Wat is de achilleshiel van een klimaatneutraal België? Volgens Willy Baeyens en Hubert Rahier is er één iets waar we dringend in moeten investeren: de opslag van hernieuwbare energie. In dit 4e deel van de reeks bekijken ze hoe we dat kunnen doen, en hoe we vraag en aanbod aan energie op elkaar zullen moeten afstemmen om het te halen.
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!
Wat?
Hoor je het even donderen in Keulen bij de termen “vermogen”, “TWh per jaar” en “rendement”?
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.
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.
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:
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?
Vergelijking van de grootte van opslagsystemen en hun kostprijs
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
HUISHOUDENS
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.
