan gaan vervullen. Enkel de opschaalbaarheid van dit type batterij is een gebied waar nog het nodig werk verzet kan worden [28]. De opslag duur is in de
orde van seconden tot uren en kent ook een ontlaadtijd van seconden tot uren.
De gemiddelde grootte van Na-S batterijen zitten tussen de 50 kW en 8 MW.
Tussen 1998 en 2010 is het totaal genstalleerd vermogen enorm toegenomen van
10 MW naar 300 MW. De grootste installatie heeft een nominaal vermogen van
34 MW en is gekoppeld aan een 51 MW wind park voor het creëren van uitvoer
stabiliteit van elektriciteit [21].
Milieu impact
De Na-S batterijen kent een relatief lage milieu impact doordat de batterij veilig
is en weinig schadelijke stoffen erin verwerkt zitten. Daarom is de batterij ook
bij het geval van een defect weinig milieu belastend.
3.1.4
Vanadium Redox Batterijen (VRB)
De VRB is een andere categorie dan de eerder beschreven batterijen aangezien
het een flow batterij is. In een dergelijke batterij zijn twee vloeibare elektrolyten opgeslagen in aparte tanks wat twee half-cellen creeërt. De batterij
werk door het circuleren van de half-cel elektrolyten door een membraam wat
enkel H + ionen door laat, wat uiteindelijk zorgt voor een redox reactie wat zorgt
voor elektrische stroom. De karakteristieke eigenschappen van de VRB zijn een
enorm grote cycle life, onafhankelijke energie en vermogen door de gescheiden
18
opstelling, gemiddeld tot lage energie dichtheid, gemiddelde efficiëntie waarden,
gemiddelde kosten en geen zelfontlading [21].
Kosten
De kosten liggen tussen de 600 en 1500 $/kW en tussen de 150 en 1000 $/kWh.
De kosten per kW zijn tussen de 400 $/kW en 800 $/kW, opgebouwd uit capaciteitskosten, rond de 270 $/kW aan conversie kosten, ongeveer 60$/kW aan
het balanceren van de installatie en rond de 40$/kW voor de operatie en onderhoud van de batterij. De gemiddelde cycle life van VRB zijn het hoogste ten
opzichte van de vier beschreven type batterijen, met een gemiddelde cycle life
van rond de 13.000 [3], wat ervoor zorgt dat de kosten per cycle enorm drukt.
Uiteindelijk komen deze kosten net op ongeveer 5 tot 80 g/ kWh - per cycle [9]
Efficiëntie
Efficiënties van een VRB kunnen oplopen tot 85 procent [9], maar het gros zit
echter een stuk lager. Het spectrum aan efficiënties ligt voornamelijk tussen de
70 en 80 procent, met een gemiddelde van 75 procent efficiëntie.
Fase technologie
VRB installaties zijn nog maar weinig in gebruik en van kleine schaal. De
grootste opstelling in gebruik is van 4 MW, wederom in combinatie met een
windpark voor het stabiliseren van het de elektriciteitsproductie. Ondanks de
huidige projecten in operatie is VRB nog niet een technologie die commercieel
haalbaar is.
Power rating
VRB kent een opslag duur van tussen de uren en maanden en een ontlaadtijd
van tussen de seconden en uren en wordt voornamelijk voor het gebruik van
belasting regeling, het verzorgen van vermogen op afgelegen plekken, het stabiliseren van duurzame energie opwekking en het bijspringen bij ononderbroken
stroomvoorziening [4]. De toepassingen voor VRB liggen voornamelijk op gecentraliseerde, grote schaal, langdurige opslag, aangezien VRB de nodige onderhoud nodig heeft, onder andere voor de pompen die de elektrolyt rond pompen.
Daarnaast zorgt de relatief lage energie dichtheid ervoor dat de voornamelijk
toepassing buitenhuis is. VRB is verder gemakkelijk op te schalen, voordelig
voor grootschalige opslag. Functies van de VRB zijn dan onder andere gericht
op power quality en peak shaving.
Milieu impact
Doordat de VRB nog niet lang in ontwikkeling is, is het lastig om langdurige
informatie te geven over de impact die de batterij op het milieu heeft. Wat
wel gezegd kan worden is dat de batterij relatief duurzaam is omdat het gebruikt maakt van lichtere materialen, wat een grote positieve impact heeft op
de bijdrage aan het milieu tijdens de productiefase. Ten opzichte van de Pb-A
batterijen is er ongeveer drie keer zo weinig energie nodig tijdens de productie en
recycling fase, is het de helft minder belastend voor de broeikaseffect en draagt
19
het tot vier keer minder bij aan de verzuring van het milieu. De voornaamste
uitstoot van CO2 komt door de productie van de benodigde materialen voor
VRB, wat voornamelijk de staal productie betreft [32].
3.2
Electrochemical double layer capacitors
Electrochemical double layer capacitors (EDLCs), ook wel super condensatoren
genoemd, zijn elektrochemische condensatoren die een uitzonderlijk hoge energie dichtheid kennen ten opzichte van normale condensatoren, in de orde van
duizenden malen groter dan een grote capaciteit elektrolytische condensator,
tot wel 12.000 F bij 1.2 volt [11]. In conventionele condensatoren wordt energie
opgeslagen door het verwijderen van ladingsdragers, meestal elektronen, van een
metalen plaat en deze aan de andere kant af te voeren. Deze lading scheiding
creert een potentiaal tussen de twee platen, die kunnen worden aangewend in
een extern circuit. In tegenstelling tot traditionele condensatoren hebben ELDCs geen conventioneel diëlektricum. In plaats van twee afzonderlijke platen
gescheiden door een tussenliggende stof, gebruiken deze condensatoren ”platen”
die in feite twee lagen van hetzelfde substraat en de elektrische eigenschappen,
de diëktrische dubbele laag, resulteert in de effectieve scheiding van lading. Het
ontbreken van de noodzaak van een omvangrijke laag diëlektricum maakt de
verpakking van ”platen” met veel grotere oppervlakte wat resulteert in hun
buitengewoon hoge capaciteiten in relatief kleine pakketten [29]. De super condensatoren slaat dus energie op door middel van een elektrolytoplossing tussen
twee vaste geleiders in plaats van de meer gebruikelijke opstelling van een vaste
diëlektricum tussen de elektroden.
Figure 3.2: Overzicht van diverse opslag systemen uitgezet tegen de specifieke
energie en het specifieke vermogen [20]
Kosten
Het voornaamste nadeel aan een ELDC is de beperkte energie dichtheid ten
opzichte van batterijen, wat resulteert in hoge kosten waardoor EDLC maar
20
zelden worden gekozen als opslag systeem [35]. De kosten voor ELDCs zijn
tussen de 100 en 300 $/kW en 300 en 2000 $/kWh. Deze kosten voor de ELDC
worden gedrukt door de enorm hoge cycle life, van wel over de 100.000 cycles,
wat ervoor zorgt dat de kosten per cycle rond de 10 g/kWh per cycle liggen.
Efficiëntie
ELDCs zijn zeer efficiënt, met energie verliezen tijdens het opladen van rond de
10 procent [2]. Tevens kunnen ELDC efficiënter opereren in een bredere range
van temperaturen dan batterijen. Efficiënties worden geschat tussen de 85 tot
wel 98 procent [17].
