Duurzame energie opslag

Energie opslag en seizoens opslag

Waterstof is duurzaam, toch? Als je een beetje duurzaam nieuws volgt, zie je dat er steeds meer bussen op waterstof gaan rijden, zoals in Drente en Nijmegen. Ook is er behoorlijk veel subsidie voor, bijvoorbeeld voor H-vision in Rotterdam, provincie Noord-Holland en RWE en The Green Village in Den haag. Ook voor particulieren wordt soms waterstof als een oplossing gegeven voor zomerwarmte elektrisch opslaan. Toch is het helaas niet zo simpel. Momenteel is er weinig duurzaams aan waterstof, omdat dit juist klimaatverandering verergert als waterstof niet 100% met windmolens en zonnepanelen is opgewekt.

Stel dat automerk Tesla ook bussen zou maken, en stel dat je met één windmolen al die bussen elektrisch het jaar rond kan laten rijden. Als je dan overstapt op waterstof, dan lukt dat opeens niet meer: je hebt dan 2.5 windmolens nodig. Waterstof kost namelijk heel veel extra energie. Op zich is dat geen probleem als die extra energie duurzame energie (windmolens en zonnepanelen) is, echter nu wordt alle waterstof gemaakt van gas. Verbaast het je dat die bussen waterstof taken bij een Shell station?

Er zijn waarschijnlijk de komende 20 a 50 jaar nog genoeg kolencentrales uit te zetten én zonnepanelen windmolens te plaatsen, vóórdat het enigzins zinvol wordt om zélf inefficiënt zomer-energie elektrisch op te slaan.

Overschot?

Soms wordt gezegd dat we een overschot hebben aan duurzame energie, wat dan lijkt alsof we veel duurzame energie hebben. Het is écht schandalig dat hier journalistiek grote aandacht voor is, want die paar dag in het jaar overschot verdoezelt de andere 348 dagen per jaar dat we nauwelijks groen bezig zijn. Slechts 7.3 procent van alle energie werd duurzaam verwekt in 2018, en 60% daarvan is biomassa- ofwel dat zijn de Canadese bossen die we kappen om hier onder de titel "biomassa" op te branden in energiecentrales. In werkelijkheid komt dus nog geen 3% van windmolens en zonnepanelen af!

Waarom wordt er dan wel eens over een overschot aan electriciteit gesproken? Omdat in Duitsland enkele dagen per jaar (6 in 2015) je geld bij electriciteit toe krijgt omdat er meer energie wordt opgewekt dan kan worden verbruikt - zonnepaneel-grasvelden worden in de praktijk nooit uitgezet. O jee een paar miljoen minder winst, nou daar vergaat de wereld echt niet van. De wereld vergaat wel van niet vergroenen. Op deze paar zonnige vakantie- en weekenddagen per jaar staat de groot-industrie toevallig niet aan. Dit zijn verwaarloosbare overschotten: zodanig verwaarloosbaar dat de zonnepaneel-veldjes niet eens worden uitgezet (want dat kan natuurlijk ook). Alleen als dit orde van de dag is, zou dit noemenswaardig zijn. Overschotten hebben we dus écht niet, er zijn nog genoeg kolencentralens om uit te zetten voordat we een overschot hebben.

Energie opslag

Tegenwoordig is er veel maatschappelijke discussie rondom energie opslag. Even voor de helderheid: je hebt twee toepassingen van opslag: dagopslag en seizoensopslag.

Dagopslag is niet zo`n groot probleem. Een zonneboiler is bijvoorbeeld prima in staat om tot wel een week lang de warmte van de zon op te slaan (in water) zodat jij de rest van de week warm kunt douchen (efficiëntie circa 95%). Ook een normale (AGM of lithium) accu kan prima energie opslaan zodat jij off-grid s`avonds TV kan kijken en zelfs nog de dag erna (efficiëntie circa 80-90%). Het enige issue met accu`s is dat een accu maar een paar jaar meegaat en enorm vervuilend is (mede daarom kun je off-grid dus beter een enorm zonnecollector systeem hebben dan heel veel zonnepanelen). Waterstof is voor dagopslag niet eens geschikt met een rendement van slechts 40%, dus vergeet waterstof sowieso.

Het grote vraagstuk is echter seizoensopslag. Momenteel is er eigenlijk geen opslag die seizoensopslag aankan voor off-grid gebruik (zie helemaal onderin voor meer details en links). Nee, ook niet nieuwe accu`s met onbeperkt aantal laadcycles zijn géén oplossing; behalve als je miljoenair bent want deze accu`s zijn zeer groot en zeer onbetaalbaar. Mensen vergissen zich vaak hoe ontzettend veel energie het verwarmen van een huis kost gedurende heel de winter; daar kun je met accu`s -zelfs met onbeperkte laadcycles- nooit tegenop boxen. Ook niet in de toekomst dus. Forget it.

