Spanningen ­elektriciteitsnet vragen om meer flexibele opslag

Het toenemende aantal warmtepompen, zonnepanelen en elektrische auto’s zorgt voor een volgende uitdaging; de overbelasting van het elektriciteitsnet.

PCM en chemie

Een veelbesproken en onderzochte manier van warmte-opslag gebeurt met faseovergangsmaterialen, ofwel PCM (phase changing material). ‘Dat deze materialen tijdens de faseovergang energie afgeven of absorberen, maakt ze uitermate geschikt voor het verwarmen of koelen van ruimtes of objecten’, verklaart Cuypers. ‘Deze techniek kent echter ook een praktisch nadeel. Zo is PCM het effectiefst rondom zijn overgangstemperatuur. Daarbuiten neemt zijn doeltreffendheid af. Wanneer de overgang tussen fases is voltooid, is de warmtebuffer geladen en dus op z’n limiet. Een andere, misschien betere, warmteopslagmethode is die met een chemische reactie. Thermochemische materialen maken gebruik van een chemische reactie die twee kanten op kan lopen: laden en ontladen. Dit maakt het proces cyclisch.’
‘Een mooi voorbeeld daarvan is een zouthydraat dat water opneemt in zijn kristalrooster. Onder invloed van warmte laat het de watermoleculen los. Het opladen van het zout gebeurt door duurzame warmte, bijvoorbeeld van zonnecollectoren of via stroom afkomstig van windmolens of zonnepanelen. Het water koppelt zich dan los van de zoutkristallen. Er blijft dan enkel droog zout over. Door het droge zout en water apart te bewaren, sla je warmte niet op als warmte maar als chemische potentiaal. Bij het omdraaien van de reactie, komt de opgeslagen warmte weer vrij. Die kun je inzetten voor de verwarming of warmwatervoorziening. Ondanks dat deze technologie nog in de kinderschoenen staat, zien wij bij TNO al veelbelovende resultaten. Er vindt namelijk geen verlies plaats gedurende de opslagperiode en deze methode kent een hoge warmte opslagdichtheid.’

Overbelasting

Het toenemende aantal warmtepompen, zonnepanelen en elektrische auto’s zorgt voor een volgende uitdaging; de overbelasting van het elektriciteitsnet. In een consortium onder de naam Gebouwde Omgeving Elektrificatie (GO-e) onderzoeken veertien regionale netbeheerders, diensten- en technologieleveranciers, kennisinstellingen, consumenten en zakelijke energiegebruikers de flexibiliteit van apparaten aangesloten op het elektriciteitsnet. Daarbij kijken ze niet in de eerste plaats naar batterijen, maar met name naar slimme flexibiliteitsdiensten als alternatief voor verzwaring van het net in de gebouwde omgeving.
Floris Uleman, Scientist Innovator op de afdeling Energietransitiestudies van TNO, is een van de onderzoekers: ‘We nemen technieken zoals pv-systemen, batterijen, warmtepompen en elektrische voertuigen onder de loep en kijken hoe ze een rol kunnen spelen in het verwerken van de congestie op het elektriciteitsnet. We schatten aan de hand van modellen in hoeveel van dat soort technieken er in 2030 in één buurt aanwezig kunnen zijn. Vervolgens berekenen we of de uitwisseling van energie, bijvoorbeeld door batterijen, de piekbelasting kan opvangen.’
Zijn collega Richard Westerga vult aan: ‘De focus ligt op het verbeteren van de infrastructuur van het netwerk en het slimmer omgaan met laden, ontladen en de vraag naar elektriciteit. Daarbij leggen we ook de link tussen slimme keuzes en de uitvoerbaarheid daarvan. De menselijke factor speelt daarbij een belangrijke rol. In theorie is het laden en ontladen van de elektrische auto mogelijk, maar de gebruiker moet dat ook goed vinden. Ook dat spanningsveld verkennen we.’

De opslag van de Johan Cruijff ArenA wordt gebruikt als back-upstroom, maar ook om het energienetwerk te ontlasten tijdens pieken die ontstaan door concerten.