Fase technologie
De technologie is nog relatief nieuw en dient nog op de lange termijn bewezen
te worden. De toepassing van EDLC moet vooral worden gezocht in applicaties
die vragen om een hoog vermogen of een dissipatie van veel energie in een korte
tijd [29].
Power rating
Gemiddelde installatiegrootte van ELDC’s zijn onder de 300 kW en kennen een
ontlaadtijd van tussen de seconde oplopend tot een uur. Ook de opslag tijd
is in het bereik van seconden tot uren. ELDCs worden voor een veelvoud van
toepassingen gebruikt, van opslag van geheugen, opslag van energie in elektrische voertuigen, voor het verbeteren van de power quality, voor draagbare
stroomvoorzieningen, maar ook in combinatie met duurzame energie. Het grote
voordeel van ELDCs ten opzichte van batterijen is dat batterijen elke drie tot
zeven jaar vervangen dienente worden vanwege het continue cycling - wat een
nadelig effect heeft op de prestaties van de batterij [2]. Een ELDC echter kan
veel beter omgaan met continue cycling, waardoor het slechts eens in de 20 jaar
vervangen hoeft te worden, wat enorm scheelt in de kosten.
Milieu impact
ELDC zijn veelal lichte installaties waarbij het produceren en het recyclen geen
negatieve impact heeft op het milieu. Tevens is de technologie ook maar weinig
milieu belastend, aangezien het geen onderhoud nodig heeft en daarmee het een
minimale impact heeft op het milieu.
21
HOOFDSTUK 4
ELEKTRISCHE SYSTEMEN
4.1
Superconducting magnetic energy storage
Superconducting magnetic energy storage (SMES) systemen werken op drie
principes namelijk i) sommige materialen kunnen een stroom vervoeren zonder
verliezen, ii) elektrische stromen produceren magnetische velden, iii) een magnetisch veld is een vorm van pure energie die kan worden opgeslagen. SMES
slaan energie op in een magnetisch veld, gecreerd door een gelijkstroom te laten
stromen in een supergeleidende spoel, die wordt afgekoeld tot een temperatuur
ver beneden de supergeleidende kritische temperatuur [10]. Door een zeer sterke
stroom op te wekken en die continue te laten lopen, ontstaat een permanent magneetveld dat energie opslaat. Als de stroom vermindert, vloeit het magneetveld
de energie weer voor een deel terug in de stroom. In het gebruik verschilt een
SMES dus van andere opslag technologiën dat een continue circulerende stroom
in de supergeleidende spoel de opslagen energie produceert. Daarnaast, omdat
het enige conversie proces de omzetting van AC naar DC stroom is, zijn er
geen inherente thermodynamische verliezen en kan het dus bijzonder hoge efficiënties halen. Een SMES systeem bestaat typisch gezien uit drie onderdelen,
de supergeleidende spoel, een vermogens conditionering systeem en een cryogeen
gekoelde koelkast, zoals te zien valt in figuur 4.1.
Figure 4.1: Overzicht van een SMES systeem
22
Kosten
Hoewel de kosten voor het vermogen nog mee valt, in de orde grootte van 200
tot 300 $/kW, zijn de kosten per kWh aan de hoge kant, namelijk tussen de
1000 en 10.000 $/kWh. Dit resulteert uiteindelijk door de relatief lange cycle
life tot enigzins acceptabele kosten, rond de 80 g/kWh per cycle [9]. Echter
is het nog onzeker of deze kosten gaan dalen door toekomstige vorderingen in
onderzoek.
Efficiëntie
De opgeslagen energie kan worden terug gevoerd in het net door het ontladen
van de spoel. SMES systemen bijzonder efficiënt en zijn een van de meest
efficiëntie opslag systemen - het op- en ontladen van een SMES gaat gepaard
met 97 procent efficiëntie [9].
Fase technologie
Het onderzoek naar SMES is ontstaan eind jaren 60 in Frankrijk en al snel
daarna ook in de Verenigde Staten. Momenteel wordt er door meerdere bedrijven gebruik gemaakt van SMES en is er wereldwijd meer dan 100 MW aan
SMES systemen in operatie [38]. De gemiddelde grootte van SMES zijn tussen
de 1 en 10 MW met een opslag tijd van minuten tot uren. De voornaamste problemen met het implementeren van SMES systemen zijn de hoge kosten en de
milieu aspecten gerelateerd aan het sterke magnetisch veld dat word opgewekt
[38].
Power rating
Het reactievermogen van SMES is tevens bijzonder snel, in de orde grootte van
milliseconden, maar kan slechts voor een korte periode energie leveren. In tegenstelling tot batterijen is het geleverde vermogen van SMES systemen veel minder
afhankelijk van de ontlaad snelheid. Daarnaast hebben SMES een hoge cycle
life en kan het goed omgaan met situaties waarin een constante, volledig cycling
gevraagd word, wat het uitermate geschikt maakt voor vermogens kwaliteitsbeheer zoals voltage stabiliteit [9].
Milieu impact
Zoals hierboven kort beschreven, zijn voornamelijk het magnetisch veld dat een
probleem kan zijn voor de impact op het milieu, zeker in het geval wanneer
SMES worden opgeschaald. De veelvoorkomende milieu problemen gerelateerd
aan de productie of gebruik van mogelijk schadelijke chemicaliën zijn niet van
toepassing op SMES, het behoeft geen radicale verandering in het landschap
en het opereert geluidloos. Alleen de extreem lage temperaturen die nodig zijn
voor het supergeleidende systeem kunnen een mogelijk veiligheidsrisico vormen
[24].
23
HOOFDSTUK 5
MECHANISCHE SYSTEMEN
5.1
Vliegwielen
Het concept van een vliegwiel om energie in op te slaan is geen nieuw concept. Al
honderden jaren geleden werden puur mechanische vliegwielen gebruikt om machines soepel te laten lopen. Met de huidige technologie en de enorme reeks aan
verbeteringen is het vliegwiel een complex concept geworden met hoogwaardige
toepassingen. De ontwikkeling van sterke, lichte materialen, de invloed van
micro-elektronica en magnetische lagers zorgen voor een enorme toename in
interesse voor vliegwielen [22]. Een aantal voordelen van vliegwielen:
• Hoog vermogensdichtheid
• Hoge energie dichtheid
• Geen capaciteitsverlies
• Korte oplaadtijd
• Opschaalbare technologie en locatieonafhankelijk
• Lage milieu impact
Aandachtsgebieden voor vliegwielsystemen zijn het beheren van de risico’s
en het beheren van de verliezen van een vliegwiel. Aangezien het vliegwiel met
een enorme snelheid rond draait, zorgt dit voor een extreme kracht op het vliegwiel zelf. Echter wordt er al jaren onderzoek gedaan naar het verbeteren van
de veiligheid van het systeem en meerdere projecten hebben inmiddels plaats
gevonden [22]. Om de veiligheid te garanderen, wordt een maximaal toegestane
werkingssnelheid bepaald met behulp van destructieve draaitests en dynamische
belasting analyses. Een veilige rotatiesnelheid kan dan worden bepaald door onder dit maximum te zitten. Een tweede veiligheidsaspect is fault bescherming,
wat inhoud dat gedurende dat het vliegwiel in operatie is met behulp van sensoren de prestaties van het vliegwiel worden geëvalueerd, zoals de structuur, de
elektromagnetische lagers, de motor en de elektronica. Enige afwijking van de
standaard kan direct worden opgevangen en het systeem kan worden uitgezet.