Als je in een gewoon on-grid huis woont, vergeet dan sowieso seizoensopslag, want er zijn waarschijnlijk de komende 20 a 50 jaar nog genoeg kolencentrales uit te zetten én zonnepanelen en windmolens te plaatsen, vóórdat het enigzins zinvol wordt om zélf (nu dus heel inefficiënt) lokaal zomer-energie elektrisch op te slaan. Je kunt voorlopig beter groene stroom nemen. Met zelfs Europees nog geen 17% aan groene energie, heeft het als particulier met een eigen on-grid huis echt nog heel lang geen enkele zin. Je helpt de maatschappij méér door on-grid groene stroom te nemen, dan off-grid te gaan met dure en vaak vervuilende systemen.

Waterstof conceptueel

Terug naar waterstof. Het omzetten van electriciteit naar waterstof kost circa 25% energie, en van waterstof naar electriciteit circa 45%, samen dus circa 60% verlies. Daarmee is waterstof ongeschikt voor bijna alle toepassingen behalve voor deze twee: om overheidssubsidie te krijgen en om torenhoge investeringen in gas-infrastructuur uit het verleden nog ietsiepietsie te laten renderen. Maar even serieus: hier redden we onszelf niet mee, ook niet als een beetje verwarmte van die 60% verlies rechtstreeks terugwint voor je verwarming. In werkelijkheid is het hele verhaal nog veel ingewikkelder.

Zijn zonnepanelen die waterstof genereren handig? Een gewoon zonnepaneel pakt zeg 20% van de zonne-energie, en met waterstof omzetting (25% verlies) is dat 15% efficiëntie. Toevallig is 15% precies de efficiëntie van die nieuwe panelen. Kortom: dit wijzigt niets. Positief is dat het hier altijd gaat om groene stroom, alleen daarvoor kun je ook normale zonnepanelen nemen.

Meer verwarringen

In mijn cursussen merk ik dat er meer verwarringen zijn. Zo is voor de komende paar jaar zonnepanelen plus warmtepomp (plus zonnecollectoren) hardstikke handig, want je mag het electriciteitsnetwerk nu nog kosteloos gebruiken als grote accu. Dat salderen en energie-neutraal lijkt ideaal maar is het vanuit milieu-oogpunt helemaal niet. Dat in de winter en in de nacht/ochtend voor jou de kolencentrales dus alsnog aan staan, wordt namelijk meestal vergeten. Als straks saldering wordt afgeschaft, dan is het spelletje wat eerlijker. Want dan is zonnepanelen en warmtepomp (en vervuilende thuis-accu) net even minder efficiënt en véél milieuvervuilender en heel erg veel duurder dan het hebben van een groot zonneboiler systeem. Een zonneboilersysteem heeft namelijk niet iedere 5 jaar een nieuwe vervuilende accu nodig, én kan 60% van de energie van de zon opvangen i.p.v. 20% (zonnepanelen). Natuurlijk maakt een warmtepomp dat verschil tussen 20% en 60% wel goed, alleen als je ook nog moet gaan betalen voor de electriciteit die je levert, én iedere 5 a 7 jaar een nieuwe accu kopen...dan wint een zonneboiler het dus financieel alsnog, gemakkelijk zelfs.

Er zijn nog heel veel meer verwarringen in deze chaotische tijd, want iedereen is op zoek naar oplossingen. Zo is een gelijkstroom-elektrische thermische accu heel héél dom, want dit ding is eigenlijk gewoon een verkapte inefficiënte warmwater-machine. Je stopt er 230V in, en je krijgt er warm water uit, maar dan zónder de efficiëntie van een warmtepomp. Dure grap om hiermee je warmwater te voorzien (helaas staat dit systeem geheel los van zonnepanelen). We zijn er nog lang niet, en tegelijkertijd is het wel heel fijn dat er wordt gezocht en geprobeerd!

Wat niet doen met waterstof?

Verwarming in een particulier huis op basis van waterstof lijkt me niet slim: een warmtepomp is minstens 300% a 400% efficiënter dan puur elektrisch verwarmen, en waterstof slechts 75%. Ook elektrisch rijden heeft 3 keer minder energie nodig dan een "hydrogencar". Dat laatste is blijkbaar niet bekend bij Audi.

In mijn cursus zelfvoorzienend off-grid bereken ik voor hoeveel energie je nodig hebt om off-grid te kunnen zijn. Dat is altijd een mooi leermoment, voor enkele cursisten het belangrijkste leermoment. Natuurlijk kun je voor jezelf thuis wel waterstof opslaan, alleen dan je moet wel écht écht heel rijk zijn om een gruwelijk groot dak te hebben in een huis dat je niet volledig verwarmt in de winter (of je hebt een privé weiland met zonnepanelen), en bovendien zulke dikke isolatie dat je je huis bijna een passiefhuis mag noemen. Dan nog loop je kans, dat je met je grote waterstof opslag te kort komt. Verwarming kost namelijk klauwen met energie, en waterstof is zeer inefficiënt.

