Alternatieve energie/Energieopslag

Het voordeel van de traditionele centrales is dat de energieopwekking geregeld kan worden en daarmee afgestemd op de energiebehoefte. Alternatieve energieën hebben dit vaak niet. De zon schijnt overdag en 's avonds niet, wanneer juist veel behoefte aan energie is. De wind waait niet altijd even sterk. Er is slechts 2 keer per dag vloed, en ga zo maar door.

Daarom dient energie opgeslagen te worden voor die tijden als de vraag groter is dan het aanbod.

• Elektrochemisch
• Gravimetrisch
• Elektrisch
• Mechanisch
• Thermisch

Elektriciteitsnet

De elektriciteitsvraag varieert voortdurend, deze kleine afwijkingen worden opgevangen binnen het elektriciteitsnet. In het elektriciteitsnet voor huishoudens wordt een spanning behouden, deze ligt in Europa op 220 tot 240 Volt. In de Verenigde Staten is de spanning in het elektriciteitsnet voor huishoudens 110 tot 120 Volt. Deze spanning is niet constant. Kleine afwijkingen in de vraag naar elektriciteit worden opgevangen, doordat de spanning een beetje varieert. Als een energieverbruiker wordt ingeschakeld, zal het gevolg zijn dat de spanning daalt. Deze daling is echter niet meetbaar omdat er zoveel energieverbruikers zijn ingeschakeld.

De output van energiecentrales wordt geregeld doordat een bepaalde spanning in het net moet worden gehandhaafd. Wordt de spanning lager dan zal de energiecentrale het opwekkend vermogen opregelen, en omgekeerd.

Chemische opslag

Waterstof of brandstofcel

De brandstofcel is een galvanisch element, dat energie uit een chemische reactie omzet in elektrische energie. Vaak wordt dit beperkt tot waterstof, maar in feite geldt dat de brandstofcel ook gebruik kan maken van andere oxidatoren (als methaan, methanol of glucose).

Het principe van deze vorm van opslag van energie is dat wanneer het aanbod van elektriciteit hoger is als het verbruik, de beschikbare elektriciteit omgezet wordt in chemische energie. De eenvoudigste vorm is het omzetten van elektriciteit in waterstof door elektrolyse van water.

	Reactievergelijking
Anode/oxidatie	$2H_{2}O(l)\rightarrow O_{2}(g)+4H^{+}(aq)+4e^{-}\,$
Kathode/reductie	$2H_{2}O(l)+2e^{-}\rightarrow H_{2}(g)+2OH^{-}(aq)\,$
Totaal	$2H_{2}O(l)\rightarrow 2H_{2}(g)+O_{2}(g)\,$

Voor het splijten van water is elektrische energie nodig. Deze energie wordt weer vrij gemaakt wanneer het omgekeerde proces verloopt.

Zuurstof is vrij beschikbaar in de lucht, dus deze vorm van energieopslag benodigt een opslagtank voor waterstof. In gasvormige fase zou de waterstof een enorm volume innemen, dus dient de waterstof te worden gecomprimeerd. Deze compressie verbruikt energie. Opslag van energie/elektriciteit in deze vorm zal dus leiden tot verlies van energie. In vergelijking met aardgas moet waterstof voor de gelijke energiehoeveelheid een 3 maal hogere druk (of 3 maal grotere opslag) hebben.

Waterstof diffundeert door veel materialen; daarom moet de opslagtank voor waterstof aan hoge eisen voldoen. Daarbij komt nog dat veel metalen worden aangetast door waterstofcorrosie.

Waterstof vormt met lucht een knalgas-mengsel. Dit is hoog-explosief. Bovendien liggen de explosiegrenzen van waterstof wijd uit elkaar (5% tot 85% waterstof in zuurstof), zodat kleine lekken in het leidingstelsel rondom de opslag tot catastrofale gevolgen kunnen leiden.

De opslag van waterstof in een hybridevorm, dat wil zeggen gebonden aan een ander materiaal, is een interessant alternatief, dat nog volop onderzocht wordt.

Gravimetrische opslag

Hydro-elektrisch of pomp-accumulatie

Indien er een stroomoverschot heerst, wordt water omhoog gepompt in een waterreservoir. Hierdoor wordt elektriciteit omgezet in potentiële energie. Op het moment dat er een stroomtekort is, wordt het proces omgedraaid. Water wordt naar een turbine gevoerd, die de potentiële energie weer omzet in elektrische energie.

Dit proces wordt het meest toegepast om elektriciteit op te slaan, hoewel het omzettingsrendement slecht is. Dat betekent dat bij dit proces veel energie verloren gaat. Landen met bergen en van oudsher veel stuwmeren zijn geschikt voor deze vorm van energieopslag.

Door de marktwerking in de energiemarkt is deze vorm van opslag ook lucratief voor elektriciteitsbedrijven: bij een overschot zijn de elektriciteitsprijzen laag en bij een tekort zijn ze hoog. Het energieverlies door het slechte omzettingsrendement van deze vorm van energieopslag wordt meer dan gecompenseerd door het prijsverschil van elektriciteit: het is een goudmijn voor onder andere Zwitserse elektriciteitsbedrijven.

Mechanische opslag

Vliegwiel

Een zwaar en stabiel vliegwiel wordt met behulp van een elektrische motor op snelheid gebracht met een hoog toerental. Door het - eveneens via de elektromotor - remmen van het wiel wordt weer elektrische stroom en daarmee energie teruggewonnen. Een verbetering van het rendement wordt bereikt door de wrijving van het vliegwiel zo laag mogelijk te maken. Dat kan bijvoorbeeld door het vliegwiel in een vacuüm te laten lopen, en/of door het vliegwiel contactloos te laten draaien - door het te laten "zweven" op magnetische lagers.

Vermogen opslagsystemen versus ontladingstijd

Het opslagsysteem dat wordt ingezet hangt af van het vermogen van het systeem, de capaciteit voor energie die moet worden opgeslagen als ook in hoeveel tijd dat vermogen beschikbaar moet zijn. Een vliegwiel heeft een beperkte opslagcapaciteit, maar dat is wel beschikbaar in enkele seconden; terwijl pomp-accumulatie een enorm opslagcapaciteit heeft (in GWh), maar dat beschikbaar is gedurende meerdere uren.

Compressed Air Energy Storage (CAES) en pomp-accumulatie zijn dus meer geschikt voor het inzetten voor het compenseren van stroomvraagveranderingen die langer duren, terwijl batterijen en accu's geschikt zijn voor compenseren van korte variaties (waarbij het aantal keren dat een batterij of accu kan worden opgeladen beperkt is).

Het economische aspect van systemen moet ook worden bekeken. De kosten voor het opslaan per kWh is voor pomp-accumulatie relatief laag in vergelijking met bijvoorbeeld een vliegwiel of batterijen. Daarnaast leidt opslag van energie tot energieverlies (efficiëntie): bij pompaccumulatie wordt meer energie vernietigd dan bij opslag in een supercondensator.

De keuze van een opslagsysteem is dus een belangrijke en is afhankelijk van de op te lossen situatie anders.