Opslag van elektrische energie

Een stabiel elektriciteitsnetwerk? Onmisbaar, zeker met al die fluctuerende duurzame energiebronnen. Denk aan zonnepanelen die midden op de dag een piek leveren, of windmolens die afhankelijk zijn van het weer. Hier komt energieopslag om de hoek kijken, cruciaal voor het balanceren van vraag en aanbod. Het gaat erom overtollige energie opslaan wanneer die er is, om het vervolgens te benutten precies op het moment dat de vraag piekt of de opwekking tegenvalt. Dit voorkomt netcongestie, verzekert leveringszekerheid, en is gewoonweg slim energiebeheer op elk niveau, van een enkele bouwplaats tot het nationale net.

De uitvoering van elektrische energieopslag begint altijd met het opvangen van overtollige elektriciteit. Wanneer een energiebron meer produceert dan op dat moment direct verbruikt wordt, bijvoorbeeld door een piek in zonne-opwekking rond het middaguur, wordt deze surplusenergie naar het opslagsysteem geleid. Het proces omvat dan een transformatie. Elektrische energie wordt omgezet in een andere, beter opslaarbare vorm. Dit kan chemische energie zijn, zoals in de cellen van een batterij; mechanische energie, door water naar een hoger gelegen bassin te pompen; of thermische energie, waarbij warmte wordt vastgehouden. Eenmaal omgezet, bevindt de energie zich in de opslagfase. Hierin wordt het vermogen vastgehouden, soms over uren, soms over dagen of zelfs langer, afhankelijk van de technologie en de beoogde toepassing. Verliezen treden onvermijdelijk op tijdens zowel de omzetting als het bewaren zelf, een inherent aspect van elk opslagsysteem. Het moment dat de vraag naar elektriciteit het aanbod overstijgt, of wanneer de stabiliteit van het net daarom vraagt, wordt de opgeslagen energie weer aangesproken. De omgekeerde transformatie vindt plaats: de opgeslagen vorm wordt teruggezet naar bruikbare elektrische energie. Deze teruggewonnen elektriciteit wordt vervolgens naar het net of directe verbruikers gestuurd. Essentieel hierbij is de coördinatie. Geavanceerde controlesystemen bewaken continu de balans tussen opwekking, verbruik en de status van de opslagsystemen. Zij nemen beslissingen over laden en ontladen, wat resulteert in een dynamische wisselwerking die cruciaal is voor het handhaven van een betrouwbare energielevering.

De wereld van elektrische energieopslag is verre van monolithisch; een scala aan technieken strijdt om dominantie, elk met unieke sterktes en zwaktes. Je hebt de bekende batterijsystemen, natuurlijk, waar lithium-ion nu de boventoon voert, maar denk ook aan loodzuur voor specifieke niches, of de opkomende flowbatterijen die uitblinken in langere ontladingstijden. Hier wordt de elektriciteit chemisch gebonden, en later weer vrijgegeven. Maar het gaat verder dan dat, veel verder.

Er zijn de kolossale pompaccumulatiecentrales, de onbetwiste giganten voor grootschalige opslag, waar water hoog wordt gepompt en bij nood weer naar beneden stort om turbines aan te drijven – een bewezen, zij het geografisch gebonden, methode van mechanische energieopslag. Dan is er de minder bekende, doch intrigerende, persluchtopslag (CAES), waarbij elektriciteit wordt ingezet om lucht te comprimeren in reusachtige ondergrondse reservoirs; eenmaal nodig, expandeert de lucht weer om generatoren aan te zwengelen. Voor de bliksemsnelle, kortstondige stabilisatie van het net zie je vliegwielsystemen, waar kinetische energie in razendsnel roterende massa's wordt opgeslagen, ideaal voor frequentiehandhaving. En laten we de chemische route niet vergeten, via Power-to-X concepten, zoals de omzetting van stroom naar waterstof via elektrolyse, of zelfs naar synthetisch methaan – ideaal voor seizoensopslag of het benutten van bestaande gasnetten. Zelfs thermische opslag, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om warmte of koude op te slaan in materialen zoals zout of water, biedt specifieke toepassingen. Elk van deze benaderingen transformeert elektrische energie naar een andere, tijdelijk beter hanteerbare vorm, om zo het net te balanceren, de leveringszekerheid te vergroten, en fluctuaties van duurzame bronnen op te vangen. Het is een technologisch mozaïek, zeg maar.

Hoe ziet dat er concreet uit, zo'n opslag van elektrische energie? Soms zijn de toepassingen direct zichtbaar, een andere keer spelen ze zich meer achter de schermen af. Maar het doel blijft hetzelfde: het energienet balanceren of de leveringszekerheid verbeteren.