Wat dan wel: duurzame energie opslag

Waterstof is alleen interessant voor grote industriën om toch op een duurzame manier met groene stroom enorme extreme hittes te maken, zoals voor staal en beton (waar we trouwens sowieso vanaf moeten en kunnen). Vandaar ook dat die industrie over gaat naar waterstof, in een sneller tempo dan dan dat er windmolens en zonneparken bij komen. Electrische accu`s (inclusief nieuwe solid-state varianten) zijn nu en straks ongeschikt om grote hoeveelheden energie in op te slaan: voor verwarming is te veel opslag nodig (of heb jij een hele grote loods naast jouw huis "over"?), en een half jaar energie opslaan is te lang. Waarschijnlijk zijn onderstaande ideeën een stuk duurzamer:

Conceptueel

De eerste oplossing is kijken naar de schaal. Er zijn diverse alternatieven, zoals: een overschot aan windmolens en zonnepaneel-parken plaatsen zodanig dat wij als maatschappij zelfs hartje winter nog electriciteit over hebben. Dit zelfvoorzienende alternatief is het meest ecologisch (gesteld dat wij mensen alle ruimte mogen gebruiken) maar het minst economisch want je krijgt slecht betaald voor groene stroom als het er in overvloed is. Omdat het het minst economisch is, gaan we maatschappelijk helaas niet deze kant op.

Mijn favouriete schaal-oplossing op maatschappelijk niveau is vloeken in de kerk: je hebt nauwelijks energie-opslag probleem als je met de zon leeft. Je hebt natuurlijk nog wel extra energie nodig voor winterverwarming, maar als je energie gebruikt als het er is, dan kun je écht kolencentrales en gascentrales uit gaan zetten. Ik stel dus voor: grote industrie overdag aan en s`nachts uit, s`zomers veel activiteit en s`winters minder. Ik doe dat zelf ook: overdag heb ik de koelkast aan, en s`nachts staat deze (automatisch) uit. In de zomer ben ik elektrisch aan het boren en zagen, en in de winter lees ik boeken. Overdag draai ik een was, s`avonds nooit. Hier kan de politiek het voortouw in nemen: maak s`nachts (en in de winter) electriciteit hardstikke onbetaalbaar, en overdag (en in de zomer) bijna gratis. Je zult zien dat binnen een paar maanden we minder electriciteite verbruiken. Alleen de klimaatveteraan durft deze "gedragsverandering" nu ter sprake te brengen, echter her en der gedragsverandering -al dan niet gestimuleerd door financiële druk- kan de planeet helpen redden. De angst dat we minder luxe gaan hebben wint het nu nog. Gedragsverandering betekent echter niet minder luxe, het betekent luxe op een ander tijdstip.

Vervoer

De mooiste vervoer energieopslag is absoluut niet waterstof of elektrische batterijen en toch zeker wel perslucht. Daar kun je auto`s op laten rijden, met een vergelijkbare actie-radius als een electrische auto. Geen accu vervuiling, en heel eenvoudig op te laden met een doodgewone compressor. Als je mij vraagt waarom we hier niet maatschappelijk dik op inzetten, heb ik geen antwoord voor je, behalve dan de angst dat voor een kleinere actie-radius (o jee wat erg, twee keer zo vaak tanken). De TNO doet wel onderzoek naar opslag in perslucht.

Verwarming

De omzetting van stralingswarmte naar elektriciteit en terug betekent heel veel energieverlies, dus elektriciteit opslaan voor verwarming kan niet. Hoe dan wel? Het kan in vele materialen. Dit zijn trouwens niet off-grid systemen, want veelal wordt er in de winter een warmtepomp gebruikt om de opgeslagen warmte eruit te halen.

Waarom slaan we niet zo lokaal mogelijk en zo rechtstreeks mogelijk de zonwarmte op in water zoals in een extreem groot zonneboilersysteem? Het kan waarschijnlijk grotendeels voor op huisniveau met Summerheat, op wijkniveau zoals Ecovat en Hocosto doen, en op woonblokniveau zoals studenten uit Eindhoven met CASA 1.0 bewijzen. De koffie die ik nu drink komt uit mijn zonneboilersysteem wat nu 500 liter op 95 graden heeft (begin oktober) ;), dus ik kan me voorstellen dat dit overschot aan energie opslaan in water prima werkt, als de schaal maar groot genoeg is.

