Plus Waterstof en batterijen: hoekstenen van een groen energiesysteem

De integratie van intermitterende hernieuwbare bronnen zoals zon en wind in onze energiebevoorrading vraagt om een ingenieus amalgaam van opslagtechnologieën. Hoe ons energieopslagsysteem er straks precies zal uitzien, valt nog af te wachten. Toch tekenen er zich al enkele duidelijke trends af.

Dit artikel maakt onderdeel uit van het dossier:
Klimaattop
Senne Starckx | 29 november 2016
Innotrans1

Bij energieopslag denken we in de eerste plaats aan de batterij. We tappen elektriciteit af van het stopcontact met een adapter en laden onze smartphone op, onze laptop of – de early adopters onder ons – onze elektrische wagen. Of we nemen een klassiek wegwerpbatterijtje (meestal gebaseerd op alkaline) om onze wekkerradio of weegschaal van stroom te voorzien. Batterijen voorzien ontelbaar veel apparaten van stroom. Wat die allemaal gemeen hebben, is dat hun gewicht grotendeels wordt bepaald door die batterij. En laat dat meteen een van de grote zwaktes zijn van de batterijtechnologie. Omdat zowel hun omvang als gewicht moeilijk naar beneden kan zonder aan opslagcapaciteit in te boeten, zetten batterijen een rem op de vooruitgang in tal van innovatieve, hightech onderzoeksvelden: van elektrische wagens over computers tot medische implantaten.

Concurrerende technologieën

De beperkingen van de huidige batterijen hebben er ook voor gezorgd dat er tal van concurrerende technologieën zijn opgedoken om elektriciteit snel en in grote hoeveelheden op te slaan en even snel weer af te tappen. Al die technologieën gaan op dezelfde manier te werk: ze zetten energie van de elektrische stroom eerst over op een andere energiedrager om ze vervolgens op te slaan. Die energiedrager kan diverse vormen aannemen, zoals water in een stuwmeer of een waterbekken (bijvoorbeeld dat van Coo-Trois-Ponts), of mogelijk een energieatol. Maar het kan ook waterstofgas zijn, het resultaat van de splitsing van water in zuurstof en waterstof door elektrolyse. De energiedrager kan zelfs een trein zijn. Zo loopt in de woestijn van de Amerikaanse staat Utah een experiment waarbij elektrische stroom wordt gebruikt om een loodzware trein een berg op te laten rijden. Wanneer die trein naar beneden rolt, zal hij een dynamo aandrijven die stroom afgeeft.

Groene waterstof

De productie van waterstof door elektrolyse met overtollige groene stroom (bijvoorbeeld op een winderige, zonnige dag) maakt de kern uit van het businessmodel van Hydrogenics, een Canadees bedrijf dat een Belgische vestiging heeft in Westerlo.Daar worden mobiele waterstofgeneratoren gemaakt die gemakkelijk te transporteren zijn en dus overal ter wereld, op de meest afgelegen plekken, kunnen worden ingezet. De generatoren hebben de vorm van een standaard scheepscontainer. Ze lenen zich perfect om lokaal – bij voorkeur groene – stroomoverschotten weg te werken. In windparken bijvoorbeeld, die vaak afgelegen liggen. De windenergie kan er worden omgezet in ‘groene waterstof’. Die kan vervolgens dienen voor een waaier van toepassingen: als basis voor brandstofcellen in elektrische voertuigen, als vervanger voor conventioneel aardgas of als brandstof voor de productie van nieuwe elektriciteit. “Het voordeel van gas is dat het relatief gemakkelijk kan worden opgeslagen, in tegenstelling tot elektrische stroom”, zegt Filip Smeets, general manager van Hydrogenics in Westerlo. “Nog een voordeel van de zogenaamde power-to-gastechnologie is dat je het gas, dat lokaal wordt geproduceerd, meteen kunt injecteren in het lokale gasleidingennetwerk, waarmee huizen en fabrieken kunnen worden verwarmd.”In het Duitse Falkenhagen – bij onze oosterburen zijn groene stroomoverschotten schering en inslag – heeft Hydrogenics zo een installatie staan van 2 megawatt, goed voor een ‘oogst’ van 360 kubieke meter gas per uur. De Europese Commissie ziet de toekomst van groene waterstof rooskleurig in, meent Smeets. “Ze is volop bezig een systeem te ontwikkelen om een soort van groene certificaten te verlenen aan waterstofgas dat op basis van hernieuwbare energiebronnen is geproduceerd. Met het almaar toenemende aandeel van groene stroom in de energiemix – en dus ook de steeds groter wordende overschotten – oogt de toekomst dus bijzonder gunstig voor een business gebaseerd op het ‘oogsten’ van hernieuwbare energie voor de productie en verkoop van waterstof.”

