Upgraden van het elektriciteitsnet met vliegwielen en lucht

Dit artikel is het tweede uit een serie van twee artikelen. Het onderwerp van deze twee gaat over het elektriciteitsnet, het ontstaan, de uitvinders, en welke veranderingen er voor de deur staan. Dit is het tweede artikel van de serie, en gaat voornamelijk over de toekomst en welke veranderingen er te wachten staan. Het beperkt zijn in feite voornamelijk tot het aspect van energie-opslag.   

Steenkoolcentrales en windturbines in Hohenhameln, 

Duitsland

Er zijn verschillende elementen nodig voor een elektriciteitsnet om functioneel te kunnen zijn. Eén van deze elementen is dat het elektriciteitsnet in staat moet zijn om een bepaalde hoeveelheid energie op te slaan om het dan later te leveren wanneer de vraag er is. Een ander element is dat de infrastructuur moet aanwezig zijn om de elektriciteit te leveren tot aan de locaties van de aangesloten verbruikers. In het algemeen kunnen deze elementen opgedeeld worden in drie groepen, namelijk opslag, distributie en transmissie. De rol van opslag, als één van deze drie, is zorgen voor een 'ontkoppeling' tussen het opwekken van elektriciteit en het gebruik van deze elektriciteit. Indien er geen opslagcapaciteit aanwezig is in een elektriciteitsnet, dan moet de elektriciteit steeds op nagenoeg hetzelfde ogenblik opgewekt worden als dat het verbruikt wordt. Dit zou, door het grote aantal verbruikers aangesloten op een elektriciteitsnet, een zeer moeilijke opgave zijn.

In het elektriciteitsverbruik zijn er steeds variaties, deze variaties vinden plaats op verschillende tijdsperiodes. Zo zijn er variaties op een dagelijkse 'cyclus', er zijn ook variaties in het elektriciteitsverbruik over de verschillende seizoenen. Daarnaast met de opkomst van de hernieuwbare energiebronnen, die steeds een groter aandeel van onze energiemix zullen uitmaken, zal er nog een derde bron variaties bijkomen. Namelijk is de productie van vele van deze hernieuwbare energiebronnen niet constant maar varieert het mee met natuurlijke cyclussen/variaties. Namelijk als het hard waait, zal er veel elektriciteit opgewekt worden door de windmolens en op een zonnige dag zal er veel elektriciteit geproduceerd worden door de zonnepanelen. Opslagcapaciteit is dus zeker een noodzakelijk element van een elektriciteitsnet en zal in de (nabije) toekomst waarschijnlijk nog een stuk belangrijker gaan worden.

Doordat er verschillende bronnen van variaties zijn, is het zeer moeilijk om één systeem te bedenken dat alle verschillende soorten variaties zou kunnen opvangen. Momenteel bestaan er al een reeks verschillende technologieën waarmee men de variaties in het elektriciteitsnet kan gaan opvangen en elektriciteit kan opslaan worden voor later gebruik. Elk van deze technologieën heeft steeds zijn eigen typische tijd voor het opvangen van variaties. Het ene systeem kan beter omgaan met variaties die ontstaan doordat de productie en het verbruik van elektriciteit niet op hetzelfde moment gebeurt, dus op een erg korte tijdschaal. Andere technologieën kunnen dan beter omgaan met variaties over langere periodes, zoals die gedurende een dag. En een andere technologie is beter geschikt voor de wekelijkse variaties in het elektriciteitsverbruik.

Energie kan in veel verschillende vormen opgeslagen worden, namelijk als kinetische, potentiële, thermische, chemische, elektrische, magnetische energie en waarschijnlijk bestaan er ook nog andere mogelijke vormen. Het is ook steeds mogelijk dat er meerdere van deze vormen gebruikt worden. Veel gebruikte technologieën voor de opslag van energie zijn onder andere pompcentrales, gecomprimeerde lucht, vliegwielen, thermische opslag van energie in het algemeen, batterijen, supercondensators. Elk van deze opgesomde technologieën wordt voor verschillende toepassingen en in verschillende sectoren gebruikt maar wel zijn ze niet allemaal al even 'volwassen'. Sommige van de technologieën in deze opsomming bevinden zich nog steeds in een ontwikkelingsfase of wordt slechts op een beperkte schaal ingezet.  

