Opslag van gas en elektrische energie

Waarom opslag van energie?

Afstemmen van vraag en aanbod van gas en elektriciteit

De energievraag van gas varieert sterk in de zomer en de winter. Als gevolg daarvan is de prijs van gas in de winter hoger dan in de zomer. Daarom heeft Nederland heeft 5 ondergrondse gasopslagen. Deze worden In de zomer gevuld met gas wanneer de prijs laag is en het gas wordt in de winter gebruikt wanneer de prijs hoog is. In totaal zijn de gasopslagen genoeg voor een voorraad van ongeveer 110 terawattuur aan energie. Dat is meer dan 10 miljard kubieke meter aardgas. Dat is ongeveer een derde van het jaarlijkse Nederlandse gasverbruik.

De elektriciteitsvraag varieert sterk over een dag. 's Nachts wordt er relatief weinig elektriciteit verbruikt. Overdag ligt het verbruik hoger. Bekend zijn de pieken in het elektriciteitsverbruik als, tijdens de rust van belangrijke voetbalwedstrijden, mensen massaal koffie en thee gaan zetten. Het verloop van de energievraag kan echter vrij nauwkeurig worden voorspeld en een verandering in de energievraag kan in het huidige systeem goed opgevangen worden door grote centrales meer of minder elektriciteit te laten produceren of door piekcentrales in te zetten. De gevraagde elektriciteit wordt nu praktisch op hetzelfde moment geproduceerd.

Schommelingen in het weer (zon en wind) krijgen echter een steeds grotere invloed op de opwekking van elektrische energie en daarmee op de energieprijzen. Door het aanbod van energie uit hernieuwbare bronnen, zoals zon en wind, gaat ook de productie van elektriciteit fluctueren. Het afstemmen van vraag en aanbod van elektriciteit wordt dan lastiger. Dit is bijvoorbeeld het geval bij elektriciteit geleverd uit windparken. Deze produceren een wisselende hoeveelheid elektriciteit afhankelijk van de windsterkte. Het aanbod van elektriciteit uit duurzame bronnen is bijna nooit in evenwicht zijn met de vraag naar elektriciteit. In het voorbeeld van windparken; bij weinig wind wordt er weinig elektriciteit geproduceerd, bij veel wind juist erg veel. Aan de ene kant zijn er, bij het gebruik van hernieuwbare bronnen, zonder andere maatregelen, altijd conventionele centrales nodig zijn om een tekort op te vangen. Aan de andere kant worden hernieuwbare bronnen uit bedrijf genomen als er teveel elektriciteit wordt geproduceerd, zoals nu al regelmatig gebeurd. Met de sterke fluctuaties in aanbod van elektriciteit worden zowel conventionele centrales als hernieuwbare energiebronnen onderbenut. Dit betekent dat de elektriciteitsprijs dan relatief hoog is vergeleken met een meer gunstiger situatie.

De prijs en opslag van elektriciteit

Door het fluctuerende aanbod van elektriciteit varieert de elektriciteitsprijs sterk. In 2020 varieerde de elektriciteitsprijs tussen 500 en 1200 euro per megawattuur. Dit verschil groeit met het toenemen van hernieuwbare energie. De laatste tijd komen ook negatieve elektriciteitsprijzen voor, op dagen met veel wind en veel zon. In het voorjaar van 2023 was er voor het eerst sprake van een negatieve stroomprijs, die drie uur lang aanhield. De zon scheen toen uitbundig en het waaide stevig. In 2024 was de stroomprijs, tot en met augustus, 426 uur negatief. Dat is ruim 100 maal meer dan in heel 2023. De prijsvariaties zijn ook te zien in de prijs per kWh van mensen met een dynamisch energiecontract. Die betaalde in december 2024 gedurende een uur maar liefst 1,21 euro per kWh, de normale prijs is 30 cent per kWh. De prijs was toen hoog omdat de energieproductie uit zon en wind laag was, het was bewolkt en windstil. De prijsvariaties bieden een verdienmodel voor de opslag van elektriciteit, waarmee de fluctuaties in de opbrengst van hernieuwbare elektriciteit kunnen worden opgevangen. Een opslagsysteem van elektriciteit wordt opgeladen als de prijs van elektriciteit laag is, de elektriciteit wordt aan het net geleverd als de prijs van elektriciteit hoog is. Hiermee kunnen de kosten van een opslagsysteem worden terugverdiend. Ook elektrolysers om waterstof te maken kunnen een dempend effect hebben op de prijs van elektriciteit [Volkskrant].