Te laat

Toch is niet iedereen overtuigd van de rooskleurige toekomst van waterstof als energiedrager. Laat staan van de waterstofeconomie, waarbij het gas in alle geledingen van de maatschappij wordt aangewend. “Ik kan het alleen maar blijven herhalen: waterstof is volgens ons een doodgeboren kind”, zegt Ronnie Belmans, CEO van onderzoeksinstelling EnergyVille. “Neem nu de waterstofauto: daar wordt al zo lang onderzoek naar gedaan, en nog staat hij nergens. Terwijl de vooruitgang bij de elektrische auto tegenwoordig razendsnel gaat.” Dat een technologie er op papier mooi uitziet, garandeert ook niet datze zonder problemen kan worden toegepast, meent Belmans: “Voor de waterstofeconomie is een totaal nieuwe infrastructuur nodig, en ik vrees dat het daarvoor te laat is. Voor power-to-gas zie ik nog wel toekomst, maar dan alleen voor de productie van methaan, waarvoor we de bestaande aardgasinfrastructuur kunnen gebruiken.” Ook Erik Delarue, professor energiesystemen aan de KU Leuven, heeft bedenkingen. “Er zijn onlosmakelijke risico’s verbonden aan het breed inzetten van dit licht ontvlambare gas. Veilige opslag is dus zeker geen evidentie.” Exit waterstof? Diverse evoluties lijken dat tegen te spreken. Zo stelde treinbouwer Alstom vorige maand de eerste waterstoftrein voor (met brandstofcellen van Hydrogenics) en zetten Toyota, Hyundai en Honda volop in op de waterstofauto, die intussen marktrijp is. Het Federaal Planbureau verwacht dat waterstof in het vizier komt vanaf 2030-2040, wanneer er voldoende hoeveelheden overschotten wind- en zonnestroom verloren dreigen te gaan. Binnen de Federale Overheidsdienst Mobiliteit ziet men waterstof op lange termijn als een energiebron om transport aan te drijven. Om die verwachtingen te kunnen inlossen, moet de technologie wel nog goedkoper worden.

Europees supergrid

Ondanks de commerciële successen van bedrijven zoals Hydrogenics kunnen we er inderdaad niet omheen: in Europa worden momenteel volop nieuwe ‘interconnecties’ aangelegd. Dat zijn ondergrondse of onderzeese stroomkabels die de nationale elektriciteitsnetten nauwer met elkaar verbinden. Elia, de beheerder van het Belgische hoogspanningsnet, heeft enkele jaren geleden al de transmissiecapaciteit met Frankrijk verhoogd. Op dit moment wordt een nieuwe verbinding met Duitsland gelegd en het Nemo Link-project heeft een grote stroomuitwisseling met Zuidoost-Engeland voor ogen. Door de stapsgewijze realisatie van dat Europese ‘supergrid’ zal het volgens
Belmans straks veel gemakkelijker en goedkoper worden om de nodige opslagcapaciteit te vinden, ook op grote afstand. “Het supergrid zal bovendien de keuze verruimen op het vlak van flexibiliteitsmiddelen: oplossingen om het stroomevenwicht op het net zoveel mogelijk in stand te houden.”