Een derde vorm van bescherming is de behuizing. In geval dat de rotor faalt en
fragmenteert, vangt een behuizing van carbon composiet het vliegwiel op[22].
24
Kosten
De kosten voor een vliegwiel zitten tussen de 250 en 350 $/kW en 1000 tot 5000
$/kWh [9]. De cycle life van vliegwielen is rond de 20.000 cycles, wat de kosten
per kWh per cycle drukt naar ongeveer 15 g.
Efficiëntie
Vliegwiel systemen halen een round trip efficiëntie van 90 tot 95 procent[1]
Fase technologie
Onlangs heeft de Universiteit van Texas een vliegwiel ontwikkeld van 2MW
nominaal vermogen en 360 MJ energie. Huidige toepassingen van vliegwielen
zijn te vinden in het International Space Station, in voertuigen of als krachtbron.
De toepassing in het ISS is voornamelijk gericht op het ontwikkelen van vliegwiel
energie opslag mogelijkheden en in de controle mogelijkheden van het vermogen.
Recentelijke interesses worden verder gestuwd door beperkingen van batterijen,
waar ter vervanging vliegwielen zijn ingezet in het ISS met een capaciteit van
15MJ en een piekvermogen van 4.1 kW [37]. De toepassing van vliegwielen in
voertuigen is er op gericht om de motor op een constante, optimale snelheid
te laten draaien, en daarmee met een maximale efficiëntie, waar het vliegwiel
ondersteunt in het geval dat er voor korte duur extra vermogen nodig is. Een
dergelijk systeem is geı̈mplementeerd in een bus, met een capaciteit van 7,2 MJ
en een vermogen van 150 kW met een vliegwiel van 60 kg [19].
Power rating
Ten opzichte van andere opslag systemen is een groot voordeel van vliegwielen dat ze de capaciteit hebben om hoge vermogenslevels aan te kunnen [5].
De snelle ontlaadtijd van vliegwielen, in de orde grootte van milliseconde tot
minuten en de korte opslagduur, in de orde grootte van seconden tot minuten,
zorgt ervoor dat ze erg geschikt zijn voor het stabiliseren van netwerk frequenties. Huidige systemen hebben een rotatiesnelheid van 110.000 rpm en een
vermogensdichtheid van bijna 12 kW per kilogram. Vliegwiel technologie kan
tevens korte, random fluctuaties opvangen en kan pieken opvangen in de orde
grootte van minuten tot uren in de dagelijkse vraag, waar het overvloedige elektriciteit tijdens daluren kan opvangen worden voor de verhoogde vraag overdag
[7]
Milieu impact
De impact op het milieu van vliegwielen is bijzonder laag, aangezien vliegwielen
geen schadelijke stoffen bevatten. De grootste gevaren voor een vliegwiel liggen
zoals beschreven dan ook niet op het milieu vlak, maar op het veiligheidsaspect.
5.2
Compressed air energy storage
Compressed air energy storage (CAES) is opslag van lucht onder hoge druk,
veelal in de grond met een druk van rond de 40 bar. De elektriciteit drijft
een compressor aan die lucht onder hoge druk opslaat, en wanneer elektriciteit
25
nodig is wordt de hoge druk lucht opgenomen en drijft deze een turbine aan.
Het grote probleem met de opslag van lucht onder hoge druk is dat wanneer
de druk stijgt, de temperatuur tevens stijgt. Adiabatische compressie tot 40
bar gaat gepaard met een temperatuur van bijna 600 graden Celcius. Dit leidt
ertoe dat in de huidige CAES systemen de hete, gecomprimeerde lucht wordt
afgekoeld tijdens het opslag proces. Bij het ontladen koelt de lucht enorm af
door de expansie, en energie is nodig om de lucht op temperatuur te houden.
Sinds de jaren 70 is er onderzoek geweest naar goedkope materialen om de
warmte die bij compressie vrij komt op te slaan. Deze systemen worden ook
wel ACAES genoemd, adiabatische CAES, en de werking is te zien in figuur 5.1
De aanbevolen orde grootte van ACEAS hangt af van het doel van de ACEAS,
maar richtlijnen geven aan dat bij gecentraliseerde opslag rond de 300 MW het
beste geschikt is, voor opslag bij een windmolen of zonnecellen-park is 150 MW
geschikt en voor geı̈soleerde netten is de opslag van rond de 30 MW aanbevolen
[8].
Figure 5.1: Overzicht van het principe van ACAES [8]
Kosten
De kosten zijn per energie eenheid bijzonder laag, in de orde grootte van 2 tot 50
$/kWh en voor het vermogen liggen de kosten tussen de $ 400 en 800 per kW. De
kosten liggen zo laag omdat er ingeval van goede geografische omstandigheden
er weinig infrastructuur hoeft aangelegd te worden. Wanneer een geschikte ondergrond niet aanwezig is, zou het systeem nog kunnen worden uitgevoerd door
bijvoorbeeld het opslag in een tank, maar dit zorgt wel voor kosten stijgingen.
Het systeem is zo ontworpen dat het mogelijk is om dagelijks een cycle te doorlopen en tevens om efficiënt te opereren ook onder partiële belasting condities.
Dit leidt tot kosten van rond de 2 tot 4 g/ kWh per cycle
Efficiëntie
Efficiënties van tussen 70 en 80 procent kunnen worden gehaald [9].
Fase technologie
De technologie van CAES bestaat al geruime tijd, al word ACEAS wat minder
toe gepast doordat het een recentere vinding is. Momenteel zijn er twee ACAES
26
installaties, een in Duitsland met een vermogen van 290 MW en een in de USA
met een vermogen van 110 MW. Daarnaast staan er een aantal CAES installaties
op de planning.
Power rating
Opslag van energie in ACEAS of CEAS kennen een lange opslag tijd van uren
tot maanden zonder degradatie van energie en een relatief lange ontlaadt tijd
die loopt in uren tot zelfs dagen. ACEAS is vanwege de benodigde opslag ruimte
meer geschikt voor grotere opslag projecten, en word gekarakteriseerd door hoge
efficiënties, geen CO2 emissies en weinig geografische restricties. ACEAS is
bijzonder geschikt om samen te werken met wind en zonne-energie, gezien de
balancerende capaciteiten en de capaciteit om peak power op te vangen. De
beste markt voor ACEAS wordt zelfs geschat op Nederland, vanwege de dure
peakload technologiën, de vele warmtekracht koppelingen die zorgen voor large
daluren tarieven voor elektriciteit en de beperkte mogelijkheden voor andere
vormen van grootschalige opslag [8].
Milieu impact
Het grote nadeel van CEAS is dat het systeem sterk geografisch afhankelijk
is, waardoor het enkel economisch haalbaar wordt in gebieden waar energie
centrales nabij mijnen, lege gasvelden of cavernes liggen [9].
5.3
Hydro-elektrische energie opslag
Energie opslag in de vorm van Hydro-installaties is een veel-toegepaste vorm
in landen zoals Noorwegen, Zweden of Zwitserland, vanwege het natuurlijke
hoogteverschil waarin energie kan worden opgeslagen. Voordelen van Hydroelektrische energie opslag is dat Hydro opslag flexibel vermogen kan leveren
en het een korte opstarttijd heeft, waarmee het goed toegepast kan worden
als reserve capaciteit, aangezien het tevens gebruikt kan worden bij een black
start, wat inhoud dat het systeem geen elektriciteit nodig heeft om te starten.
