www.uce-uu.nl

Elektriciteitsopslag:De stand van zaken

Ir. E.H. LysenUtrecht Centrum voor Energieonderzoek (UCE)

FOM Workshop ElektriciteitsopslagRijnhuizen, 1 november 2007

www.uce-uu.nl

Studie kennispositie Nederland elektriciteitsopslag

• Onderzoek kennispositie elektriciteitsopslag in Nederland en rol voor duurzame energievoorziening (opdracht SenterNovem, NEO 0268-05-05-01-002 )

• Literatuuronderzoek en interviews: ECN, Ecofys, Tennet, TU Delft, KEMA, Philips-TU/e, CCM en Universiteit Utrecht

• UCE rapport, september 2006

www.uce-uu.nl

Kennispositie Nederland1. Netgekoppelde opslagsystemen:

– met name bij KEMA en Tennet– ook ECN en TU Delft, en Essent, Ecofys

2. Opslag voor autonome systemen: – Philips (NiMH) en TU/e, TU Delft, Shell Solar, Univ Utrecht

3. Opslag voor voertuigen: – CCM (vliegwiel), Ecofys, Univ Utrecht (H2)

Kennispositie laag hoog1 Netgekoppelde systemen2 Autonome systemen3 Voertuigen

www.uce-uu.nl

Typen opslagsystemenChemische energie opslag

1. Lood-zuur batterij2. Nikkel-Cadmium en Nikkel-Metaal-Hydride batterij3. Lithium-Ion batterij4. Natrium-zwavel batterij5. Zinkbromide flow batterij6. Vanadium-redox flow batterij 7. Regenesys flow batterij8. Metaal-lucht batterij9. Waterstof

Mechanische energie opslag10.Compressed Air Energy Storage (CAES) 11.Pomp-accumulatie12.Vliegwiel

Elektrische energie opslag13.Supercondensator14.Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

www.uce-uu.nl

1. L

ood-

zuur

2. L

ithiu

m

3. N

ikke

l MH

4. N

a-zw

avel

5.Zi

nk-b

rom

ide

6. R

edox

: Reg

enes

ys

7. R

edox

: van

adiu

m

8. M

etaa

l-luc

ht

9. W

ater

stof

10: C

AES

11. P

omp-

accu

mul

atie

12. V

liegw

iel

13. S

uper

caps

14. S

MES

15. D

iver

sen

16. m

odel

lerin

g

17. t

echn

o-ec

on a

naly

se

18. P

rakt

ijkte

st

BEDRIJVENPhilipsEcofysCCMShell Solar

UNIVERSITEITENTU Delft (Schoonman)TU Delft (vd Sluis)TU Eindhoven (Notten)Univ. Twente ("Procede")Univ. Utrecht (de Jong)

KENNISINSTELLINGENKEMATNO - I&T (MEP)TNO-PMLECN

OCTROOIENPhilipsStorkThalesKleine bedrijvenIndividuen

CHEMISCH MECHANISCH ELEKTRISCH ANALYSE

www.uce-uu.nl

www.uce-uu.nl

Energiedichtheid Benzine:

8900 kWhth/m3

12100 kWhth/ton

www.uce-uu.nl

Ontwikkelingsfase

www.uce-uu.nl

Netgekoppelde systemen: pompaccumulatie

Land Pompaccumulatie

Capaciteit (MW) Totale elektrische capaciteit (MW)

Percentage

Groot-Brittannië 2.833 78.538 3,6% Frankrijk 4.280 116.207 3,7% Duitsland 4.636 124.669 3,7 % Italië 4.244 78.249 5,4 % Polen 1.604 31.407 5,1% Zwitserland 1.440 17.000 8,3% Nederland 0 20.500 0% Europese Unie (15) 32.000 617.000 5,2% USA 19.528 932.830 2,1% Japan 15.606 241.290 6,5% Wereld 90.000 3.625.700 2,5% Diverse bronnen, w.o. International Small Hydro Atlas of IEA, Eurostat, World Energy Outlook, DoE

www.uce-uu.nl

Samengeperste lucht (CAES)• Eerste CAES opslagsysteem: 1978 Huntorf (Dtl)

– Doel: leveren compressor energie van gasturbine, 290 MW gedurende 2 uur, via lucht opgeslagen in twee zoutholtes met een volume van 310.000 m3.

