De energieproductie in België is vandaag hoofdzakelijk gebaseerd op de verbranding van fossiele brandstoffen. Onze energievoorziening moet in de toekomst klimaatneutraal worden en moet daarom uitsluitend uit hernieuwbare bronnen komen. Hubert Rahier en Willy Baeyens lichtten in een overzichtsartikel al kort toe hoe België deze overstap kan maken. In deze serie stellen ze hun energieplan voor in meer detail. Zo namen ze eerder al onze energieproductie en -behoefte onder de loep, en bekeken ze hoe we die energie kunnen opwekken. In deel 4 bespreken ze de achilleshiel van het energieplan: hoe stemmen we vraag en aanbod aan hernieuwbare energie op elkaar af?
Ons elektrisch distributienet zit immers zo in elkaar dat de productie en het verbruik van elektriciteit op alle momenten ongeveer gelijk moeten zijn aan elkaar. Dat betekent dat de elektrische energie die wordt geproduceerd, meteen verbruikt wordt door de consumenten aan de andere kant van het net. In principe is er dus geen overproductie mogelijk, en laat dat nu net een eigenschap zijn van hernieuwbare energie: soms is er te veel, soms is er te weinig. En als het aanbod zeer klein is riskeren we zelfs een black-out. De grootste hoeveelheid hernieuwbare energie zou via de zon geproduceerd worden. De opbrengst daarvan is erg variabel naargelang de seizoenen en het dag-en-nachtritme. Ook windenergie is geen continue bron van energie. Om op elk ogenblik aan de vraag naar energie te kunnen voldoen is in tijden van overproductie de opslag van grote hoeveelheden nodig. Die opslagmogelijkheden voorzien is waarschijnlijk nog de moeilijkste opdracht om tot een klimaatneutraal België te komen.
________________________________________________
” In tijden van overproductie is de opslag van grote hoeveelheden nodig. Die opslagmogelijkheden voorzien is waarschijnlijk nog de moeilijkste opdracht om tot een klimaatneutraal België te komen. “
________________________________________________
De overgang naar hernieuwbare energie brengt dus met zich mee dat we niet altijd elektriciteit of warmte-energie produceren als we die nodig hebben. Door de schommelende producties van zon en wind en door het variabele stroomgebruik van de consument, zal het aanbod en dus ook de spanning op het net voortdurend wijzigen. Om het elektriciteitsnetwerk stabiel te houden moeten we elektriciteit kunnen opslaan voor korte (minuten tot 1 dag) en lange termijn (maanden tot 1 jaar).
We schetsen het opslagprobleem even concreet aan de hand van zonnepanelen. Indien zonnepanelen in de toekomst effectief 120 TWh per jaar zouden produceren (zie onze schatting in deel 3), dan zal op piekmomenten het geproduceerde vermogen ongeveer 90 GW zijn. Het huidige verbruik rond de middag schommelt in België rond 10 GW (bron: ELIA). Bij ongewijzigd verbruik zal er dus nog 80 GW opgeslagen moeten worden. Hierbij houden we nog geen rekening met de elektriciteitsproductie via wind!
Hoor je het even donderen in Keulen bij de termen “vermogen”, “TWh per jaar” en “rendement”?
(Her)lees hier deel 1!
Opslag: hoe?
Opslag kan op verschillende manieren. We moeten het onderscheid maken tussen opslag van elektriciteit en warmte, en tussen opslag op korte en lange termijn.
Opslag van elektriciteit
Elektriciteit kunnen we niet onder de vorm van elektriciteit opslaan voor lange termijn. We moeten ze dus omzetten naar andere vormen van energie, die we wel op lange termijn kunnen opslaan.
VOORBEELD: Elektriciteit omzetten in waterstof
Water kan je ‘splitsen’ door er elektriciteit door te sturen. De energie van elektriciteit wordt zo overgedragen op waterstof en zuurstof. Bij dergelijke omzettingen is er altijd wat verlies van energie (het rendement is niet 100%), zie ook deel 1 van deze reeks.