• Een woning met zonnepanelen en een thuisbatterij. Overdag, als de zon volop schijnt, wordt de overtollige stroom die niet direct in huis wordt verbruikt, opgeslagen. 's Avonds, wanneer de zonnepanelen niets meer leveren en het huishouden actief is, gebruikt de bewoner de opgeslagen energie. Minder afhankelijkheid van het net, lagere stroomrekening.
• Een groot batterijpark bij een windmolenpark op zee. Stel, het waait hard, veel harder dan verwacht. De windturbines produceren gigantisch veel stroom, meer dan het landelijke net direct kan verwerken zonder overbelast te raken. Dit surplus wordt tijdelijk opgeslagen in het batterijpark. Zakt de wind later weg of stijgt de vraag, dan pompt het park de opgeslagen energie terug het net in. Een cruciale buffer voor stabiliteit.
• Een bouwplaats in een afgelegen gebied. Een vaste netaansluiting ontbreekt, of de capaciteit is minimaal. Hier draait men een mobiele energieopslagunit, een container vol batterijen, die overdag wordt opgeladen, mogelijk door een aggregaat of tijdelijke netaansluiting. 's Nachts of tijdens rustige uren voorziet deze unit machines, verlichting of bewakingssystemen van stroom. Minder brandstofverbruik, minder geluidsoverlast.
• Een snellaadstation voor elektrische auto's langs de snelweg. Wanneer meerdere elektrische voertuigen tegelijkertijd aan de laadpaal hangen, ontstaat er een enorme piekvraag naar stroom. Een lokaal opslagsysteem met batterijen, verbonden met het laadstation, vangt deze pieken op. Het laadt rustig op als er weinig vraag is, en levert met hoge snelheid vermogen aan de auto's tijdens drukke momenten. Zo voorkom je dure netverzwaring en kunnen meer auto's tegelijk snel laden.

Opslag van elektrische energie raakt aan diverse wettelijke kaders, voornamelijk gericht op veiligheid, milieu en de integratie in het bestaande energienetwerk. De Omgevingswet, die een groot deel van de wetgeving voor de fysieke leefomgeving bundelt, speelt hierin een centrale rol. Grote opslagsystemen, of dit nu batterijparken zijn of pompaccumulatiecentrales, vereisen vaak een omgevingsvergunning. Deze vergunning beoordeelt aspecten als brandveiligheid, milieueffecten en ruimtelijke inpassing. Specifieke eisen met betrekking tot bouwtechnische veiligheid, gezondheid en energieprestatie, ook voor opslagsystemen die deel uitmaken van een gebouw, zijn vastgelegd in het onder de Omgevingswet vallende Besluit bouwwerken leefomgeving (Bbl). Hierin staan bijvoorbeeld eisen aan de constructie, ventilatie en vluchtwegen, essentieel voor de veilige installatie en exploitatie van energieopslagfaciliteiten. Daarnaast is de interactie met het elektriciteitsnetwerk van cruciaal belang. De Elektriciteitswet 1998 vormt de basis voor de regulering van het energiesysteem in Nederland. Hieruit vloeien de Netcode en Systeemcode voort, opgesteld door netbeheerders zoals TenneT. Deze codes stellen technische en operationele eisen aan installaties die op het elektriciteitsnet worden aangesloten, waaronder energieopslagsystemen. Denk aan eisen voor spanningskwaliteit, frequentiehandhaving, en het vermogen om bij te dragen aan netstabiliteit. Naleving van deze codes is een voorwaarde voor aansluiting en bedrijfsvoering, en garandeert dat opslagfaciliteiten veilig en betrouwbaar functioneren binnen het grotere geheel van het Nederlandse elektriciteitsnet.

De behoefte aan opslag van energie is eigenlijk zo oud als de mensheid, maar de gerichte opslag van elektrische energie kent een specifieke evolutie, onlosmakelijk verbonden met de opkomst van elektriciteit zelf. Lang voordat zonnepanelen en windmolens het net begonnen te voeden, dachten ingenieurs al na over het balanceren van vraag en aanbod. De allereerste grootschalige systemen voor elektrische energieopslag verschenen eind 19e eeuw; denk aan de pompaccumulatiecentrale, een mechanisch wonder waar water omhoog werd gepompt met overtollige elektriciteit om het later gecontroleerd weer te laten zakken, turbines aandrijvend. Dit was, en is, een robuuste oplossing voor pieklastbeheer en het in stand houden van de netfrequentie.

Parallel hieraan ontwikkelde zich de batterijtechnologie. De loodzuurbatterij, uitgevonden in 1859, speelde een pioniersrol. Deze maakte lokale opslag mogelijk voor toepassingen variërend van telegrafie en spoorwegsignalen tot vroege elektrische voertuigen en noodstroomsystemen. Het was een cruciale stap, ver voorbij de eenvoudige Leidse fles. Maar pas echt in de tweede helft van de 20e eeuw, en zeker met de onstuitbare opmars van hernieuwbare energiebronnen, versnelde de ontwikkeling exponentieel. De intermitterende aard van zon en wind – ze produceren nu eenmaal niet constant – maakte duidelijk dat het elektriciteitsnet flexibeler moest worden. Meer opslag was geen luxe, maar een absolute noodzaak.

Deze verschuiving leidde tot een ware renaissance in onderzoek en ontwikkeling. Er kwamen nieuwe chemische batterijtechnologieën zoals nikkel-cadmium en later de revolutionaire lithium-ionbatterij, die door de compactheid en energiedichtheid eerst consumentenelektronica en vervolgens elektrisch vervoer transformeerde, en nu ook grootschalige nettoepassingen bedient. Ook andere, meer exotische, opslagmethoden kregen opnieuw aandacht: vliegwielen voor ultrakorte, snelle respons; persluchtopslag voor langduriger capaciteit; en zelfs de verdere verfijning van thermische opslag of de conversie van elektriciteit naar waterstof en andere brandstoffen (Power-to-X). De focus verschoof van enkel piekvermogen leveren naar het stabiliseren van een complex, gedecentraliseerd energienetwerk. Dit alles met het uiteindelijke doel: een veerkrachtige, duurzame energietoekomst.

• https://www.joostdevree.nl/shtmls/energieopslag.shtml
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Pompcentrale
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Energieopslagtechniek
• https://nipv.nl/wp-content/uploads/2023/04/20230406-NIPV-Duurzaam-bouwen-brandveiligheid-van-installaties.pdf