Verder heeft het de mogelijkheid om de frequentie waarmee het vermogen wordt
opgewerkt aan te passen aan de gewenste frequentie [12].
Kosten
Gemiddelde kosten van Hydro energie opslag zit tussen de 600 en 2000 $/kW
en tussen de 5 en 100 $/kWh. Deze variaties zijn te danken aan een veelvoud
aan factoren zoals onder andere het hoogteverschil, de kosten van het eventueel
uitgraven van de opslag plek, de tunnelbouw en de dam bouw [34]. Deze kosten
per cycle zijn het laagst wanneer je naar alle technologiën kijkt, namelijk rond
de 1 g/ kWh per cycle. Echter zijn het de enorme investeringskosten en de lange
aanlooptijd voor een dergelijk project die grootschalige implementatie van deze
technologie tegen houden.
27
Efficiëntie
Gemiddelde round trip efficiënties liggen tussen de 70 en 85 procent wanneer je
verdamping en conversie verliezen meeneemt.
Fase technologie
De technologie is al zeer bekend en wordt in meerdere landen ter wereld
toegepast, daar waar het natuurlijk hoogteverschil deze technologie een voordeel
geeft.
Power rating
Gemiddelde orde grootte van dergelijk systemen zitten tussen de 100 en 5000
MW, en het gros zit rond de 1000 MW. Hydro-power systemen hebben een ontlaadtijd van uren tot en met dagen en ook de opslag duur is uren tot maanden.
Figure 5.2: Doorsnee weergave van het energie-eiland
Milieu impact
In Nederland bestaat een dergelijke hoogte verschil niet, maar dit is wel kunstmatig te creëren. Al in 1981 is een plan gepresenteerd onder de naam ’Plan
Lievense’, waarbij het Markermeer werd ingezet als buffer voor energie opslag,
door het meer te vullen met water ingeval van overproductie en leeg te laten
wanneer een onderproductie van elektriciteit zou zijn. Dit plan heeft echter
ernstige ecologische gevolgen voor het landschap en zou het een bedreiging zijn
voor de veiligheid. In geval van een dijkdoorbraak zouden de Lievense bekken
Amsterdam onder water zetten. Echter is er nieuw leven in het plan geblazen
door het principe om te keren. Door het bouwen van een energie-eiland voor de
kust van Nederland is het mogelijk om een stuk zee te isoleren. Door een stuk
zee leeg te pompen met centrales in de daluren, kan overtollige energie worden
’opgeslagen’. Dit hoogte verschil kan dan worden gebruikt tijdens piek uren,
waar energie worden opgewekt met behulp van turbines door het meer te laten
28
vol stromen. Een doorsnee weergave is te zien in figuur 5.2. De capaciteit is
afhankelijk van de grootte van het project, maar ingeval van een oppervlakte
van 40 km2 en een verval van tussen de 32 en 40 meter zou het meer een
vermogen kunnen leveren van 1500 MW en een totale opslag van ongeveer 20
GWh. Verder zou dit eiland kunnen dienen voor een veelheid van toepassingen,
zoals wind molen park, als locatie voor een zonnecollectorenpark, eventuele
haven faciliteiten en aardgasopslag [31]. Eerdere negatieve argumenten zoals
een bedreiging voor de veiligheid en de invloed op de ecologie gelden nu in veel
mindere mate.
29
HOOFDSTUK 6
THERMISCHE SYSTEMEN
Opslag van elektrische energie in thermische systemen vraagt inherent om een
conversieslag. Veel verschillende vormen van thermische energie opslag bestaan,
echter zijn voor de conversie van elektriciteit naar thermische energie en weer
terug maar weinig systemen geschikt. Een onderscheid kan worden gemaakt in
twee categoriën, namelijk thermische energie opslag met hoge temperaturen en
met lage temperaturen. Bij hoge temperaturen kan gedacht worden aan CSP,
concentrated solar power in combinatie met gesmolten zout opslag, waarbij temperaturen kunnen oplopen tot 600 graden Celsius. Interessant voor opslag voor
kleinschaliger gebruik en in de gebouwde omgeving is de opslag in ondergrondse
thermische elektriciteit opslag (UTES). Deze vorm van energie opslag wordt al
relatief veel toegepast in Nederland.
6.1
Thermische elektriciteit opslag
UTES, van het Engelse underground thermal energy storage, komt voor in
twee vormen, ondergronds in aquifers (ATES) of met boorputten (BTES). De
verschillende vormen worden weergegeven in figuur 6.1. Bij BTES wordt in
een indirecte manier met behulp van een warmtewisselaar energie opgeslagen
in de grond, bij ATES wordt de warmte opgeslagen in het grond water. Deze
systemen worden ook wel warmte-koude-opslag genoemd, of WKO. Tijdens de
zomer wordt koude onthaald uit de grond voor koel processen en kan daarmee
warmte worden onttrokken uit gebouwen en dit weer terug in de grond te
stoppen. Tijdens de winter kan deze warmte weer worden onthaald voor op
het opwarmen van gebouwen. Voordelen van UTES zijn dat het een bewezen
technologie betreft, het is economisch haalbaar en de integratie in de gebouwde
omgeving is mogelijk.
Gemiddeld gezien is de koude sectie van de UTES tussen de 5 en 8 graden
Celsius en de warme sectie tussen de 15 en 20 graden Celsius. De koude sectie
is prima geschikt door directe koeling, maar voor verwarming dient de temperatuur van de warme sectie nog worden opgehoogd naar ongeveer 35 graden
[33]. Een essentieel onderdeel van UTES is de warmte pomp, weergegeven in
figuur 6.2. Deze warmte pomp is nodig om het lage temperatuur, warme grond
water te kunnen ophogen om te gebruiken als verwarming. Dit systeem, met
30
Figure 6.1: Overzicht van het principe van ATES (links) en BTES (rechts)
dezelfde werking als dat in een koelkast, werkte op het principe dat de dampdruk
van een vloeistof stijgt met de temperatuur. Bij de verdamper wordt een lage
druk wordt gerealiseerd, wat resulteert een lage verdampingstemperatuur. Aan
de condensator kant wordt een hoge druk is gerealiseerd en dus een hoge condensator temperatuur. De compressor is nodig om de hoge druk te genereren,
terwijl de expansie klep ervoor zorgt dat de verdampingsdruk laag blijft.
Figure 6.2: Overzicht van het principe van warmtepomp,
Kosten
De kosten van UTES is rond de 360 tot 650 $/kW, afhankelijk van het opslag
medium, zoals opslag in poreuze media, in een caverne of boorgat. De kosten per
geleverde energie liggen tussen de 20 en de 50 $/kWh, waarbij de uiteindelijke
kosten per cycle ligt rond de 10 gper kWh per cycle [9].
31
Efficiëntie
De totale rondtrip efficiëncy van UTES is rond de 75 a 80 procent wanneer men
kijkt naar de thermische efficiëntie. Echter, wanneer we kijken naar de conversie
terug naar elektriciteit vanuit de warmte met bijvoorbeeld thermo-elektrische
generatoren verlaagt dit drastisch de efficiëntie. De roundtrip efficiëntie word
dan tussen de 30 en 60 procent.
