Een antwoord op energiefluctuaties: batterijtechnologie voor een betrouwbaarder energielandschap

Energiepieken en -dalen zijn helaas intrinsieke aspecten van duurzame energieopwekking, met name bij zonne- en windenergie. Deze variabiliteit vormt een aanzienlijke uitdaging voor het handhaven van een stabiel elektriciteitsnetwerk. We kijken naar de rol van opslagtechnologieën, met een specifieke focus op geavanceerde batterijsystemen, in het beheren van de variabiliteit in ons elektriciteitsnetwerk.

Zonne- en windenergie spelen een cruciale rol in het verduurzamen van ons energiesysteem. De productie van deze duurzame energiebronnen is echter behoorlijk variabel vanwege natuurlijke variaties in zonneschijn en windkracht. Deze variabiliteit kan leiden tot energiepieken en -dalen, wat een uitdaging vormt voor het handhaven van een stabiel elektriciteitsnetwerk. De directe consequenties zijn merkbaar in de onbalans tussen vraag en aanbod op het elektriciteitsnet. Tijdens piekuren kan er meer energie worden geproduceerd dan nodig is, wat kan leiden tot overbelasting en mogelijke netwerkproblemen. Aan de andere kant kunnen energiedalen leiden tot tekorten, waardoor de betrouwbaarheid van de energievoorziening in gevaar komt. Ook kunnen energiepieken en -dalen schade veroorzaken aan elektrische apparatuur. Er zijn dus eveneens economische implicaties, ook omdat energietekorten de afhankelijkheid van conventionele energiebronnen kunnen vergroten.

Het beheren van energiepieken en -dalen

Het volledig voorkomen van energiepieken en -dalen in een elektriciteitsnet dat gebruikmaakt van zonne- en windenergie is dankzij de natuurlijke variabiliteit van deze bronnen erg uitdagend. Er zijn echter verschillende strategieën en technologieën waarmee deze pieken en dalen beter kunnen worden beheerd en hun impact kan worden verminderd. Denk hierbij aan de inzet van slimme meters, die kunnen helpen om vraag en aanbod in evenwicht te houden. Verbeteringen in voorspellingsmodellen voor weer, zonneschijn en windkracht kunnen netbeheerders daarnaast helpen beter voorbereid te zijn op veranderingen in de energieproductie en -vraag. Bij het ontwerp van nieuwe infrastructuur kan verder al meer rekening worden gehouden met de variabiliteit van zonne- en windenergie, bijvoorbeeld met aanpasbare transmissiesystemen en geavanceerde regeltechnieken. Tot slot speelt energieopslag een cruciale rol. Opslagtechnologieën helpen bij het overbruggen van de discrepantie tussen de onvoorspelbare productie van hernieuwbare energiebronnen en de energievraag. Via energieopslag wordt overtollige energie opgeslagen tijdens periodes van overproductie en weer vrijgegeven wanneer de productie lager is dan de vraag. Energieopslag vangt zo de variabiliteit van hernieuwbare energiebronnen op, waardoor een betrouwbare en continue stroomvoorziening mogelijk is. Deze strategie is essentieel, omdat het direct inspeelt op de onvoorspelbare productie van hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. Hierdoor maakt opslag ook meteen een grotere integratie van zonne- en windenergie in het elektriciteitsnetwerk mogelijk en vermindert het de noodzaak van het gebruik van conventionele elektriciteitscentrales voor het opvangen van variabiliteit.

Opslagtechnologieën spelen een cruciale rol bij het beheren van de variabiliteit van zonne- en windenergie

De rol van energie-opslag

Verschillende vormen van energie-opslag kunnen worden toegepast om de variabiliteit van zonne- en windenergie op te vangen. Elektrolyse is een eerste oplossing, waarbij overtollige elektriciteit wordt gebruikt om watermoleculen te splitsen in waterstof- en zuurstofgassen. De resulterende waterstof fungeert als een schone en veelzijdige energiedrager die gemakkelijk kan worden opgeslagen. Dit maakt het mogelijk om de geproduceerde waterstof later te benutten voor verschillende toepassingen, waaronder elektriciteitsopwekking in brandstofcellen. Brandstofcellen zetten waterstof om in elektriciteit door de chemische reactie met zuurstof, waarbij water en warmte de enige bijproducten zijn. Elektrolyse biedt zo een slimme manier om overtollige elektriciteit op te vangen en om te zetten in een duurzame energiebron.

Pomp-opslagcentrales vormen een tweede oplossing, waarbij elektriciteit tijdens perioden van overproductie wordt gebruikt om water omhoog te pompen naar een hoger gelegen reservoir. Wanneer de vraag naar elektriciteit toeneemt, wordt het opgeslagen water naar beneden gelaten, waardoor turbines worden aangedreven en elektriciteit wordt opgewekt. Dit proces staat bekend als een efficiënte manier om energie op te slaan en kan snel reageren op veranderingen in vraag en aanbod. Thermische energieopslag is een derde oplossing, waarbij overtollige elektriciteit wordt omgezet in warmte. Dit kan worden bereikt door water te verwarmen of door het smelten van thermische zouten met een hoog smeltpunt. De opgeslagen warmte kan op een later moment worden vrijgegeven om stoom te produceren, wat vervolgens turbines aandrijft voor elektriciteitsopwekking. Deze methode biedt een manier om opgeslagen energie op een gecontroleerde manier weer vrij te geven. De keuze tussen deze (en nog vele andere) methoden hangt af van verschillende factoren, zoals de schaal van de energieopslagtoepassing, de gewenste opslagduur en het beschikbare budget. Vaak wordt een combinatie van deze opslagtechnologieën toegepast om een evenwichtig en flexibel systeem te creëren.