Energie omzetten in andere vormen, leidt tot energieverlies. Gelukkig kunnen we die andere energievormen vaak ook meteen terug inzetten, en hoeven we ze niet per se terug om te zetten in de oorspronkelijke vorm.
VOORBEELD: Waterstof kan meteen gebruikt worden
In chemische processen in de industrie, of als brandstof voor voertuigen die rijden op waterstof. Om de energie die opgeslagen zit in waterstof te kunnen gebruiken, hoeven we ze dus niet altijd opnieuw om te zetten in elektriciteit.
Wat zijn de mogelijkheden om elektriciteit op te slaan?
KORTE TERMIJN
LANGE TERMIJN
Chemische opslag
Deze stoffen hoeven niet altijd terug omgezet te worden naar elektriciteit, en kunnen meteen in deze vorm ingezet worden om onze energiebehoeftes te dekken.
Hydro-opslag in stuwmeren
Water wordt opgepompt naar een stuwmeer zodat het nadien terug kan omgezet worden naar elektriciteit. Hier wordt vandaag al veel gebruik van gemaakt. Alternatieven zijn wagons op een hellend spoor, of een gewicht dat in een oude mijnschacht op en neer kan gaan.
condensator
Kan zeer snel elektriciteit opnemen en afgeven
– opslagtermijn typisch ≤ 1 dag
– rendement 95%
batterij
Combinatie elektrische en chemische opslag
– opslagtermijn van een aantal dagen-weken
– rendement 70-95%
vliegwiel
Een vliegwiel is nuttig om kortstondige fluctuaties in elektriciteitsproductie op te vangen, zoals windstoten bij windmolens.
– opslagtermijn van een aantal uren
– rendement 80-95%
waterstof
Inzetbaar in chemische processen in de industrie
methaan
Inzetbaar als brandstof (bv. voor auto’s die op CNG rijden)
ammoniak
Inzetbaar in de productie van chemicaliën en plastics
=> niet bruikbaar op lange termijn, vooral omwille van kost
=> opslag op zeer lange termijn mogelijk
=> hoog rendement
=> rendement laag voor chemische opslag (20-45%)
=> rendement hoog voor hydro-opslag (65-85%)
=> deze methodes zijn vandaag al in gebruik
=> vandaag al commercieel bruikbaar, maar beperkt (o.a. door kostprijs)
Daarnaast zijn er nog veel andere opslagmogelijkheden, ook mogelijkheden die vandaag nog niet commercieel beschikbaar zijn. Lucht samenpersen (bv. in een ondergrondse mijn), vloeibare lucht opslaan, ‘supergeleider magnetische energie’ … Daar komen er in de toekomst zeker nog bij.
Een gesloten kringloop
Een voordeel van opslag in chemische stoffen zoals methaan (CH4) is dat we er een gesloten kringloop van kunnen maken:
De volledige chemische reacties: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (verbranding), CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (synthese)
Hoe werkt zo’n kringloop nu? Methaan verbranden we om in onze energiebehoefte te voorzien. Zo gebruiken we momenteel aardgas (methaan) om onze klassieke verwarmingsketel aan te sturen, zijn er auto’s die rijden op CNG (methaan), en worden er elektriciteitscentrales op aangedreven. Als we CO2 uit de rookgassen van zo’n verbranding halen, kunnen we die recycleren. Door aan CO2 waterstof toe te voegen, kunnen we er immers opnieuw methaan van maken.
Op die manier bekomen we een kringloopproces (die technologie is reeds beschikbaar, maar duur). Bovendien kunnen we ook de waterstof voor deze kringloop halen uit de overproductie aan hernieuwbare elektriciteit (zie ook hierboven).
Wat is beter: opslag in stuwmeren of chemische opslag in gas?