Fase technologie
Een gemiddelde grootte van een UTES is momenteel tussen de twee en vijf MW
per unit waar de technologie nog wel in de ontwikkelingsfase is, en de eerste
commerciële systemen in 2014 worden verwacht. UTES voor thermisch gebruik
wordt echter al op grote schaal toegepast, onder meer in Nederland waaronder
een project op de campus van de Technische Universiteit Eindhoven waar een
systeem van 36 pijpen liggen met een gezamenlijk vermogen van 20 MW voor
een investering van $14 miljoen
Power rating
Voordelen zijn dat het systeem een respons tijd heeft van slechts minuten, door
het gebruikte opslagmedium van kiezels lage kosten heeft en dit opslag medium
in veelvoud aanwezig is op de aarde. Daarnaast kent UTES een relatief hoge
energie dichtheid van rond de 50 kWh per kubieke meter. De gemiddelde ontladingstijd zit in de orde schaal van uren en een gemiddelde opslagtijd van
tussen de minuten en dagen. Deze systemen zijn met name geschikt voor commerciële peak shaving en koeling van grotere gebouwen, en dus het verlagen van
de energie vraag.
Milieu impact
De impact op het milieu van UTES kan worden opgedeeld in vier delen, hydrologische impact, thermische impact, chemische impact en microbiologische
impact. Hydrologische risicoś hebben betrekking op de kwaliteit van het grondwater en daarmee het grondwater niveau, de grond water stroom en soortgelijke
zaken. Hoewel op netto basis UTES geen extractie kent, worden door UTES
wel aanzienlijke verschillen opgewekt in het grond water patroon en kan het
het normale patroon aanzienlijk verstoren. Thermisch gezien heeft een UTES
zelfden een thermische balans, wat betekend dat er meer warmte of koude
wordt onttrokken of terug gestopt, wat leidt tot een aanpassing van het temperatuur niveau in het grondwater. Naast het feit dat dit zorgt voor lagere
efficiënties, worden ook lager gelegen gebruikers van het grondwater negatief
geraakt. Chemisch gezien kunnen er negatieve effecten optreden wanneer verschillende soorten grondwater worden gemixt, of wanneer giftige stoffen per
ongeluk in het water komen, wat tot grote gevolgen voor de gezondheid kan
leiden. Microbiologisch gezien is ook het grondwater een ecosysteem, dat bij
een kleine invloed tot een grote verandering kan leiden. Zeker voor het gebruik
van grondwater voor kraanwater moet goed worden uitgekeken dat deze balans
in ecosysteem niet word verstoord [6].
32
HOOFDSTUK 7
RESULTATEN
In dit hoofdstuk zullen de resultaten van de MCA besproken worden. Allereerst
zal er een overzicht worden gegeven over de beoordeling van de verschillende
technologiën, waarna vervolgens op basis van diverse wegingen drie scenario’s
worden bekeken. Er zal worden afgesloten met een conclusie.
7.1
Technologiën
In figuur 7.1 zijn de verschillende beoordelingen per technologie grafisch weergegeven, gebaseerd op de informatie verstrekt in de vorige hoofdstukken. Per
criteria is een gestandaardiseerde score weergegeven tussen de nul en één. Hierbij
geeft het binnenste punt een score aan van nul, en wanneer de ring tot aan de
buitenkant gevuld is geeft een score weer van één. Hoe meer oppervlak van de
totale ring gekleurd is, des te beter scoort te technologie op alle vlakken. Hierbij
vallen een aantal aspecten op. Allereerst is te zien dat technologiën zoals de NaS batterij en vliegwiel technologie zeer goed scoren op bijna alle aspecten, daar
waar de Na-S batterij een goede allrounder blijkt te zien en vliegwiel technologie
zelfs zeer goed scoort op zes uit de zeven criteria aspecten, waarbij alleen het
energie management niet is besteed aan deze technologie. Dit in contrast met
P2G, zowel voor de variant met methaan als de variant met waterstof waar in
beide gevallen de nadruk en dus de kracht van de technologie ligt in het energie
management gedeelte, als de kosten per kWh per cycle en de milieuvriendelijkheid van de technologie. Verder zijn hydro-elektrische systemen en UTES ook
zeer geschikt voor energie management toepassingen, met als specifiek voordeel
dat deze twee technologiën in een ver gevorderde ontwikkelingsfase zitten. Voor
toepassingen in de power quality zal meer in de hoek moeten worden gezocht
van de batterijen, zoals de Pb-A batterij of de Li-ion batterij, evenals SMES,
EDLCs en in vliegwiel technologie. Het valt tevens op dat deze technologiën
ook zeer efficiënt zijn, allen met waarden tegen de maximale score aan.
7.2
Scenario’s
Op basis van de scores als beschreven in de vorige alinea, kunnen nu verschillende
scenario’s worden geanalyseerd. Dit wordt gedaan door de verschillende criteria
33
Figure 7.1: MCA
waar de technologiën op zijn beoordeeld verschillende wegingen toe te kennen en
hiermee meer of minder nadruk te leggen op de gekozen criteria. Het toekennen
van gewichten aan de criteria kan een zeer gecompliceerd proces zijn, waar bij een
wetenschappelijke MCA meestal een groep van onderzoekers samen zit om deze
wegingen toe te kennen. Er zijn echter ook uitgebreide computer programma’s
die testen welke weging elke criteria dien te krijgen op basis van een soort
vragenlijst, maar in veel gevallen blijven de wegingen een subjectieve ondertoon
hebben. Dit biedt echter ook mogelijkheden om flexibel om te gaan met de
34
wegingen. Namelijk door samen met een klant deze wegingen op te stellen komt
er een dialoog over wat men zoekt in een systeem of wat men belangrijk vind aan
een technologie, en tegen welke kosten. De uitkomst van de wegingen kan dan
tevens inzicht geven in de overtuigingen die mogelijk bijgesteld moeten worden.
7.2.1
Wegingen
Voor dit onderzoek is gekozen om drie scenario’s te onderzoeken, namelijk een
kosten-scenario, een korte termijn energie opslag scenario en een lange termijn
energie opslag scenario. Bij de kosten scenario is de overwegende beslissingsfactor de kosten, zowel de kosten per kW als de kosten per kWh per cycle, waarbij
de overige criteria hieraan ondergeschikt zijn. Bij het lange termijn energie opslag scenario wordt de nadruk gelegd op de eigenschappen van die technologie
die bijdragen aan de energie management eigenschappen alsmede de kosten per
kWh per cycle, aangezien dit de belangrijkste factor van de kosten is op dit
vlak. Bij de korte termijn energie opslag scenario wordt er gekeken naar de
eigenschappen van de technologiën op het gebied van power quality alsmede de
kosten per kW. De verschillende wegingen zijn weergegeven in tabel 7.1.
Kosten
Korte termijn
Lange termijn
scenario (%)
scenario (%)
scenario (%)
Efficiëntie
10
20
20
Kosten / kW
30
30
0
Kosten / kWh per cycle
30
0
30
Power quality
10
30
0
Energie management
10
0
30
Milieuvriendelijkheid
5
10
10
Fase technologie
5
10
10
100
100
100
Totaal
Table 7.1: Wegingen voor de verschillende scenario’s
Het is te zien dat in het scenario van de kosten, 60% van de waarde van de
uitslag wordt bepaald door de twee criteria gerelateerd aan de kosten, dat in
het val van het scenario over de korte termijn energie opslag 60% wordt bepaald
door de twee criteria gerelateerd aan de power quality en dat in het geval van
het scenario over de lange termijn energie opslag 60% wordt bepaald door de
twee criteria gerelateerd aan de energie management.