Opslag van elektriciteit

Met een opslagsysteem voor elektriciteit kunnen conventionele centrales en hernieuwbare bronnen optimaal worden benut. Er kan gemakkelijker worden ingespeeld op een veranderende vraag naar elektriciteit. Met elektriciteitsopslag worden thermische en nucleaire centrales gelijkmatiger belast en kunnen daardoor met een hoger rendement elektriciteit produceren. Er hoeven ook geen of minder piekcentrales te worden ingezet in tijden van een hoge elektriciteitsvraag. Opslag draagt daarmee bij aan de vermindering van de CO₂-uitstoot. Opslag kan ook worden gebruikt als regel- en reservevermogen om het elektriciteitssysteem te sturen. Opslagsystemen kunnen worden ingezet om transmissie- en distributieverbindingen te ontlasten. Deze hoeven dan niet op pieklast gedimensioneerd te worden maar op de gemiddelde energiestromen. Opslag verhoogt daarmee de technische betrouwbaarheid van de energievoorziening. Kortom, om verschillende redenen heeft energieopslag gunstige gevolgen voor de elektrische energievoorziening [Volkskrant].

De regelgeving wordt aangepast om het investeringen in opslagsystemen te bevorderen. De (ACM) Autoriteit Consument en Markt, de toezichthouder op de Nederlandse stroomnetten, maakt het nu mogelijk om tijdsduurgebonden contracten af te sluiten, waarbij Tennet kan bepalen wanneer de klanten energie mogen afnemen en wanneer ze mogen leveren [Volkskrant].

Opslagsystemen van elektrische energie

Technieken voor opslag van elektrische energie

Het opvangen van variaties in hernieuwbare energie vraagt om opslagsystemen. De volgende technieken zijn geschikt voor opslag van elektriciteit:

• waterkracht,
• perslucht,
• warmte/koude-opslag,
• batterijen,
• stroombatterijen,
• waterstof,
• vliegwielen,
• condensatoren,
• spoelen.

Opslag met waterkracht, pompaccumulatiesystemen

Waterkrachtcentrales kunnen worden gebruikt om energie op te slaan door water terug in het stuwmeer te pompen. Alhoewel opslag van elektriciteit in stuwmeren voor de hand ligt wordt er nog relatief weinig van deze mogelijkheid gebruikt gemaakt. Om het water weer terug in het stuwmeer te kunnen pompen, zijn er aanpassingen aan het waterkrachtsysteem nodig zijn. Waterkrachtsystemen die speciaal zijn aangelegd als opslagsysteem worden pompaccumulatiesystemen genoemd. De generator fungeert dan meestal ook als motor en de waterturbine als waterpomp. Maar ook gescheiden systemen komen voor met afzonderlijke motor/pomp en turbine/generatoreenheden. Bij pompaccumulatiesystemen wordt er, tijdens een periode van lage elektriciteitsvraag, water vanuit een laaggelegen reservoir omhoog gepompt naar een hoger gelegen reservoir en daar opgeslagen. In tijden van een hoge elektriciteitsvraag werkt het systeem als een gewone waterkrachtcentrale. Wereldwijd staat meer dan 110 GW aan pompaccumulatiesystemen opgesteld.