Voorstelling van een energie-atol: een groot waterbekken dat leeggepompt wordt bij elektriciteitsoverschot en terug volloopt om elektriciteit te produceren als er nood aan is. (Bron: [1])
De hoeveelheid energie die we kunnen opslagen in een stuwmeer is niet zo groot. Chemische opslag vereist een veel kleiner volume. Het bekken van Coo bevat bijvoorbeeld 8,5 miljoen m3 water. Daarmee kan dagelijks 6,3 GWh elektriciteit geproduceerd worden. Dat is een fractie van het dagelijkse verbruik van 220 GWh. Er zijn ook plannen voor een energie-atol in de Noordzee[1]. Zo’n atol van 2,2 bij 1,9 km groot zou ongeveer 1,5 GWh kunnen opslaan. Dat volstaat dus lang niet om de behoeften te dekken maar is wel nuttig om kortstondige fluctuaties op te vangen. Indien we het volume van de bekkens van Coo daarentegen zouden gebruiken om gas op te slaan onder vloeibare vorm, dan kunnen we hieruit zowat 20 000 keer meer elektriciteit produceren. Gasopslag en gastransport is bovendien ook goedkoper, zo kan methaan op het bestaande aardgasnetwerk gestoken worden dat we nu ook al gebruiken om te koken en te verwarmen. Een bijkomend voordeel van chemische opslag is dat we een brandstof produceren die ook voor andere zaken dan elektriciteitsproductie kan ingezet worden.[2] Ook grote bedrijven en energieproducent Engie experimenteren met Power to Gas technology[3] en bereiden zich voor op deze omschakeling.
Vergelijking van de grootte van opslagsystemen en hun kostprijs
(Bron: Green Gas Platform [2])
Opgelet: de kost houdt enkel rekening met de opslag en houdt geen rekening met de omzetting van elektriciteit naar waterstof en waterstof naar bijvoorbeeld methaan.
Opslag van warmte
Niet alleen de productie van hernieuwbare elektriciteit hangt af van de wisselende meteorologische omstandigheden, ook onze warmteproductie is niet constant. Voor de opslag van warmte beschikken we al over een aantal oplossingen, zowel op korte als op lange termijn.
In de grond. In de zomer kan je overtollige warmte opslaan in de grond en in de winter ze er terug uithalen via een warmtepomp. Een warmtepomp kan je vergelijken met een frigo. In de zomer koel je je huis af, dus werkt de warmtepomp echt als een frigo. In de winter draait de werking om en warmt je huis op terwijl de grond afkoelt.
Warmteopslag kan ook via een boiler, zoals we dat nu kennen voor in huis, maar dit kan ook op een veel grotere schaal.
In een zoutoplossing. Het kookpunt ervan is hoger dan dat van water. Dat betekent dat je meer energie kan opslaan in een zoutoplossing dan in water.
Opslag in ‘processen’
Aangezien de meeste energie gebruikt wordt in de industrie kan de industrie ook inspelen op het aanbod en dus meer gaan produceren als er een overaanbod aan energie is. Bedrijven betalen nu namelijk al een elektriciteitsprijs die afhangt van het aanbod. Het nadeel is dat het personeel die wisselvallige productie moet volgen. Ook moeten er extra installaties gebouwd worden die dan slechts een deel van de tijd werken. De kapitaalkost neemt dus toe en ook de productieprijs zou daardoor kunnen toenemen. Anderzijds kan er wel geproduceerd worden in periodes van lage energieprijs, wat dan wel weer voordelig is. Deze optie is dus enkel voor bepaalde processen interessant. Vandaag al wordt dit in België toegepast. Zo gaan diepvriezers bij producenten van diepvriesproducten lager koelen op momenten van elektriciteitsoverschot. Sommige metaalproducenten zetten een bijkomende oven in gang en produceren extra. Momenteel worden die bedrijven zelfs vergoed om meer elektriciteit af te nemen, in plaats van dat ze ervoor moeten betalen.
Opslag: hoeveel?
