Als je thuiskomt uit je werk en het licht, de tv en de elektrische kachel aandoet, is de zon al onder en produceren zonnepanelen geen stroom meer. Als het op dat moment ook niet waait en de windmolens stilstaan, moet de stroom uit het stopcontact van kolen- of kerncentrales komen.
Een nadeel van groene, duurzame energie is dat de productie niet stabiel is. Als de zon niet schijnt en de wind is gaan liggen, moeten we het van energie uit kolen of atomen hebben om aan de vraag te kunnen voldoen. Op andere momenten produceren zon en wind meer stroom dan de consumenten verbruiken en is er overtollige elektriciteit.
Tot nu toe is het niet gelukt om een vorm van energieopslag te ontwikkelen die niet te duur is, overal toepasbaar is, niet vervuilt en grote hoeveelheden energie kan opslaan. Maar bij Manchester is vorig jaar een installatie geplaatst die gebruikmaakt van gewone buitenlucht en die kan concurreren met lithiumionaccu’s. Het energiebedrijf Highview Power bouwde ’s werelds eerste energieopslag op basis van koude lucht – cryo-opslag – en ontwikkelde daarmee mogelijk een oplossing voor het grootste probleem van duurzaamheid: wat doen we met de energie die niet onmiddellijk verbruikt wordt?
Duurzaamheid is moeilijk
Ons energieverbruik gaat niet altijd gelijk op met de productie. Zo produceren zonnepanelen overdag de meeste stroom, terwijl de piek van het verbruik in de avond valt, wanneer er gekookt wordt en de televisie aan gaat. Rond het middaguur ligt het verbruik meestal iets boven de 50 GW, terwijl het ’s avonds richting de 60 GW gaat. Als windmolens niet veel produceren en de zon onder is, moeten kolen- en kerncentrales aan de vraag voldoen. Die kunnen naar behoefte produceren.
Om dat probleem op te lossen, moet er energie opgeslagen worden – zowel op korte termijn, zodat overdag opgewekte stroom ’s avonds verbruikt kan worden, als op de lange, zodat overtollige stroom die in de lichte zomer is opgewekt voor de donkere winter bewaard wordt.
Overtollige stroom koelt lucht
Voorlopig hebben wetenschappers nog geen energieopslag ontwikkeld die geen lastige beperkingen heeft.
Bij pompopslag wordt met overtollige stroom water omhoog gepompt, en als er vraag naar elektriciteit is, wordt het water door een turbine gesluisd. Deze technologie werkt echter alleen goed in de bergen. Een ander idee is de flowbatterij, die elektriciteit opwekt door chemische energie van elektrisch geladen chemicaliën in stroom om te zetten.
De laatste jaren hebben ingenieurs ook reusachtige lithiumionaccu’s gebouwd, die heel veel stroom kunnen opslaan. De productie is echter vervuilend en de accu’s bevatten schadelijke stoffen, waardoor recycling bemoeilijkt wordt. Bovendien gaan de accu’s slechts tien jaar mee.
Als lucht wordt gecomprimeerd en gekoeld tot een vloeistof die groene stroom opslaat, wordt het volume 700 keer zo klein. Zo past er veel energie in een klein volume. Bij pompopslag wordt water met behulp van overtollige elektriciteit van een laag naar een hoog reservoir gepompt, en als er vraag naar elektriciteit is, stroomt het door turbines die stroom opwekken. Het nadeel is dat water 300 keer zo veel ruimte inneemt als vloeibare lucht. Flowbatterijen worden snel minder efficiënt, en lithiumbatterijen, die veel beter presteren dan cryo-opslag, gaan een stuk korter mee. Bovendien is de productie sterk vervuilend.
In kWh/m3
1) Warmteopslag met olie e.d.
2) Flowbatterijen
3) Cryo-opslag
4) Lithiumionbatterijen
Een cryo-opslag kan daarentegen overal neergezet worden en heeft niet veel meer nodig dan frisse lucht. Daarnaast heeft het systeem een geschatte levensduur van 30 à 40 jaar en is het van staal, dat goed te recyclen is.
Installatie benut de buitenlucht
Als zuurstof gekoeld wordt tot -196 °C, wordt het vloeibaar. Dit verschijnsel benutten de ingenieurs van Highview Power die de cryo-opslag bouwden. De lucht wordt gekoeld met energie van windmolens of zonnepanelen en opgeslagen in geïsoleerde stalen tanks, die als een soort thermosfles werken.
Als er weer stroom nodig is, wordt de ijskoude vloeibare lucht uit de tanks gehaald, onder druk gezet en verwarmd met groene energie. Zo ontstaat er een luchtstroom met een 700 keer zo groot volume, die een turbine aandrijft.
Om het systeem zo efficiënt mogelijk te maken, worden warmte én kou hergebruikt. Als de lucht is gekoeld tot een vloeistof van -196 °C, komt er warmte vrij – zoals bij een koelkast, die van achteren warmte uitstraalt.
In de demonstratie-installatie van Highview Power wordt de overtollige warmte opgeslagen en gebruikt om de koude, vloeibare lucht weer te verwarmen als er stroom nodig is. En als de ijskoude vloeistof uitzet tot lucht, komt er kou vrij, die wordt hergebruikt bij de volgende koelcyclus.
Diepvriesvoedsel
De energie van een cryo-opslag is niet alleen bruikbaar op het lichtnet: de installatie kan ook aan een vrieshuis worden gekoppeld. Vrieshuizen moeten constant gekoeld worden en vreten dus energie.
Koelhallen als deze vreten energie. De koude lucht kan hier gebruikt worden om de energierekening terug te dringen.
Het kost veel energie om voeding in te vriezen, en in de EU wordt 70 procent van het voedsel gekoeld of ingevroren. Vooral grote vrieshuizen met een energieverbruik van 500 kilowatt tot 10 megawatt laten zich goed combineren met cryo-opslag.
Het Europese samenwerkingsproject CryoHub wil dit jaar een energieopslag met vloeibare lucht realiseren in het Vlaamse Lommel. Eerst komt er een kleine installatie met een capaciteit van 100 kilowatt, maar de potentie is groot.
Een combinatie van een cryo-opslag en een vrieshuis kan een efficiëntie van 70 tot 80 procent bereiken, waar Highview Power 60 tot 70 procent haalt. Het verschil is te danken aan het gebruik van de koude lucht in het vrieshuis.
CryoHub bracht de grootste vrieshuizen in de EU in kaart, en het blijkt dat de meeste in dichtbevolkt gebied langs de noordwestkust van Europa staan – precies waar in de toekomst grote windmolenparken op zee verrijzen en er veel overtollige elektriciteit aan land zal komen.
De technologie werkt
Highview Power heeft met zijn cryo-opslag bewezen dat de technologie werkt. De komende jaren gaat het bedrijf flink uitbreiden, en al in 2022 wil het een nieuwe installatie openen die 50.000 huishoudens drie uur lang van stroom kan voorzien. De huidige installatie bij Manchester produceert genoeg voor 5000 huishoudens.
Daarmee hebben we er een nieuwe, veelbelovende techniek voor het opslaan van stroom bij – als oplossing voor een van de grootste uitdagingen van de overgang naar duurzame energie.
Als je in de toekomst op een donkere, windstille dag thuiskomt van je werk, werken het licht en de tv gewoon op stroom van gekoelde lucht.
De wetenschappers leggen het zelf uit
Het team dat de technologie ontwikkelde, legt zelf uit hoe de cryo-opslag werkt.