Allemaal naar Noorwegen

Een sprekend voorbeeld van een grote opslagcapaciteit die dankzij de interconnecties straks beschikbaar is, zijn stuwdammen. Nu al wordt Belgische netstroom gebruikt om water naar boven te pompen in het spaarbekken van Coo. Maar evengoed sturen we onze groenestroomoverschotten straks naar Noorwegen, waar ze de pompen zullen aandrijven die de meer dan duizend stuwmeren in het land weer doen vollopen. Noorwegen is dan ook, na Duitsland, het land waarnaar de meeste interconnecties worden gelegd. Zit er muziek in de ambitie van de Noren om van hun land de ‘groene batterij van Europa’ te maken? “Zeker wel”, zegt Erik Delarue. “Door de toename van intermitterende bronnen zoals zon en wind zal opslag zeker nog aan belang winnen. En de Europese context zal daarbij een belangrijke rol spelen. Daarnaast kunnen de Noorse stuwmeren, momenteel goed voor meer dan 30 gigawatt aan capaciteit, ook dienen als operationele stroomreserve of om voorspellingsfouten als gevolg van het weer op te vangen. Een waterkrachtcentrale is net zoals een kolencentrale, maar dan nog flexibeler: je zet ’m aan of uit wanneer je wilt.”

Decentraal

De enorme Noorse waterkrachtcapaciteit en de vele offshore windparken die Europa nu al telt, -zullen volgens Ronnie Belmans vooral dienen om het evenwicht op het niveau van het nationale of zelfs het continentale net te waarborgen. Wat flexibiliteitsmiddelen betreft, ziet hij een evolutie naar een decentraal systeem. “Het evenwicht tussen vraag en aanbod zal op een zo laag mogelijk niveau gerealiseerd worden. In een woning door zonnepanelen op het dak, door een thuisbatterij en door slimme vraagsturing. Vervolgens in de straat of wijk, waar het smart grid de resterende onevenwichten wegwerkt. En zo verder.” Met de thuisbatterij, die eerder dit jaar nog volop in het nieuws kwam bij de lancering van de Tesla Powerwall, zijn we dus toch weer aanbeland bij die technologie die zo moeilijk lijkt te kunnen worden opgeschaald. Of is dat slechts schijn? “Begin oktober bezocht ik een bedrijf in Canada dat een batterij met een opslagcapaciteit van liefst 1,2 megawattuur had liggen (ter vergelijking: de Powerwall  haalt nog geen 10 kilowattuur, red.). Het gaat dus wel degelijk vooruit”, aldus Belmans. 

Rijden op Li ionbatterijen

Dat weet ook Philippe Vereecken, die bij onderzoekscentrum imec als principal scientist aan het hoofd staat van het energy storage team. “Vandaag zien we een enorme drive om vooruit te komen in het batterijonderzoek. En ja, dat komt vooral door de komst van de elektrische wagen. Zowel bedrijven als onderzoeksinstellingen zetten de grote middelen in om krachtigere en veiligere batterijen te ontwikkelen. Opmerkelijk daarbij is dat er samenwerkingsverbanden ontstaan tussen auto- en batterijfabrikanten, zoals VARTA en Volkswagen en Panasonic en Toyota.” De heroplaadbare lithium-ionbatterijen in onze smartphone en laptop opschalen en vervolgens overplaatsen naar elektrische wagens of verwerken in zonnepanelen, dát is de grote uitdaging van het moment. “Die batterijen bevatten echter een vloeibare elektrolyt, waardoor ze bij opwarming kunnen zwellen en uiteindelijk barsten. Eens blootgesteld aan lucht kunnen die batterijmaterialen hevig en soms explosief ontbranden”, legt Vereecken uit. “Het veilige alternatief waarnaar volop onderzoek wordt gedaan zijn lithium-ionbatterijen met als kern enkel een vaste stof. Die zijn niet alleen veiliger, ze hebben ook nog eens een grotere energiedichtheid én een langere levensduur. Het is een kwestie van tijd vooraleer de eerste exemplaren op de markt komen. Vanaf dan gaat het écht vooruit.”

Verder lezen?

Maak een profiel aan en lees Susanova nu 1 maand gratis.