• Tweede CAES: 1991 Alabama (VS)– 110 MW van Alabama Electric Cooperative. Lucht

samengeperst in zoutholte (450 m diep), volume van 500.000 m3. Druk varieert tussen 74 en 45 bar

• Plannen voor 2700 MW CAES in Norton (Ohio) en 540 MW CAES in Markham (Texas) zijn nog niet gerealiseerd.

www.uce-uu.nl

Batterij opslag: Fairbanks, Alaska

• elektrische opslag op basis van NiCd batterijen• piekvermogen van 27 MW (15 min.)• geïnstalleerd aan eind lange transmissielijn• opslag goedkoper dan continubedrijf diesel • diesel wordt gestart als uitval te lang gaat duren • systeem heeft in 2003 – 2005 reeds 90 keer

dreigende netstoring voorkomen

www.uce-uu.nl

Andere bestaande systemen• UPS (Uninterrupted Power Supply)

– UPS neemt bij netuitval tijdelijk een deel van de belasting over (standaard systemen bij ziekenhuizen, banken, enz.) Opslag: accu’s, vliegwielen.

• SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)– Tientallen gebouwd, voor netspanningstabilisatie:

spanningsdippen voorkomen bij snelle belastingswisselingen (Japan, VS)

• Redox flow– Twintig Redox Flow batterijen opgesteld. (Voorbeeld: 30 MW

windcentrale Japan, VRB, 4 MW, 90 minuten, 6 MWh).– Recent nieuw onderzoek door KEMA

www.uce-uu.nl

Studies opslagsystemen• Integratie wind met opslag

– Plan Lievense: 1981 prominente rol bij discussie over opslaan windenergie: op 55 m hoge ringdijk rond een kunstmatig stuwmeer:300 windturbines van 2,8 MW

– Daarna verschillende studies naar ondergrondse pompaccumulatie centrales (OPAC, S-PAC, etc)

– Transitieplatform Duurzame Elektriciteitsvoorziening: workshop Wind energie en Opslag, Amersfoort, 4 oktober 2007

• Integratie wind zonder opslag– DENA studie: van 23,5 TWh wind in 2003 naar 77 TWh wind in

2020 is mogelijk zonder opslag• Micro WKK

– Transitieplatform Nieuw Gas• Waterstof

– DEA studie Denemarken

www.uce-uu.nl

Studie: energie eiland

www.uce-uu.nl

Eigenschappen energie eiland20.000 MWhCapaciteit

2,45 miljard EuroInvesteringskosten-32 tot -40 mWater niveaus 25 tot 30 kmAfstand tot de kust 10 x 6 kmOmvang eiland< 1 minuutReactietijdOngeveer 80% (cyclus)RendementMax. 1 per dagAantal cycli1.500 MW (12 uur)Vermogen (12 x 125 MW)

www.uce-uu.nl

Kostenvoordeel opslagsysteem t.o.v. snelle regeleenheid (CCGT)

Bron: Energie eiland, haalbaarheidsstudie fase 1, KEMA Consulting en R.I. Lievense , juli 2007

www.uce-uu.nl

OPAC (Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale)

Bron: E. van Engelen, Essent (Initiatief groep OPAC)

www.uce-uu.nl

• Boven- en benedenreservoir: 2,5 miljoen m3• Op 1400 m diepte: benedenreservoir, hal met

pompturbines, transformatorhal• Opslagcapaciteit: 8 GWh• Vermogen: 1400 MW• Cyclusrendement 81%• Investering: € 1,65 miljard • Bouwtijd: 5 jaar

Eigenschappen OPAC

Bron: E. van Engelen, Essent (Initiatief groep OPAC)

www.uce-uu.nl

Studie TU Delft en Tennet

Bron: Bart Ummels, TU Delft

www.uce-uu.nl

Niet-inpasbare windproductie

Bron: Bart Ummels, TU Delft

www.uce-uu.nl

Extra CO2 uitstoot

Bron: Bart Ummels, TU Delft

www.uce-uu.nl

Autonome systemen

• 1983: Terschelling

• 1984: Radio Hoyer, Curaçao

• 1988: Zonnehuis Castricum

• 1988: Sukatani, Indonesië

www.uce-uu.nl

Opslag in voertuigen

• In 1899 al hybride auto’s• Amsterdam, Haarlem (1909-1926):