De gebruikelijke pompaccumulatiesystemen vragen een groot hoogteverschil (in de orde van honderden meters) tussen de reservoirs om voldoende energie op te kunnen slaan. Voor Nederland zijn dit soort systemen minder geschikt omdat hier geen grote hoogteverschillen zijn. In Nederland wordt indirect gebruik gemaakt van waterkracht via een kabelverbinding met Noorwegen. Deze kabel, de NorNed-kabel, is sinds mei 2008 in bedrijf. De verbinding is 580 kilometer lang en ligt op de bodem van de Noordzee. De bedrijfsspanning is 450 kV gelijkspanning. Converterstations op de wal zetten de gelijkspanning om naar wisselspanning en omgekeerd. Via de NorNed-kabel wordt overdag elektrische energie uit waterkracht naar Nederland getransporteerd. Overdag is namelijk de vraag naar elektriciteit hier groter dan in Noorwegen. 's Nachts gaat elektriciteit richting Noorwegen omdat daar dan de vraag naar elektriciteit groter is dan in Nederland. De overcapaciteit aan opwekvermogen van elektriciteit zou 's nachts ook gebruikt kunnen worden om stuwmeren in Noorwegen weer vol te pompen, maar dat gebeurt nu nog niet. Tennet denkt aan de aanleg van een tweede kabel, NorNed2, speciaal om elektrische energie uit windparken op te slaan in Noorse waterbekkens. In Nederland kunnen wel pompaccumulatiesystemen worden opgezet als gebruik wordt gemaakt van oude mijnen. Het OPAC-systeem is een dergelijk installatie. In Denemarken is een pompaccumulatiesysteem bedacht dat genoeg heeft aan een klein verval door geen water maar zand omhoog te brengen.

Opslag met perslucht

Het overschot aan elektrische energie kan ook worden gebruikt om lucht onder druk te brengen in een ondergronds reservoir, perslucht. Deze techniek staat bekend onder de naam CAES (Compressed Air Energy Storage). Oude olie- en gasputten, ruimtes in oude mijnen en zoutkoepels kunnen als reservoir dienst doen. Voor kleinere systemen kunnen stalen tanks of vaten onder druk worden gebracht. Bij een dal in de elektrische energievraag wordt elektrische energie, in de vorm van perslucht, in een reservoir opgeslagen. Bij een piek wordt de perslucht onttrokken aan het reservoir en wordt de luchtdruk gebruikt om elektrische energie op te wekken.

De energiedichtheid van persluchtsystemen ligt tussen de 0,2 en 2,0 MJ per kg samengeperste lucht (55 tot 555 Wh/kg). Het rendement ligt tussen de 50 en 75 procent. Een kubieke meter perslucht kan ongeveer 5 kWh aan energie opslaan bij een druk van ongeveer 8 MPa. De vermogens van gebruikelijke systemen liggen in de orde van honderden megawatt. Het systeem kan snel worden opgestart om energie te leveren.

Persluchtsystemen worden onder andere gebruikt in Duitsland en de Verenigde Staten. In Nederland wil Corre Energy energie opslaan via perslucht in een zoutholte onder de provincie Groningen. De opzet is om met perslucht ongeveer drie dagen lang een derde van de energieproductie van een gasgestookte elektriciteitscentrale te kunnen leveren [Triodos bank].

Warmte- en koude-opslag

Warmte wordt opgeslagen in zouten, in de vorm van stoom, in de vorm heet water in rotskoepels en als warmte in de bodem. Meestal wordt de warmte in zouten opgeslagen. Alhoewel deze warmte niet direct in elektriciteit kan worden omgezet, is energieopslag in zouten toch van belang voor de elektrische energievoorziening [Wikipedia].

Een vorm van zonne-energie die elektriciteit opwekt is een zonnecentrale. Bij deze centrales wordt het zonlicht gebruikt om water in stoom om te zetten waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Wanneer de elektriciteitsvraag laag is, wordt de warmte van het zonlicht worden opgeslagen in gesmolten zouten. Door het geconcentreerde zonlicht wordt dit zout verwarmd en opgeslagen in een heet-zout-reservoir. Tijdens piekuren wordt het zout uit het hete reservoir gepompt. De warmte wordt gebruikt om stoom te produceren voor de stoomturbine waarmee de elektriciteit wordt gegenereerd. Nadat het zout zijn energie heeft afgestaan wordt het opgeslagen in een koud-zout-reservoir. Vermogens reiken van 50 tot en met 500 MW, de energie-inhoud van 100 tot 11.000 MWh.