7.2.2
Scenario Kosten
In figuur 7.2 zijn de resultaten weergegeven van de MCA na toepassing van de
wegingen zoals beschreven in tabel 7.1. Het is duidelijk dat de verschillen klein
zijn, en daar waar vliegwiel technologie het beste naar voren komt, heeft het
een minimale voorsprong op CAES, EDLC, Hydro, UTES en de Na-S batterij.
35
Figure 7.2: Resultaat van het kosten scenario
Daarnaast is er een 20% onzekerheidsmarge meegenomen, die laat zien dat in
alle gevallen deze volgorde nog kan omdraaien. Na deze top zes valt er een gat en
komen hierna de duurdere technologiën, namelijk P2G, de overige batterijen, en
SMES - wat nog een relatief nieuwe technologie is. Het valt op dat de verwachte
Pb-A batterij, die toch al lang in omloop is en bijzonder geoptimaliseerd is, niet
terug komt in de top qua kosten. Dit heeft te maken zoals te zien is in figuur 7.3
dat daar waar de hoger gerankte technologiën op zowel de kosten per kW als de
kosten per kWh per cycle goed scoren, dit niet opgaat voor de Pb-A batterij, die
enkel goed - maar wel als een van de beste - scoort op kosten per kW. Ditzelfde
is waar voor SMES, die geen punten behaalt op de kosten per kWh per cycle en
daarmee achterblijft. Voor P2G geldt het omgekeerde verhaal. De goede score
op het gebied van kosten per kWh per cycle - zelfs een van de beste scores wordt niet aangevuld met goede kosten per kW, waardoor het achterblijft in de
rangschikking.
Figure 7.3: Het resultaat van het kosten scenario uitgesplitst per criteria
36
7.2.3
Scenario Korte termijn energie opslag
Wanneer de focus van de wegingen worden gelegd naar de eigenschappen om
goed te kunnen inspelen op de power quality, waarbij ook de kosten per kW van
belang zijn, verandert de rangorde aanzienlijk, zoals is te zien in figuur 7.4. Te
zien van dat vliegwiel technologie met een ruime voorsprong de meest geschikte
technologie is, maar ook aan het maximum is van zijn kunnen, gezien de 20%
error balk die voornamelijk naar beneden gaat. Echter is dit genoeg om zowel
SMES en EDLC voor te blijven, die ongeveer gelijk scoren. Na deze top drie
komen de batterijen in het plaatje, waarbij er ook een minimaal verschil is tussen
de drie best presterende batterijen, namelijk Pb-A batterijen, Li-ion batterijen
en de Na-S batterij. De VRB batterij scoort behoorlijk minder. Technologiën
die aanzienlijk minder geschikt zijn voor power quality zijn de grootschaligere
systemen, zoals CAES, Hydro elektrische installaties, UTES en P2G. De rede-
Figure 7.4: Resultaat van het power quality scenario
nen voor de rangorde zijn verschillend van aard, zoals te zien is in figuur 7.5.
Voor zowel de methaan versie als de waterstof versie van P2G scoren ze niet of
nauwelijks op de eigenschappen om om te gaan met power quality als de kosten
per kW. De andere technologiën zoals CAES, Hydro en UTES scoren met name
slecht op enkel de eigenschap om om te gaan met power quality, daar waar de
scores voor kosten per kW nog acceptabel zijn. Wanneer we kijken naar de
batterijen valt het op dat de Li-ion batterij relatief goed scoort, ondanks de
lage score voor de kosten per kW, wat wel wordt gecompenseerd door de goede
eigenschappen van deze batterij om om te gaan met power quality. Binnen de
top drie is het te zien dat SMES en EDLC nagenoeg dezelfde scores hebben op
de criteria, met een kleine variatie in de fase van de technologie en de milieu
impact. Op deze twee gebieden is het dan ook dat vliegwiel technologie haar
voordeel behaalt boven SMES en EDLC, namelijk een lage milieu impact en een
relatief ontwikkelde technologie.
37
Figure 7.5: Het resultaat van het power quality scenario uitgesplitst per criteria
7.2.4
Scenario Lange termijn energie opslag
De derde en laatste scenario betreft de lange termijn energie opslag systemen.
De wegingen uit table 7.1 leggen nu nadruk op de eigenschappen om om te
gaan met energie management en op de kosten per kWh per cycle. Nu is het
een grotendeels omgekeerd verhaal ten opzichte van de wegingen van power
quality, waarbij in dit geval P2G en Hydro elektrische technologie de top drie
vormen. Net als in het geval van het korte termijn energie opslag scenario is er
bij de best presenterende systemen maar weinig ruimte voor verbetering en de
grootste onzekerheid is naar beneden. Na deze top drie komt de Na-S batterij,
CAES en UTES, waarbij de prestatie van de Na-S batterij opmerkelijk mag
noemen gezien de omvang van de systemen waarmee het op gelijke voet treed.
De rangschikking wordt afgesloten door de overige batterijen en de SMES en
de EDLCs die allen een stuk minder presteren. Wanneer gekeken word naar de
invloed van de verschillende criteria zoals weergegeven in figuur 7.7 is te zien dat
de kleine voorsprong van Hydro elektrische systemen komt door de relatief goed
ontwikkelde technologie, daar waar die bij P2G nog in de kinderschoenen staat.
Dit betekend dus ook dat P2G zich kan ontwikkelen tot een beter alternatief
in de toekomst. Verder blijkt er een algemene trend dat de systemen die goed
scoren in de totale ranking, goed scoren op de gebieden waar ook de wegingen op
zijn geconcentreerd. Verder blijken slecht presterende technologiën zoals Pb-A
batterijen en SMES nauwelijks punten te halen op deze aspecten.
38
Figure 7.6: Resultaat van het energie management scenario
Figure 7.7: Het resultaat van het energie management scenario uitgesplitst per
criteria
39
HOOFDSTUK 8
CONCLUSIE
In deze studie hebben we gezien dat er veel verschillende mogelijkheden en
technologiën bestaan om elektriciteit op te slaan. Door het om te zetten
naar verschillende vormen van energie kunnen in diverse situaties voor diverse
doeleinde energie worden opgeslagen. Echter kennen de diverse systemen
verschillende eigenschappen, waardoor een 1-op-1 vergelijking niet mogelijk is.
Een MCA bood hiervoor een goede uitkomst om de diverse technologiën naast
elkaar te leggen en langs dezelfde criteria op een gestandaardiseerde schaal te
beoordelen. Door deze beoordelingen te wegen en op te tellen kan aan elke
technologie een score gekoppeld worden die informatie geeft over de prestatie
van de technologie ten opzichte van de andere technologiën.
Het doel van dit onderzoek was om inzicht te verkrijgen in de verschillende
energie opslag systemen die gebruikt kunnen worden in relatie tot de 0energieomgeving en een oordeel te kunnen vellen over de toepasbaarheid in deze
omgeving. Hier bestaat geen één antwoord op, en kunnen de scores van deze
MCA niet zonder context worden toegepast. De belangrijkste eigenschap van
deze MCA is dat de scores van technologiën relatief zijn en dat een hogere score
enkel betekend dat de ene technologie relatief beter presteert op deze criteria
onder bepaalde wegingen dan de andere onderzochte technologiën. Wanneer we
dit in het achterhoofd houden kunnen er een aantal conclusies worden getrokken.