Pompcentrale voor energieopslag in Vianden, Luxemburg

Momenteel zijn pompcentrales bijna de enige technologie die bij elektriciteitsnet, echt op commerciële en grote schaal gebruikt wordt voor de opslag van elektriciteit. En er is wel een moeilijk te omzeilen probleem bij het bouwen van  pompcentrales. Namelijk moet er een geschikte locatie gevonden worden die voldoet aan de geografische vereiste. Deze vereiste is dat het moet mogelijk zijn om twee bassins aan te leggen waartussen er een bepaald hoogteverschil aanwezig is. Momenteel zijn er ook nog twee andere energie-opslag technologieën die grote kanshebbers zijn voor een doorbraak op grote schaal. Deze zijn namelijk technologie waarbij er gebruik wordt gemaakt van gecomprimeerde lucht en die waar vliegwielen gebruikt worden. Deze zijn in het algemeen eenvoudiger te bouwen dan een pompcentrale en maar kunnen ook gebruikt worden om een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit te gaan opslaan. Momenteel wordt er voor de opslag van elektriciteit bij een elektriciteitsnet heel vaak gebruik gemaakt van ook enorm grote batterijen - of toch gebouwen die vol met batterijen staan. Maar batterijen zijn een relatief duur alternatief voor dit probleem en deze hebben ook een relatief korte levensduur. Dus een andere, goedkoper en duurzamer alternatief zou zeer welkom zijn voor energieopslag in de toekomst. 

En dit zorgt ervoor dat er meer en meer interesse komt voor de andere alternatieven zoals gecomprimeerde lucht en vliegwielen. Deze toenemende interesse komt deels door het toenemende aandeel van hernieuwbare energiebronnen, zoals windenergie en zonne-energie, in onze energiemix of althans door de plannen voor de infrastructuur voor deze hernieuwbare energiebronnen. Maar daarnaast wordt er ook maar steeds meer elektriciteit verbruikt en zijn er ook meer aangesloten verbruikers op het net. Dit zorgt ook voor meer variaties in de vraag naar elektriciteit, bijvoorbeeld tussen de piek- en daluren gedurende een dag.  

De energie-opslag technologie waarbij gebruik gemaakt wordt van gecomprimeerde lucht zou vooral dienen om grote hoeveelheden energie op te slaan over een langere periode, namelijk meerdere uren of zelfs een volledige nacht. Het algemene principe is dat op het ogenblik dat er 'teveel' elektriciteit geproduceerd wordt, de overschot aan elektriciteit zou gaan naar het aandrijven van een aantal compressors. Deze compressors zouden  lucht uit de atmosfeer nemen en die gaan comprimeren tot een hogere druk. Deze gecomprimeerde lucht zou dan ergens opgeslagen worden. En dan op een later moment, wanneer er elektriciteit 'tekort' is op het elektriciteitsnet, dan zou men deze gecomprimeerde lucht laten expanderen totdat het terug de atmosferische druk bereikt heeft. Deze expansie zou plaatsvinden in een turbine en tijdens deze expansie zou de lucht dan de turbine en op zijn beurt een generator aandrijven die de opgeslagen energie terugwint en deze terug op het net zet. Voor de opslag van de gecomprimeerde lucht zou men gebruik kunnen maken van verlaten schachtbouwmijnen, die met een aantal maatregelen zo goed als luchtdicht gemaakt zouden kunnen worden.

Er bestaan zo'n drie verschillende types voor de technologie voor energie-opslag met gecomprimeerde lucht. Het verschil tussen deze drie types is wat er gebeurt met de warmte die ontstaat tijdens het comprimeren van de lucht. Namelijk wanneer men de druk in de lucht zal opdrijven met behulp van compressoren dan zal ook de temperatuur gaan toenemen. En bij decompressie of dus de expansie, is het een vereiste dat de lucht terug of nog steeds een hoge temperatuur heeft. Dit is dus noodzakelijk om de energie terug te winnen uit de gecomprimeerde lucht. De drie verschillende types zijn adiabatische, diabatische, en isotherme opslag van de gecomprimeerde lucht. Bij adiabatische opslag van de gecomprimeerde lucht wordt de warmte die ontstaat bij het comprimeren apart opgeslagen na de compressie. En dan wanneer de energie teruggewonnen moet worden, dat wordt de warmte 'teruggegeven' aan de gecomprimeerde lucht net voor de expansie.