Koudeopslag wordt gebruikt in de vorm van koud water en ijs. Vermogens liggen ronde 5 MW, bij opslagcapaciteiten tot 50 MWh, aanzienlijk minder dan warmteopslag. Bij cryogene energieopslag, CES (cryogenic energy storage), ook wel LAES (liquid air energy storage) genoemd, wordt omgevingslucht afgekoeld tot -196 ^oC. De lucht is dan vloeibaar. Vergeleken met perslucht is minder volume nodig voor de opslag. Om de energie te gebruiken wordt de lucht verwarmd tot een gasvorm. De uitzettende lucht drijft een expansieturbine aan die elektriciteit produceert. Een hoog rendement wordt verkregen als de warmte bij het koelen wordt opgeslagen en wordt gebruikt om de lucht weer gasvormig te maken. Bij gebruik van restwarmte wordt ook een hoog rendement verkregen. Een koudeopslagsysteem in de vorm van een cryogene installatie met een vermogen van 5 MW en een capaciteit van 15 MWh, is in aanbouw [Wikipedia].

Opslag in batterijen

Batterijsystemen voor elektrische energieopslag bestaan uit batterijen en elektronische omvormers. De omvormers zetten de wisselspanning van het net om in een geregelde gelijkspanning voor het effectief laden van de batterij. Omgekeerd zet de vermogenselektronica van de omvormer de gelijkspanning om in wisselspanning voor toevoer aan het net. Door de beschikbaarheid van vermogenselektronica zijn batterijsystemen gemakkelijk inpasbaar in elektriciteitsnetten.

Voor grootschalige energieopslag in batterijen worden nu nog hoofdzakelijk lithiumbatterijen gebruikt omdat die een hoge energiedichtheid hebben, tot 200 Wh/kg. De specifieke vermogens van de batterijen kunnen oplopen van 200 tot 400 W/kg. Ook zwavel-natrium batterijen geschikt zijn voor grootschalige elektriciteitsopslag vanwege hun hoge capaciteit en hun hoge energiedichtheid. Daarnaast hebben ze een hoog rendement en kunnen ze relatief veel worden geladen en ontladen. In oudere systemen worden nog veel loodaccu's gebruikt, die hebben een lage energiedichtheid van rond de 30 Wh/kg. Wereldwijd stond er in 2023 een vermogen 86 GW aan batterij-opslag. De meeste batterij-opslagsystemen staan in China (42%), daarna volgen de Verenigde Staten (24%) en Europa (19%) [DNEResearch].

Voor een betrouwbare elektriciteitsvoorziening, om de fluctuaties in elektriciteitsproductie goed op te kunnen vangen, zijn grote batterijen nodig, in totaal met een vermogen van ongeveer 9 GW. Dit is vergelijkbaar met negen flinke gascentrales. Tennet heeft voor 62 GW aan aanvragen liggen voor het plaatsen van batterijen in het net. Een aantal bedrijven bouwt grote batterijen die aangesloten zijn op het hoog- of het middenspanningsnet. Daarnaast staan er nog tal van kleine batterijen bij huishoudens en bedrijven aangesloten op het distributienet. Het bedrijf Battolyser Systems ontwikkelt een batterij, de Battolyser, die naast het opslaan van elektrische energie ook waterstof kan produceren. Het Amerikaanse bedrijf Natron Energy is, met een eerste fabriek, de massaproductie gestart van batterijen die niet op lithium zijn gebaseerd maar op zout [Volkskrant]

Opslag in een stroombatterijen

Tot nu toe worden vooral lithium batterijen voor energieopslag ingezet. Een ander type batterij is in opkomst; de stroombatterij. De stroombatterij is ook een elektrochemische batterij. Het elektrolyt is hier echter opgeslagen in twee verschillende tanks. In de ene tank zit elektrolyt voor de positieve kant van de batterij, in de andere kant het elektrolyt voor de negatieve kant. De tanks zijn verbonden met een elektrochemische cel waar de chemische energie van het elektrolyt wordt omgezet in elektrische energie of andersom. Bij dit type batterij zijn capaciteit en vermogen van elkaar losgekoppeld. De grootte van de tanks bepaald de capaciteit, de grootte van de elektrochemische cel het vermogen. De energiedichtheid van een stroombatterij ligt rond de 20 Wh/kg. Een voorbeeld van een stroombatterij is de zink-bromide stroombatterij. Naast zink-bromide zijn er stroombatterijen gebaseerd op vanadium, vanadium-bromide en natrium-bromide [Volkskrant], [DNEResearch].