Van de beschreven technologiën zijn de Na-S batterij en vliegwiel technologie
het meest compleet, waarbij vliegwiel technologie nagenoeg perfect scoort op
alle criteria behalve op het criteria energie management. Daar staat tegenover
dat technologiën zoals P2G, SMES en UTES vrij gespecialiseerd zijn in al dan
niet energie management dan wel power quality. Wanneer er gekeken wordt
naar het scenario kosten zijn er meerdere technologiën die het goed doen,
zoals vliegwiel technologie, ELDC, CAES, Hydro technologie en UTES. Dit
betekend dat enkel kosten geen doorslaggevend argument is om te kiezen voor
een bepaalde technologie. Wanneer er gekeken wordt naar het scenario korte
termijn energie opslag is een duidelijke top drie zichtbaar, aangevoerd door
vliegwiel technologie. Dit is een verrassende uitkomst aangezien het gebruik van
vliegwiel technologie in huizen voor het opvangen van power quality momenteel
gedaan wordt door batterijen. Daarnaast zijn ook de nummer twee en drie
40
geen batterijen, maar SMES en EDLC, relatief nieuwe en dus veelbelovende
technologiën. Wanneer er gekeken wordt naar het scenario lange termijn energie
opslag is een duidelijke winst te zien voor Hydro elektrische systemen. Echter
is vanwege de geografische aspecten van Hydro elektrische installaties dit niet
overal toepasbaar, als is het een mogelijkheid om dit op stad of gebiedscontext
toe te passen. Ook P2G, de technologiën die kort na Hydro elektrische systemen
komen, zijn relatief grootschalig van opzet, maar minder geografisch afhankelijk.
Een goede toepassing van energie management is de Na-S batterij, die als een
van de kleinere systemen een goede score behaalt binnen dit scenario. Deze batterij is tevens relatief goed toepasbaar in de context van de gebouwde omgeving.
Naast deze specifieke uitkomsten van deze studie kan er nog een tweede
conclusie worden verbonden aan deze studie. De toepassing van de MCA als
tool om diverse technologiën langs dezelfde meetlat te leggen heeft uitzonderlijk goed gebleken, al zitten er wel een aantal haken en ogen aan. Het grote
voordeel van de MCA is dat het een tool is die de discussie kan openen over de
verschillende beschikbare technologiën en informatie geeft die kan ondersteunen
in een beslissingsproces. Met name de toepassing van een MCA bij een klantinstallateur interactie kan de MCA over diverse technologiën inzicht geven in
de uitkomsten van de keuzes van de klant en kan dit tevens inzicht geven en
feedback over bepaalde overtuigingen wat de klant belangrijk vind. Zo geeft
de MCA direct inzicht in de uitkomsten wat er gebeurt wanneer de wegingen
worden aangepast en geeft dit stof om de discussie te openen over wat belangrijk
wordt geacht en dat wat niet van belang is.
8.1
Discussie
Een dergelijke studie ontgaat niet zonder een paar kritische noten. Zoals eerder
beschreven, is een aspect van deze studie dat de scores in de MCA relatief ten
opzichte van elkaar zijn, en dat een compleet nieuwe technologie deze scores
compleet kan veranderen. Dit komt doordat de scores zijn gestandaardiseerd,
wat essentieel is, maar wat gebeurt ten opzichte van elkaar. Daarnaast zijn er
nog een paar andere zaken wat een woord van aandacht verdient.
Allereerst betreft het de gegevens die gebruikt zijn binnen de MCA. De
gebruikte gegevens op de criteria reflecteren zo goed mogelijk de huidige
status van de technologiën op basis van wetenschappelijk onderzoek, maar
enige afwijking is mogelijk. Daarnaast zijn er voor de criteria verschillende
gegevens aanwezig, waaruit een gemiddelde getrokken dient te worden dat als
uitgangspunt wordt gebruikt binnen de MCA. Dit betekend dat er systemen
kunnen zijn die beter presteren dan nu wordt meegenomen in de MCA. Het is
echter onmogelijk om dit helemaal uit te zoeken, waarnaast ook moet worden
opgemerkt dat deze informatie zeer waarschijnlijk niet bijzonder veel afwijkt
van de gebruikte waarde. Een tweede punt met betrekking tot de gebruikte
gegevens in de MCA is dat het een dwarsdoorsnede is van de huidige staat
van de technologie, en deze uiteraard nog verder kan ontwikkelen. Dit wordt
enigszins weer geven met behulp van de error bars in de weergave van de score,
maar toekomstige ontwikkelingen zijn te onzeker en is het niet mogelijk om
deze mee te nemen in de MCA. Wanneer er op basis van deze studie een vervolg
41
studie komt naar de technologiën moeten de gebruikte gegevens nog eens goed
onder de loep worden genomen en geactualiseerd, aangezien de vooruitgang op
deze gebieden snel gaat.
Daarnaast verdienen de gekozen wegingen een woord van aandacht. De
wegingen zijn gekozen op basis van verwachte, relevante overtuigingen om
een uitslag te krijgen die toepasbaar is. Echter is de bepaling zoals eerder
beschreven een zeer delicate onderneming dat, wanneer het gedegen moet,
een complex proces kan worden. In deze studie is voor deze opzet gekozen
met verschillende scenario’s om zo de diverse aspecten van de technologiën te
laten zien, maar een andere set van wegingen op basis van voorkeuren is altijd
mogelijk. Hier ligt tevens de sterkte van de MCA in, dat de wegingen simpel
aanpasbaar zijn en daarmee de MCA breed inzetbaar is. Een vervolg studie zou
daarom kunnen kijken naar preciezere bepalingen van de wegingen en mogelijk
meer onderzoek doen naar wat men in het veld belangrijk vind.
Ook de gekozen criteria zijn onderhevig aan een discussie. De gebruikte
criteria reflecteren niet alle mogelijke aspecten waar een technologie op beoordeeld kan worden en deze criteria kunnen uitgebreid worden met andere
aspecten. Voor deze studie is echter gekozen voor deze criteria omdat deze
goed aansluiten bij de criteria waarop de technologiën grotendeels op worden
beoordeeld en dat de betreffende informatie over deze criteria aanwezig is.
Toekomstig onderzoek zou daarom kunnen kijken of deze gekozen criteria
inderdaad het overgrote deel van het spectrum afdekken en daar waar mogelijk
extra criteria toe te voegen die van waarde zijn.
Als laatste punt is het nogmaals belangrijk om te zeggen dat deze studie
geen limitatieve studie is, en slechts een greep van de technologiën heeft onderzocht die momenteel aanwezig zijn in het veld van energie opslag. Deze technologiën zijn gekozen omdat dit de meest voorkomende technologiën zijn momenteel in de literatuur en hier dus gedegen en betrouwbare informatie over te
vinden is. Experimentele technologiën kunnen mogelijk in de loop der jaren deze
technologiën achter zich laten, maar momenteel vertegenwoordigen deze technologiën het overgrote deel van het onderzoek én de toepassing van elektrische
opslag systemen. Toekomstig onderzoek zou zich eventueel kunnen verdiepen in
het analyseren van opkomende technologiën maar het is hierbij wel van belang
dat de informatie correct is en niet gebaseerd op een hype.