Bij diabatische opslag van de gecomprimeerde lucht wordt de extra warmte die ontstaat bij het comprimeren afgevoerd tijdens de opslag van de gecomprimeerde lucht. Dit kan gedaan worden met intercoolers en zo wordt een deel van de thermische energie deels teruggewonnen en de rest afgevoerd naar de atmosfeer als restwarmte. Wanneer de opgeslagen energie dan teruggewonnen moet worden, dan moet de gecomprimeerde lucht eerst terug opgewarmd worden vooraleer men de energie kan gaan terugwinnen. Het opwarmen van de opgeslagen lucht kan gedaan worden met een brander op aardgas of door gebruik te maken van een andere bron van thermische energie. De laatste methode voor opslag is de isotherme compressie en expansie, waarbij men tracht de temperatuur van de lucht constant te houden door constante warmte uitwisseling met de omgeving. Dit is enkel praktisch haalbaar voor lage energie niveau's, met zeer efficiënte warmtewisselaars en over een relatief grote tijdsperiode. 

Beacon Power's energie-opslag installatie in Stephentown,

 New York waarbij vliegwielen gebruikt worden om de 

energie op te slaan. 

De energie-opslag technologie waarbij er gebruik gemaakt wordt van vliegwielen zou dienen om variaties op een korte tijdsperiode te gaan opvangen. Het is namelijk zo dat er in de vraag naar elektriciteit, op een zeer korte tijdsperiode, heel wat kleine variaties optreden in het verbruik. Namelijk doordat er constant toestellen ingeschakeld en uitgeschakeld worden door de gebruikers aangesloten op het net. In het algemeen zouden vliegwielen dienen om energie op te slaan voor zo'n 15 minuten voordat het dan weer af te geven. Want, namelijk is het zo dat een grote elektriciteitscentrale zoals een steenkool-, aardgas-, kerncentrale ook zijn elektriciteitsproductie kan aanpassen aan het verbruik. Dit is mogelijk door de frequentie van de opgewekte elektriciteit zo te gaan aanpassen en dat ook de energie-inhoud aangepast wordt.

Maar in dergelijke grote centrales duurt het steeds zo'n 5 minuten of langer vooraleer het zich kan gaan aanpassen aan de vraag naar elektriciteit. En hier is dan dat de technologie van de energieopslag met vliegwielen komt kijken. Namelijk doordat deze in staat zijn om op een zeer korte tijdsperiode energie op te slaan en terug af te geven. Deze vliegwielen zijn verbonden met een elektrische motor/generator. Wanneer er energie moet opgeslagen worden, dan wordt de motorfunctie gebruikt om het vliegwiel (sneller) te laten draaien. Wanneer de energie dan teruggevraagd worden, dan wordt de generatorfunctie gebruikt om de kinetische energie terug om te zetten in elektrische energie. In het algemeen zouden dan een reeks van dergelijke vliegwielen gebruikt worden om de 'kleine' variaties in het elektriciteitsverbruik te gaan opvangen, zodat men de grote elektriciteitscentrales deels kan verlossen van deze taak.  

Van allebei deze energie-opslag technologieën, gecomprimeerde lucht en vliegwielen, zijn er nog maar een paar commerciële installaties in gebruik. Maar er worden steeds meer plannen gemaakt om nieuwe energie-opslag installaties te bouwen. En als we de capaciteit van al deze plannen om nieuwe installaties bij te bouwen, dan zien we dat totale energie-opslag capaciteit in de wereld binnenkort meer dan verdubbeld zal worden. Een dergelijke groei komt doordat er nog maar sinds kort veel interesse is in energie-opslag technologieën. Zo'n 10 jaar geleden was er nagenoeg bijna geen interesse in energie-opslag maar de laatste jaren met de sterke opkomst van de hernieuwbare energiebronnen wordt dit onderwerp en deze technologieën steeds maar belangrijker.   

Geschreven door Emile Glorieux, bron [nationalgeographic]