Opslag in waterstof

Het ontleden van water in waterstof en zuurstof door elektrolyse van water, geeft ook de mogelijkheid van energieopslag in de vorm van waterstof. Als er energie nodig is wordt de opgeslagen waterstof via een brandstofcel of een verbrandingsmotor gebruikt om elektriciteit op te wekken. Bij waterstofopslag zijn de productie van waterstof en het gebruik van waterstof meestal van elkaar gescheiden.

In Nederland ontwikkelen verschillende (energie)bedrijven plannen voor waterstofproductie. Dat is dan groene waterstof waarvan de energie voor elektrolyse geleverd wordt door wind- of zonneparken. De Gasunie werkt mee aan de ontwikkeling van opslag voor waterstof in ondergrondse zoutcavernes. Het bedrijf Battolyser Systems ontwikkelt een batterij, de Battolyser, die naast het opslaan van elektrische energie ook waterstof kan produceren. De Battolyser slaat elektrische energie op. Wanneer de batterij vol is, stopt hij met opladen en gaat in plaats daarvan waterstof produceren. Een 'power to gas'-installatie in Duitsland heeft een vermogen van 6 MW bij een capaciteit van 26 MWh [Energiepark Mainz]. De plannen voor grote waterstoffabrieken met een groot waterstofopslagsysteem zijn in ontwikkeling met elektrolyservermogens tot 500 MW [Volkskrant].

Over grote afstanden is waterstof is alleen goed te vervoeren onder zeer hoge druk of bij extreem lage temperaturen als vloeistof. Gemakkelijker is het om waterstof eerst om te zetten in een waterstofdrager, zoals ammoniak (NH₃), en dat te transporteren. In de Europoort in Rotterdam wordt een grote tank voor de opslag van ammoniak gepland, met een capaciteit van 60.000 ton ammoniak [Volkskrant].

Opslag in vliegwielen

Een vorm van mechanische energieopslag is opslag van elektrische energie in vliegwielen. Moderne Vliegwielen worden meestal uit gevoerd in de vorm van een schijf van een koolstofvezelversterkte composiet. De vliegwielen slaan kinetische energie op in de snel draaiende rotor van een elektrische motor/generator. Bij overschot aan energie wordt het vliegwiel op snelheid gebracht en wordt de energie opgeslagen als kinetische energie van het vliegwiel, bij tekort aan energie produceert de generator elektrisch energie uit de kinetische energie van de draaiende beweging Wikipedia.

De energiedichtheid is relatief laag, rond de 500 kJ/kg (140 Wh/kg). Het rendement van vliegwielen is hoog en ligt rond de 80%. Door de lage energiedichtheid is de opslagcapaciteit relatief laag en ligt in de orde van enige honderden kilowattuur. Vermogens van vliegwielen liggen rond de 150 kW tot 1 MW. De tijden dat energie geleverd kan worden liggen in de orde van tientallen seconden tot tientallen minuten. Een vliegwielsysteem kan binnen enkele minuten weer worden opgeladen. Door vliegwielen te combineren in een soort park met meerdere vliegwielen kunnen installaties met vermogens in de orde van enkele MW en met energie-inhouden in de orde van enkele MWh worden gerealiseerd.

Opslag in een elektrisch veld in een condensator

Een condensator bestaat uit twee elektroden gescheiden door een isolerende laag. De opslag van elektrische energie via een elektrisch veld in een condensator bestaat al sinds het begin van de ontwikkeling van elektriciteit. Toen werden elektrische ladingen opgeslagen in een zogenaamde Leidse fles; een fles aan de binnenzijde bekleed met zilverpapier met een elektrode in het midden van de fles. Vergeleken met batterijen vragen condensatoren geen speciale oplaadcircuits, een gelijkrichter is voldoende. Condensatoren kunnen vele malen worden geladen en ontladen zonder dat dit ten koste gaat van de opslagcapaciteit. Vergeleken met batterijen is de vermogensopslag per volume-eenheid, de vermogensdichtheid relatief hoog, maar de energiedichtheid relatief laag. In een batterij kan een grote hoeveelheid energie worden opgeslagen maar de ontlaadsnelheid is beperkt. Bij een condensator geldt het omgekeerde. De specifieke energie van een condensator kan oplopen tot 20 kJ/kg (6 Wh/kg), het specifieke vermogen tot 2000 kW/kg of hoger. Door afzonderlijke condensatoren te combineren in condensatorbanken kunnen hogere capaciteiten en hogere spanningen worden bewerkstelligd.