42
REFERENTIES
[1] Vit Babuska, Scott M Beatty, BJ DeBlonk, and JL Fausz. A review of
technology developments in flywheel attitude control and energy transmission systems. In Aerospace Conference, 2004. Proceedings. 2004 IEEE,
volume 4, pages 2784–2800. IEEE, 2004.
[2] Philip P Barker. Ultracapacitors for use in power quality and distributed
resource applications. In Power Engineering Society Summer Meeting, 2002
IEEE, volume 1, pages 316–320. IEEE, 2002.
[3] Benedikt Battke, Tobias S Schmidt, David Grosspietsch, and Volker H
Hoffmann. A review and probabilistic model of lifecycle costs of stationary batteries in multiple applications. Renewable and Sustainable Energy
Reviews, 25:240–250, 2013.
[4] Marc Beaudin, Hamidreza Zareipour, Anthony Schellenberglabe, and
William Rosehart. Energy storage for mitigating the variability of renewable electricity sources: An updated review. Energy for Sustainable
Development, 14(4):302–314, 2010.
[5] Björn Bolund, Hans Bernhoff, and Mats Leijon. Flywheel energy and power
storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(2):235–
258, 2007.
[6] Matthijs Bonte, Pieter J Stuyfzand, Adriana Hulsmann, and Patrick
Van Beelen. Underground thermal energy storage: Environmental risks
and policy developments in the netherlands and european union. Ecology
& Society, 16(1), 2011.
[7] Daryl R Brown and William D Chvala. Flywheel energy storage: an alternative to batteries for ups systems. Energy engineering, 102(5):7–26,
2005.
[8] Chris Bullough, Christoph Gatzen, Christoph Jakiel, Martin Koller, Andreas Nowi, and Stefan Zunft. Advanced adiabatic compressed air energy
storage for the integration of wind energy. i Proceedings of the European
Wind Energy Confer, London, 2004.
43
[9] Haisheng Chen, Thang Ngoc Cong, Wei Yang, Chunqing Tan, Yongliang Li,
and Yulong Ding. Progress in electrical energy storage system: A critical
review. Progress in Natural Science, 19(3):291–312, 2009.
[10] Kenny YC Cheung, Simon TH Cheung, RG Navin De Silva, Matti PT Juvonen, Roopinder Singh, and Jonathan J Woo. Large-scale energy storage
systems. Imperial College London, ISE2, pages 2002–2003, 2003.
[11] Brian E Conway. Electrochemical capacitors: Their nature, function, and
applications. Electrochemistry Encyclopedia.[Online] March, 2003.
[12] J Paul Deane, BP Ó Gallachóir, and EJ McKeogh. Techno-economic review
of existing and new pumped hydro energy storage plant. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 14(4):1293–1302, 2010.
[13] Ronald M Dell and David AJ Rand. Energy storagea key technology for
global energy sustainability. Journal of Power Sources, 100(1):2–17, 2001.
[14] Paul Denholm, Erik Ela, Brendan Kirby, and Michael Milligan. The role
of energy storage with renewable electricity generation. 2010.
[15] Gerda Gahleitner. Hydrogen from renewable electricity: An international
review of power-to-gas pilot plants for stationary applications. international
Journal of hydrogen energy, 38(5):2039–2061, 2013.
[16] Nancy L Garland. Us department of energy fuel cell technologies program.
2010.
[17] Ioannis Hadjipaschalis, Andreas Poullikkas, and Venizelos Efthimiou.
Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews,
13(6):1513–1522, 2009.
[18] Mareike Jentsch, Tobias Trost, and Michael Sterner. Optimal use of powerto-gas energy storage systems in an 85% renewable energy scenario. Energy
Procedia, 46:254–261, 2014.
[19] Z Kohari and I Vajda. Losses of flywheel energy storages and joint operation
with solar cells. Journal of materials processing technology, 161(1):62–65,
2005.
[20] R Kötz and M Carlen. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta, 45(15):2483–2498, 2000.
[21] Jason Leadbetter and Lukas G Swan. Selection of battery technology to
support grid-integrated renewable electricity. Journal of Power Sources,
216:376–386, 2012.
[22] Haichang Liu and Jihai Jiang. Flywheel energy storagean upswing technology for energy sustainability. Energy and buildings, 39(5):599–604, 2007.
[23] Eoghan McKenna, Marcelle McManus, Sam Cooper, and Murray Thomson. Economic and environmental impact of lead-acid batteries in gridconnected domestic pv systems. Applied Energy, 104:239–249, 2013.
44
[24] Chris Naish, Ian McCubbin, Oliver Edberg, and Michael Harfoot. Outlook of energy storage technologies. European Parliaments committee on
Industry, Research and Energy (ITRE), Tech. Rep, 2008.
[25] Dominic A Notter, Marcel Gauch, Rolf Widmer, Patrick Wager, Anna
Stamp, Rainer Zah, and Hans-Jorg Althaus. Contribution of li-ion batteries
to the environmental impact of electric vehicles. Environmental science &
technology, 44(17):6550–6556, 2010.
[26] Andreas Oberhofer. Energy storage technologies & their role in renewable
integration. Global Energy Network Institute, 2012.
[27] Guido Pleßmann, Matthias Erdmann, Markus Hlusiak, and Christian
Breyer. Global energy storage demand for a 100% renewable electricity
supply. Energy Procedia, 46:22–31, 2014.
[28] Andreas Poullikkas. A comparative overview of large-scale battery systems
for electricity storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27:778–
788, 2013.
[29] Faizur Rahman, Shafiqur Rehman, and Mohammed Arif Abdul-Majeed.
Overview of energy storage systems for storing electricity from renewable
energy sources in saudi arabia. Renewable and Sustainable Energy Reviews,
16(1):274–283, 2012.
[30] EA Reinshagen. Formalisering van toekenning van gewichten binnen een
multi criteria analyse: een toepassing op de bypass bij kampen. 2007.
[31] Tekst Michel Robles. Noordzee als energiecentrale.
[32] Carl Johan Rydh. Environmental assessment of vanadium redox and leadacid batteries for stationary energy storage. Journal of power sources,
80(1):21–29, 1999.
[33] Burkhard Sanner, Constantine Karytsas, Dimitrios Mendrinos, and Ladislaus Rybach. Current status of ground source heat pumps and underground
thermal energy storage in europe. Geothermics, 32(4):579–588, 2003.
[34] Susan M Schoenung and William V Hassenzahl. Long-vs. short-term energy
storage technologies analysis. a life-cycle cost study. a study for the doe
energy storage systems program. Sandia National Laboratories, 2003.
[35] Pawan Sharma and TS Bhatti. A review on electrochemical double-layer
capacitors. Energy Conversion and Management, 51(12):2901–2912, 2010.
[36] Michael Sterner, Mareike Jentsch, and Uwe Holzhammer.
Energiewirtschaftliche und ökologische bewertung eines windgas-angebotes.
Gutachten, Kassel, 2011.
[37] Rob C Wagner, David R Boyle, and Kent Decker. Commercialization of
flywheel energy storage technology on the international space station. In
Energy Conversion Engineering Conference, 2002. IECEC’02. 2002 37th
Intersociety, pages 146–150. IEEE, 2004.
45
[38] XD Xue, KWE Cheng, and D Sutanto. A study of the status and future of
superconducting magnetic energy storage in power systems. Superconductor
Science and Technology, 19(6):R31, 2006.
46