Warmte uit elektriciteit

Cuypers ziet meteen kansen voor een warmtebatterij. ‘Met name door de fluctuaties in de elektriciteitsvoorziening, afkomstig van piekaanbod door zonne- en windenergie, heeft de warmtebatterij voor langdurige opslag een zonnige toekomst. Door middel van een weerstandsdraad kun je namelijk heel eenvoudig elektriciteit opslaan als warmte, zelfs tot een redelijk hoge temperatuur. Hier ontbreekt echter nog de efficiëntie. Daarom kijken we ook naar de bijdrage van de warmtepomp als stabilisator van het elektriciteitsnet in tijden van overschot.’
‘Ouderwetse’ elektriciteitscentrales schaalden we op of af naar gelang de vraag naar elektriciteit veranderde. Met fluctuerende factoren als zon en wind zijn vraag en aanbod niet altijd meer in evenwicht. We moeten daar wel mee leren omgaan en dat kan op twee manieren.’ De eerste manier is volgens de wetenschapper de uitbreiding van het elektriciteitsnet. Een beproefde, maar ook kostbare methode. Optie twee betreft de opslag van energie, en die is volgens hem en zijn collega’s haalbaarder. ‘Door op piekmomenten het overschot aan energie op te slaan in een elektrische, thermische of chemische batterij ontlasten we het net en profiteren we daar later alsnog van.’
Waar Uleman en Westerga de warmtepomp eerder bestempelden als mogelijke probleemveroorzaker van de toekomst, ziet Cuypers er juist de potentie van in: ‘Warmtepompen kennen een COP variërend tussen ruwweg 2 en 6. Dat betekent dat ze met een efficiëntie van 200 tot 600 procent elektriciteit omzetten in warmte. Idealiter gebruikt iedereen dus z’n warmtepomp met buffervat als warmtebatterij.’
Toch gaat die vlieger voorlopig nog niet op. ‘Dit idee kent nog een aantal haken en ogen. Een warmtepomp levert een lage temperatuur, iets waar we een warmtebatterij niet op kunnen laten functioneren. Ook bestaan er nog geen warmtepompen voor hele hoge temperaturen. De oplossingen voor beide uitdagingen bekijken we momenteel binnen TNO.’

Duurzaamheid voorop

Alle onderzoeken van TNO en concullega’s richten zich op één hoofdthema: verduurzaming. Maar hoe duurzaam is de ontwikkeling van al deze nieuwe opslagtechnieken echt? ‘We gebruiken alleen veelvoorkomende en eindeloos herbruikbare materialen uit landen met eerlijke lonen. In sommige gevallen werken we, bijvoorbeeld bij vacuümreactoren, met gevaarlijke of giftige stoffen. We willen niet dat mensen of de natuur in aanraking komen met deze materialen. We verwachten ook dat we deze materie in de toekomst kunnen vervangen voor niet schadelijke varianten’, legt Cuypers uit.
Of de batterij – voor opslag van warmte of elektriciteit – een fleurige toekomst tegemoet gaat, durven de experts nog niet te zeggen. Westerga: ‘Vooruitkijken is lastig. Onze onderzoeken lopen nog en we durven op dit moment geen definitieve conclusies te trekken. Wel zien we dat het samenspel tussen warmtenetten en elektriciteitssystemen steeds belangrijker wordt. Die combinatie kan ook nog wel eens erg interessant worden bij de ontwikkeling van geschikte batterijen.’
Cuypers is ervan overtuigd dat er geen eenduidige oplossing is voor de huidige uitdagingen. ‘Zoals Uleman en Westerga al benoemden, zie ik een realistische toekomst voor een combinatie van elektrische en thermische opslag. Het omzetten van elektriciteit naar bijvoorbeeld waterstof is daarbij een interessante ontwikkeling, vooral bij industriële toepassingen.’
Niet alleen de technische haalbaarheid bepaalt de toekomst van energieopslag. Ook de invloed van installatiedeskundigen en engineers mag men niet uitvlakken. Cuypers: ‘Een complexe warmtebatterij telt meer dan twee leidingen en functioneert alleen zoals bedoeld wanneer het regelsysteem correct is geïnstalleerd en afgesteld. Daar ligt de uitdaging voor de installatiesector: kennis vergaren over deze nieuwe technieken.’
Maar voor het zover is, hebben volgens Cuypers de ontwerpers nog de nodige uitdagingen op te lossen. ‘Aan hen de nobele taak om de kostprijs omlaag te brengen. Op dit moment produceren we enkel nog losse stuks batterijen speciaal ontworpen voor specifieke situaties. Dat is per definitie duur. Uiteindelijk willen we een algemeen toepasbare batterij maken, geschikt voor serieproductie. Het stroomlijnen van het ontwerp en het daardoor goedkoper maken van het proces, staat op de eerste plaats. Dat is niet alleen een taak voor ons, maar ook voor ontwerpers bij de verschillende marktpartijen.’

Tekst: Laura Timmermans
Fotografie: iStock