Als we voor de elektriciteitsproductie in de toekomst vooral op zonne-energie mikken, dan hebben we te weinig productie ’s nachts en in de wintermaanden, en overproductie in de zomer. De zonne-elektriciteit die we niet in de zomer gebruiken kunnen we opslaan als gas, dat is zo’n 21 TWh (als we uitgaan van 120 TWh productie per jaar, zie onze schatting in deel 3). Daar komt nog wat overproductie bij van windmolens, maar die is een stuk kleiner. De huidige gasopslagcapaciteit is maar 8 TWh. Zelfs al houden we alleen rekening met zon en wind, komen we dus nog zo’n slordige 13 TWh aan opslagcapaciteit te kort om de overproductie in de zomer op te slaan.
Laten we even kijken naar twee casussen: ons transport en ons huishoudelijk verbruik. Daarvoor zullen we zeker een hoeveelheid groene energie moeten opslaan.
Transport
Personenwagens
Opslag voor transport kan via batterijen of een brandstof die via hernieuwbare energie is gemaakt. Stel nu dat de meeste personenauto’s op batterijen zullen werken. In de toekomst kunnen we ervan uitgaan dat de batterijen een capaciteit hebben van 28 kWh of meer (de zwaarste batterijen voor auto’s die vandaag* beschikbaar zijn). Dan is er 240 GWh opslagcapaciteit voorhanden indien we nog steeds zo’n 5 miljoen auto’s zouden hebben in de toekomst, maar dan wel elektrische. 240 GWh is slechts een vierde van de totale energie die we dagelijks gebruiken. Het is bovendien een peulschil in vergelijking met het overschot van 13 TWh.
*De zwaardere voor 2020 zijn intussen aangekondigd
Vrachtvervoer
Zwaarder transport zou ook kunnen inzetten op batterijen, maar zoals reeds eerder aangehaald zullen we toch de overproductie van hernieuwbare energie op lange termijn moeten opslaan in brandstof. Met hetzelfde gewicht aan brandstof kan je veel verder rijden dan met de huidige batterijen. Dat maakt brandstof uit hernieuwbare energie niet alleen geschikt voor personenwagens, maar ook een logische keuze voor zwaarder transport. Dit pleit dus voor extra opslagcapaciteit onder de vorm van brandstof.
Huishoudens
Opslag voor de nacht
Onze zonne- en windinstallaties moeten vervolledigd worden met een batterij om de nacht door te komen. Aangezien we zo’n 9 kWh per dag gebruiken zou de capaciteit van een huisbatterij niet veel meer dan 9 kWh moeten zijn. Vandaag verkoopt Tesla al systemen van 7 tot 14 kWh. Deze zijn echter duur en je volledige installatie afkoppelen van het net is niet echt mogelijk omdat we in de winter te weinig produceren. Je betaalt dus dubbel (zowel voor je batterij als voor het net), maar er is vandaag wel een subsidie om daaraan tegemoet te komen*. Als je een elektrische wagen hebt dan kan je de autobatterij ook gebruiken als thuisbatterij in plaats van een afzonderlijke batterij te moeten kopen. Voorwaarde is dat de auto overdag op het werk kan opgeladen worden, s’ avonds en ‘s nachts thuis staat en dat je de volgende ochtend geen volle batterij nodig hebt want je batterij zal deels ontladen zijn door je nachtverbruik.
*Voorlopig zal de premie voor een thuisbatterij tot eind 2020 te verkrijgen zijn
Opslag voor de winter
In de winter hebben we gedurende ongeveer 4 maanden te weinig elektriciteit van onze zonnepanelen. Hiervoor een batterij voorzien heeft vandaag geen zin, want de opslagtermijn ervan is veel te kort en de kost te hoog. De opslag moet dus anders gebeuren, bijvoorbeeld in gas. Of we in de toekomst allemaal thuis gas zullen produceren of dat dit op speciale locaties zal gebeuren (ook in het buitenland en op zee), valt af te wachten. Om overbelasting van het transportnetwerk te vermijden, zullen we wel vrij veel dergelijke gasproductie-eenheden moeten hebben, verspreid over het land.
Verder benadrukken we dat de huishoudens maar voor een klein deel van de elektriciteitsproductie en het verbruik verantwoordelijk zijn (slechts 16%!). Het grootste deel van productie en opslag moet dus door de bedrijven gebeuren.