80 elektrische taxi’s

• Eindhoven, 2004: Phileas bussen• Rotterdam, 2005: Parkshuttles

(Kralingen < > Rivium)

• VS (EPRI): Plug-in Hybrid Electric Vehicle (1:25)

• China, 2005: 23 miljoen elektrische tweewielers verkocht

Porsche, 1899

Parkshuttle, 2005

PHEV, 2006

www.uce-uu.nl

Studies naar opslag voor voertuigen

• Bossel: “ook de transportsector zal uiteindelijk de elektrische route kiezen”. – 50% van alle ritten zijn korter dan 5 km – 80% van alle benzine wordt gebruikt voor ritten van minder

dan 100 km

• Studies (o.a. Kempton): Vehicle-to-Grid– elektriciteitsopwekking aan boord van voertuigen wordt ook

gebruikt om terug te voeden in het net – 3% van voertuigen in VS kan zo grootschalige wind energie

integratie (50% van elektriciteitsverbruik) mogelijk maken– Gedachten experiment: 191 miljoen auto’s in VS kunnen

2865 GW opwekken, bijna 7x het geïnstalleerd elektrisch vermogen (417 GW)

www.uce-uu.nl

Mobiliteit in Nederland

© Centraal Bureau voor de Statistiek, Voorburg/Heerlen 2007-09-18

59,2964,3658,5733,6636,232,63,033,253,09Zaterdag

63,5964,0664,334,3333,8334,833,253,313,43Vrijdag

63,8662,6261,4632,6632,7331,573,253,243,24Donderdag

62,1363,2361,3731,8232,9132,293,153,173,29Woensdag

61,3563,2761,1331,2132,0530,93,23,223,34Dinsdag

58,9357,4958,329,9128,8828,963,073,053,15Maandag

52,8554,5554,2431,8432,1132,272,122,222,13Zondag

minutenkmaantalMobiliteitskenmerken

200520042003200520042003200520042003Perioden

Reisduur per persoon per dagAfstand per persoon per dagVerplaatsingen per persoon per dagOnderwerpen

Regio's: NederlandMotieven: Totaal motievenPopulatie: Hele bevolking

Mobiliteit per regio naar motief en algemene kenmerken

www.uce-uu.nl

Ontwikkelingen in hybrides

• Parallel hybride (1997): – enkele minuten elektrisch– Verbruik 5 l / 100 km (1:20)

• Seriële hybride (2009?):– 100 km elektrisch – 12 kWh Li-ion batterij– Verbruik: <100 km: 0,1 kWh/km

150 km: 2 l / 100 km (1:50)500 km: 5 l / 100 km (1:20)

www.uce-uu.nl

Opladen: kan niet snel…

• Benzine tanken: 38 liter/minuut• Equivalent vermogen: 38 l/min*8,9 kWh/l * 60 min/h

= 20292 kWh/h = ruim 20 MW !

• Ter vergelijking: elektrische auto met accu van 10 kWh ook opladen in 1 min vraagt (theoretisch) 600 kWh/h: 600 kW (NB: in praktijk 5%-10% omzettingsverlies => warmte!)

• Huis-aansluiting: 3 kW, dus opladen: ruim 3 uur

www.uce-uu.nl

Onderzoeksvragen• Fundamenteel:

– waar liggen de grenzen van elektriciteitsopslag? (Wh/kg, Wh/m3, laad-, ontlaadsnelheid, efficiency)

• Toegepast:– wanneer wordt opslag nodig, bij inpassing van

intermitterende hernieuwbare bronnen, t.o.v. uitbreiding van de interconnector capaciteit?

– wat zijn voordelen en nadelen van enkele grote systemen versus een groot aantal kleinschalige opslagsystemen?

• Ontwikkeling en demonstratie:– Hybride voertuigen met grotere accucapaciteit– Demonstraties met “Plug-in Vehicles” en “Vehicle-to-Grid”

toepassingen– Ontwikkeling batterij-management systemen