Supercondensatoren vormen een opslagmogelijkheid die tussen conventionele condensatoren en batterijen in ligt. Supercapaciteiten zijn elektrochemische condensatoren met een extreem hoog oppervlak. Supercapaciteiten kunnen zeer vaak worden geladen en ontladen. Supercondensatoren hebben een relatief lage energiedichtheid tot 30 Wh/kg maar een heel hoge vermogensdichtheid tot 4000 W/kg. Supercapaciteiten kunnen dus een zeer groot vermogen leveren, echter alleen voor korte tijd. Wat dat betreft zijn ze een alternatief voor vliegwielen.

Supercondensatoren zijn minder geschikt voor opslag van grote energiehoeveelheden vooral ook omdat hun zelfontlading relatief hoog is. Supercondensatoren in distributienetten kunnen vooral worden gebruikt om tijdelijk energie te leveren bijvoorbeeld voorafgaand aan inzet van back-up systemen in geval van spanningsuitval. Vermogens lopen tot 20 MW, de opslagcapaciteit tot 5 MWh.

Opslag in een magnetisch veld in een spoel

Energie kan ook worden opgeslagen in een magnetisch veld in een spoel. Analoog aan opslag met een elektrisch veld, waar een gelijkspanning de drijvende kracht is, is dat bij opslag van magnetische energie een gelijkstroom. Magnetische energie wordt opgeslagen door een gelijkstroom door een spoel te sturen. Om de verliezen in het systeem laag te houden, wordt de spoel zover gekoeld dat in de geleider supergeleiding optreedt. Het systeem wordt wel SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) genoemd. SMES systemen kunnen een energie in de orde van enige megajoule opslaan. De energie staat snel ter beschikking, binnen enkele seconden. De systemen kunnen zeer hoge vermogens leveren in de orde van MW.

De energie-inhoud van het systeem is relatief laag; SMES systemen zijn over het algemeen alleen geschikt om gedurende korte tijd energie te leveren. Het rendement van het systeem is hoog en ligt rond 95%. Daarbij is de energie nodig voor koelen van het systeem niet meegerekend. De systemen zijn relatief kostbaar door het koelsysteem en door het speciale supergeleidende draad wat voor de spoel gebruikt wordt. SMES systemen worden toegepast om de kwaliteit, de stabiliteit en de betrouwbaarheid van het netsysteem te verbeteren, voor het opvangen van korte en middellange spanningsonderbrekingen en voor het leveren van piekvermogens bij opstarten van generatoren. SMES systemen zijn beschikbaar tot een vermogen van 3 MW.

Vergelijking van de verschillende opslagsystemen

Voor een betrouwbare elektriciteitsvoorziening is grootschalige opslag nodig. Vliegwielen, condensatoren en spoelen zijn niet erg geschikt voor grootschalige opslag. Deze opslagtechnieken worden meer gebruikt voor kortdurende opslag van energie die snel beschikbaar moet zijn. Voorbeelden zijn: een snelle frequentieregeling van het net, verbetering van de kwaliteit, de stabiliteit en de betrouwbaarheid van het net, opvangen van piekbelastingen en van korte en middellange spanningsonderbrekingen en voor het leveren van piekvermogens bij opstarten van generatoren. Voor grootschalige opslag van elektriciteit zijn de volgende technieken geschikt:

• waterkracht,
• perslucht,
• warmte/koude-opslag,
• batterijen,
• stroombatterijen,
• waterstof.

Onderstaande figuren geven een beeld van de meest voorkomende vermogens en capaciteiten van bovengenoemde opslagsystemen [Wikipedia].

Pompaccumulatiesystemen hebben de grootste vermogens en de grootste capaciteiten gevolgd door persluchtsystemen. Warmteopslagsystemen, vaak bij zonnecentrales opgesteld, hebben ook redelijk grote vermogens en opslagcapaciteiten, tot enkele honderden MW bij duizenden MWh. Vermogens van batterijsystemen lopen tot bijna 400 MW en bijna 1000 MWh aan opslagcapaciteit of hoger. Stroombatterijen zijn evenals waterstofopslagsystemen in ontwikkeling. Stroombatterijen hebben vermogens tot 200 MW en een capaciteit van 800 MWh.