Je kunt rechtstreeks warmte ook in andere materialen dan water opslaan, want water gaat tot slechts 100 graden. Op wijk-niveau kun je warmte opslaan in Basalt, wat veel warmer kan worden dan kokend water (450 graden). In ecodorp Boekel wordt het CESAR systeem van Kees van Nimwegen gebruikt - hier wordt wel eerst met zonnepanelen electrisch warmte gegenereerd. Op wijkniveau is Siemens Gamesa een dergelijk systeem in Basalt met warme lucht. En in Finland nog een dergelijk systeem tot wel 600 graden met gewoon zand. Ook beton is volgens EnergyNest een alternatief. Als je wil gaan voor een particulier en betaalbaar do-it-yourself systeem, dan kun je met een groot zonnecollectorsysteem en een begraven buizenstelsel het zand in jouw tuin opwarmen.

Industrie

Industrieel zijn er ook andere alternatieven dan waterstof veel geschikter voor energieopslag, zoals ijzererts en stuwmeren. Een ietwat lowtec achtige oplossing is op grote schaal energie opslaan in gewichten met zwaartekracht. Ik heb nog oude brainstormplannen liggen om als accu in de schuur een koelkast op te tillen aan een takel, maar de werkelijkheid haalt me in: Energievault en Gravitricity gebruiken zwaartekracht. Volgens mij zijn dit soort systemen op grote schaal perfect als vervanging van gas om vraag en aanbod van het electriciteitsnet op elkaar aan te laten sluiten. Ook het vliegwiel systeem van QuinteQ Energy en het vliegwielsysteem Kinex van S4 Energy zijn daar geschikt voor: 5.000 kilo vliegwiel die binnen slechts enkele milliseconden 5MW aan energie kan bijsturen. In het lijstje van links onderin zie je dat er op chemisch gebied nog wat meer alternatieven onderzocht worden.

Dagopslag

Het is heel realistisch om te zeggen dat we altijd dagopslag nodig blijven hebben. Ik typ dit met pure zonne-energie overdag op een off-grid systeem, maar daar hangt ook een batterij achter voor de verlichting vanavond (overig verbruik doe ik alleen overdag). In de categorie accu`s gebeurt heel erg veel, met name een nieuwe generatie getiteld solid-state, en ook accu`s gebaseerd op zout en bromide en waterstof+bromide (zie onderin). De opslagcapaciteit en de prijs zullen bepalen in hoeverre deze accu's voor off-grid toepassingen massaal gebruikt gaan worden, momenteel is het allemaal nog gruwelijk duur of eenvoudigweg nog niet te koop. Dat is jammer, want als ik deze vervuilende accu kan vervangen door een milieuvriendelijkere, doe ik dat graag.

Met name voor seizoens-overbrugging (om in de winter te verwarmen met de energie van de zomerzon) is namelijk giga veel opslagcapaciteit nodig nodig, en, sorry, daarvoor zijn alle elektrische accu`s dus zeer ongeschikt. Er waait in deze maatschappij een hardnekkig het idee dat we met betere batterijen wel seizoensopslag kunnen doen, en dat is gewoonweg niet zo en dat gaat ook niet gebeuren. Accu`s lopen namelijk teveel leeg om de energie een half jaar later nog te kunnen gebruiken, het gebruikt te veel ruimte en de warmtevraag voor een hele winter is te veel, en daar bovenop is het echt onbetaalbaar (ook als het 100 keer goedkoper wordt). Oh geloof je me niet? Oordeel zelf: wat heb je aan een super dure zout-accu van 0.7kW als je voor de hele winter aan verwarming 900kW nodig hebt? ;) Dat zou momenteel 740 duizend euro kosten, plus een extra schuur met alleen maar accu`s, plus volgelegd met zonnepanelen. Voor de volledigheid: met AGM accu`s (die allang leeg zijn gelopen in de winter) zou je 175 duizend euro verder zijn (iedere 5 jaar opnieuw), en met Tesla powerwalls ben je ongeveer 600 duizend euro verder (iedere 10 jaar opnieuw). Zoals je hopelijk met me eens bent gaat dit helemaal nergens over, nu niet en ook niet in de toekomst. Elektrische accu`s gaat het niet worden.

Ik wens je veel leesplezier met dit lijstje van overige links die niet in bovenstaande tekst staan:

• zoutwater accu te koop (12V/56Ah voor 850 euro)
• AquaBattery (zout water)
• Energie uit ammoniak (ammoniak), en hier meer details voor grote zeevaart
• Universiteit Eindhoven (zout water)
• Dr.Ten (zout water)
• Solid Oxide Fuel Cells (ammoniak/waterstof)
• Elestor (krantenartikel)
• Merits (warmte en zout, gek genoeg zonder zonneboilers!)
• Aquion Energy (zout water)
• Suwotec (biobased batterij met zout, zand en bladeren)
• ondergrondse oliebronnen gebruiken als ondergrondse energie-opslag

Kijk ook eens bij onze cursus Zelfvoorzienend Off-grid.