Batterijenergieopslag

De meest laagdrempelige manier om elektriciteit op te slaan is echter via batterijopslag, ook wel bekend als batterijenergieopslag (BES). Terwijl elke technologie zijn eigen voordelen kent en zijn eigen toepassingen heeft, lichten we hier specifiek batterijenergieopslag uit als een prominente speler in het beheren van energiepieken en -dalen. Deze keuze is gebaseerd op de veelzijdigheid, snelle reactietijd en schaalbaarheid van batterij-opslag. Batterijen bieden niet alleen de mogelijkheid om energie efficiënt op te slaan over korte tot middellange termijn, maar hun snelle reactie op veranderingen in de vraag naar elektriciteit maakt ze bijzonder effectief bij het ondersteunen tijdens piekbelastingen en het handhaven van een stabiele stroomvoorziening. Voordat we daar dieper op ingaan, eerst echter een beschrijving van de werking en toegevoegde waarde van batterijopslag. Batterij-opslag is een technologie die elektrische energie opslaat in batterijen voor later gebruik. Hoe kunnen batterijen een sleutelrol spelen in het overbruggen van fluctuaties in zonne- en windenergie, zodat een stabiel en betrouwbaar energienetwerk kan worden bevorderd? Tijdens periodes waarin er overproductie van elektriciteit is, wordt overtollige elektriciteit gebruikt om de batterijen op te laden. Dit gebeurt door een elektrische stroom door de batterijen te sturen. De batterijen slaan de elektrische energie via een elektrochemische reactie in de batterijcellen op in de vorm van chemische energie. Wanneer er vraag is naar elektriciteit en er onvoldoende elektriciteitsproductie is, wordt de opgeslagen energie uit de batterijen vrijgegeven. Hiervoor wordt de elektrochemische reactie omgekeerd, waardoor elektronen vrijkomen en elektriciteit wordt geleverd. Tijdens het ontladingsproces stroomt de elektriciteit uit de batterijen door een omvormer. De omvormer neemt de gelijkstroom van de batterijen en verandert deze in wisselstroom van de juiste spanning en frequentie. Het resulterende wisselstroomsignaal kan vervolgens worden gebruikt om elektrische apparaten van stroom te voorzien. Ook kan het rechtstreeks worden geïnjecteerd in het elektriciteitsnet. Dit betekent dat de opgeslagen energie wordt toegevoegd aan het algemene elektriciteitsnet. Op die manier kan het batterijsysteem het elektriciteitsnet ondersteunen tijdens perioden van piekbelasting, waarbij de vraag naar elektriciteit hoog is. Ook kan het helpen om de stroomvoorziening te handhaven tijdens periodes waarin de productie van hernieuwbare energie verminderd is, zoals tijdens de nacht en windstille periodes.

Energiepieken en -dalen vormen een intrinsiek aspect van zonne- en windenergie

Snelle reactie en optimale prestatie

Het Hornsdale Power Reserve-project in Zuid-Australië, met zijn megabatterij, is een voorbeeld van hoe batterijopslag kan fungeren als een essentiële schakel in het stabiliseren van het energienetwerk – de installatie is geïntegreerd met een nabijgelegen windmolenpark. De megabatterij kan binnen milliseconden reageren op veranderingen in de vraag naar energie, waardoor het netwerk flexibel en robuust blijft. Want ja, batterijen moeten niet alleen voldoende opslagcapaciteit (voor langere termijn) bezitten, om effectieve ondersteuning bij energiepieken en -dalen te bieden, moet batterij-opslag ook snel kunnen reageren op veranderingen in de vraag naar elektriciteit. Om die onmiddellijke aanpassing van de energieafgifte mogelijk te maken, worden verschillende geavanceerde technologieën ingezet. Kunstmatige intelligentie (AI) speelt een cruciale rol bij het verbeteren van de reactiesnelheid van batterij-opslagsystemen. AI kan namelijk niet alleen de interactie tussen batterij-opslag en andere hernieuwbare energiebronnen optimaliseren – wanneer moet er worden opgeladen op basis van beschikbaarheid van zonne- of windenergie? – ook maakt het real-time besluitvorming mogelijk op basis van actuele gegevens, waardoor de snelheid van ontlading wordt aangepast aan de verwachte energievraag. Via voorspellende analyses kan AI ook historische gegevens en weersinformatie gebruiken om toekomstige energiepatronen te voorspellen, waardoor het energieopslagsysteem proactief kan anticiperen op pieken en dalen. Zelflerende systemen passen zich daarbij aan veranderende patronen aan en optimaliseren hun prestaties in de loop van de tijd. Het implementeren van slimme batterijopslagsystemen op verschillende schalen, van residentiële toepassingen tot grootschalige energieopslagfaciliteiten, zal bijdragen aan het opvangen van variabiliteit in het energieaanbod en het handhaven van een betrouwbaar elektriciteitsnetwerk.

De negatieve zijde van batterijen

Batterij-energieopslag kent echter ook nadelen. Een belangrijk nadeel is de beperkte levensduur van batterijen, waarbij de efficiëntie na verloop van tijd vaak afneemt. Daarnaast hebben de winning en verwerking van materialen een impact op het milieu. Het gaat dan bijvoorbeeld om bodem- en watervervuiling. Bovendien is de productie van batterijen energie-intensief en op dit moment nog afhankelijk van niet-hernieuwbare bronnen. Het beheer van afgedankte batterijen en de recycling van materialen zijn eveneens complexe kwesties. Tot slot brengt de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen in sommige batterijen ook nog eens geopolitieke zorgen met zich mee. Onderzoek en ontwikkeling richten zich zodoende op het verbeteren van levensduur, duurzaamheid en recycling.