Men denkt er dus aan om batterijen van auto’s in te schakelen om het net stabiel te houden en ze dus niet enkel op te laden maar ze ook stroom te laten leveren. Met de huidige generaties batterijen wordt dit ook denkbaar omdat de levensduur steeds langer wordt en de batterij dus meer laad-cycli aankan. Hopelijk zal er dan wel een financiële tegemoetkoming tegenover staan als je als particulier op die manier stroom levert aan het net.
Conclusies
Opslag van elektriciteit is mogelijk, maar enkel op korte termijn. Kortstondige fluctuaties in zonne- en windintensiteit (vooral dag-nachtonevenwichten in productie en verbruik) kunnen makkelijk opgevangen worden op verschillende manieren.
Langetermijnonevenwichten in productie en verbruik noodzaken het overschot aan groene energie in de zomer voor lange tijd op te slaan onder de chemische vorm van waterstof, koolstofverbindingen of ammoniak. Koolstofverbindingen zoals methaan of methanol worden gemaakt met CO2, die opgevangen en geconcentreerd kan worden. Op die manier bekomen we een kringloopproces: we verbranden methaan om elektriciteit te maken of iets op te warmen, vangen de CO2 op uit de rookgassen, en combineren die terug met waterstof om methaan te maken (zie ook bovenstaande figuur bij ‘een gesloten kringloop’). Die technologie is commercieel beschikbaar, maar nog te duur. Naast elektriciteit zal ‘groen’ gas dus een belangrijke rol blijven spelen in onze energievoorziening. Het is momenteel de beste optie voor langetermijnopslag. De opslag en verdeelinfrastructuur is reeds beschikbaar en ook burgers weten hoe ze met (aard)gas moeten omgaan.
Bedrijven en huishoudens zullen hun verbruik ook meer moeten afstemmen op het energieaanbod. Voor huishoudens zal de slimme elektriciteitsmeter hierbij helpen door bepaalde toestellen, zoals de wasmachine of elektrische boiler, te starten op het moment dat er veel elektriciteit geproduceerd wordt. Zo kunnen we in de toekomst onze overproductie positief benutten, en slagen we erin om steeds bedachtzamer en efficiënter om te gaan met onze energie.
Foto bovenaan en bij opslag in ‘processen’: © Shutterstock
Andere stockfoto’s: © Pixabay
Willy Baeyens
Willy Baeyens heeft zijn hele loopbaan gewijd aan milieu-onderzoek in de brede zin van het woord. Zijn onderzoek begon met de deelname aan het ‘Project Noordzee’ van 1970 tot 1975, een interdisciplinair marien project waarin hij het gedrag van nutriënten en polluenten en de relatie tussen voedingstoffen en planktongroei bestudeerde. Na een verblijf van enkele jaren bij het Mathematisch Model van de Noordzee waar hij wiskundige modellen van het marien ecosysteem ontwikkelde, keerde hij terug naar de VUB. In 1992 onderhandelde hij mee de teksten voor Duurzame Ontwikkeling in Rio. Om de stockering van nucleair afval in goede banen te leiden werd hij benoemd als ondervoorzitter van NIRAS. De laatste jaren bestudeert hij de mogelijkheden om CO2 te stockeren in de oceaan na opname door fytoplankton.
Hubert Rahier
Hubert Rahier was al van kinds af aan een milieuactivist. Hij behaalde een Master in ingenieurswetenschappen, richting scheikunde met de bedoeling om scheikundige processen uit industrie te begrijpen en te verbeteren zodat ons leefmilieu minder vervuild zou worden. Hij doctoreerde op ‘niet traditionele cementen (geopolymeren)’ in 1995. Pas na zijn doctoraat kreeg dit onderwerp internationale belangstelling, vooral omdat het toelaat een cement te produceren die zeker 80% minder CO2 uitstoot en gebaseerd is op afvalstoffen zoals vliegassen. Naast cementen bestudeert hij ook zelf helende materialen en nanovezels, telkens met de bedoeling om betere materialen te maken met minder grondstoffen en minder milieulast.
