Duurzame energievoorziening is natuurlijk in de eerste plaats een zaak van duurzame energiebronnen. Maar hun wisselende aanbod maakt grote aanpassingen in het elektriciteitsnet nodig. Op alle niveaus in het net, vanaf de huisaansluiting tot aan het koppelnet, zal energieopslag een noodzakelijke aanvulling vormen op zon en wind.
Lange transitie
‘Energieopslag is de sleutel tot de duurzame energievoorziening,’ zegt Peter Notten, hoogleraar ‘Energy Materials and Devices’ aan de TU Eindhoven; ‘en deze moet zowel groot- als kleinschalig plaats vinden. Smart grids, met intelligente aan- en afschakeling van apparaten en opslagsystemen, gaan een doorslaggevende rol spelen. Elektriciteit uitsluitend grootschalig opslaan is onmogelijk bij een net dat wordt gevoed door duurzame bronnen. Daarom zullen we energieopslag moeten inbouwen op alle niveaus; alle beschikbare technologieën zijn nodig. Zowel batterijen en brandstofcellen op kleine schaal, als waterkracht (pompcentrales) op grote schaal.’
‘Energieopslag in elektrische auto’s heeft een enorme potentie,’ zegt Notten, ‘maar dan moet het energiemanagement daarop worden afgestemd, én de groei van het elektrische autopark moet gelijke tred houden met het aanbod van zonne- en windenergie. Elektrisch rijden op basis van kolencentrales is een waste of energy. Weliswaar is het energetisch rendement, over de hele keten gerekend, tweemaal zo hoog bij elektrische auto’s als bij benzineauto’s (34% tegenover 17%); maar als je elektriciteit duurzaam opwekt, verdubbelt dat rendement tot 69%. Elektrisch rijden moet je daarom alleen doen op basis van duurzame energie. Daarmee is het groeipad van duurzame energie noodzakelijkerwijs traag, want we moeten het hele energiesysteem ervoor ombouwen. De onderlinge koppeling van deze processen betekent dat we toch zeker moeten denken aan een transitieperiode van 50 jaar. Elektrisch rijden geeft nu een zeker inefficiëntie maar dat is uiteindelijk niet de bedoeling.’
Energieopslag met hoge capaciteit
Het onderzoek van Peter Notten en zijn groep omvat vier terreinen. Ten eerste nieuwe materialen, zoals silicium als opslagmateriaal voor lithium in een Li-ion batterij ter vervanging van koolstof. Ten tweede nieuwe technologieën, bijvoorbeeld batterijen geïntegreerd in chips; of micro-opslag in combinatie met een zonnecel. Verder het bouwen van modellen, om de werking van batterijen beter te begrijpen en vooral om energieverliezen te voorkomen bij het laden en ontladen. En tenslotte de toepassing van die modellen in het ‘batterijmanagement’, zeer belangrijk voor veiligheid en levensduur.
‘In batterijtechnologie zijn al grote verbeteringen tot stand gekomen,’ zegt Peter Notten. ‘Een Li-ion batterij kan al vijf keer zoveel energie per kilo opslaan in vergelijking met een loodaccu. 1 kWh in een Li-ion batterij weegt nu 5 tot 10 kilo. Dat lijkt veel, maar 1 kWh is de energie nodig om 360.000 liter water 1 meter omhoog te pompen. Met die éne kWh kan een elektrische auto nu 7 km rijden. Voor een actieradius van 140 km moet de batterij dus 20 kWh kunnen opslaan; hij weegt dan 100-200 kg en kost… € 10.000. Dat maakt het begrijpelijk dat technologen overal ter wereld zoeken naar goedkopere batterijen met meer opslagcapaciteit. Het capaciteitsprobleem bij batterijen betekent ook dat brandstofcellen weer kunnen terugkomen. De brandstofcel heeft een externe energieopslag, waardoor deze in potentie een veel grotere capaciteit heeft. Maar ook in batterijen is nog veel potentie voor verbetering. Het lithium-lucht concept is veelbelovend. Hierin vormt lucht de éne elektrode; deze is vrij beschikbaar en hoeft niet te worden meegesleept. De andere elektrode kan puur lithium zijn, waardoor een zeer hoge dichtheid kan ontstaan.’
Veilige energieopslag
‘Op den duur heeft ook lithium zijn nadelen. Er is een grote wereldvoorraad, maar deze ligt vrijwel geheel in Zuid-Amerika. Terwijl de recycling van lood perfect is geregeld, wordt lithium nu nog niet gerecycled, dat loont momenteel niet. Het wordt onder meer verwerkt in beton, het gaat betonrot tegen. Bij toename van energieopslag moeten we beslist levensduuranalyses (LCA’s) uitvoeren. En met het oog op mogelijke schaarste aan lithium onderzoeken we nu ook natrium en magnesium als elektrodematerialen.’
Die hoge energiedichtheden brengen ook risico’s met zich mee. Daarom is batterijmanagement een van de aandachtsgebieden van de groep van Peter Notten. ‘Temperatuurverschillen bij het laden en ontladen van de batterij zijn bijvoorbeeld slecht voor zowel levensduur als veiligheid. Wij ontwikkelen methoden voor het meten en managen van zulke temperatuurverschillen. Zodat we geen berichten meer hoeven te krijgen over in brand vliegende laptops. En zodat op grote en kleine schaal veilige energieopslag een onmisbaar onderdeel wordt van een duurzaam energiesysteem.’
http://www.rvo.nl/sites/default/files/Peter%20Notten.pdf