De wind, als energiebron voor directe aandrijving, is helemaal niet geschikt voor een systeem van gemechaniseerde productie, want gedurende een kalme windperiode zouden alle activiteiten in het land tot stilstand komen. Vóór het tijdperk van de stoommachines werden windmolens uitgeprobeerd voor het leegpompen van mijnen; Hoewel het krachtige machines waren, waren ze waren ook erg onregelmatig, zodat tijdens lange windstille perioden de mijnen weer onder water liepen, en alle werklui zonder werk kwamen te zitten.

William Stanley Jevons, 1865

 

Als we fossiele brandstoffen uitbannen en helemaal gaan voor hernieuwbare energie, of helemaal voor kernenergie of een mengsel van de twee, dan hebben we misschien een probleem. De meeste grote hernieuwbare energiebronnen kunnen niet aan en uit gezet worden. Wanneer de wind waait en de zon opkomt, is er genoeg elektriciteit voorhanden; maar misschien is die twee uur later niet meer beschikbaar. Kerncentrales zijn meestal niet ontworpen om makkelijk aan en uit te zetten. Ze staan meestal de hele tijd aan en het stoppen en starten van de levering van elektriciteit door een kerncentrale is een kwestie van uren. Dit is een probleem, omdat in een elektriciteitsnet, verbruik en productie altijd exact gelijk moeten zijn. Het elektriciteitsnet kan geen energie opslaan. Om een energieplan te hebben dat elke minuut van de dag in evenwicht is, moeten we daarom iets hebben dat eenvoudig in et uit geschakeld kan worden. Het wordt algemeen aangenomen dat het ding dat eenvoudig aan en uit te zetten is, een energiebron zou moeten die de fluctuaties van vraag en aanbod compenseert (bijvoorbeeld met een fossiele elektriciteitscentrale!). Maar een andere net zo effectieve manier om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen, zou het gemakkelijk aan en uitschakelen van de vraag naar energie zijn – een holle bolle gijs voor elektriciteit die snel  aan- en uitgezet kan worden.

Hoe dan ook, het eenvoudig in en uit te schakelen ding moet zeer groot zijn omdat de vraag naar elektriciteit sterk varieert (Figuur 26.1). De vraag verandert soms aanzienlijk binnen een paar minuten. Dit hoofdstuk bespreekt hoe om te gaan met schommelingen in vraag en aanbod, zonder gebruik te maken van fossiele brandstoffen.

Hoeveel varieert de produktie van duurzame energiebronnen?

Hoezeer we ook van duurzame energie houden, we moeten onszelf niet voor de gek houden. Feit is dat wind fluctueert. Critici van windenergie zeggen: “Windenergie is onregelmatig en onvoorspelbaar, dus het kan geen bijdrage leveren aan de voorzieningszekerheid; als we veel windenergie gaan gebruiken, dan zullen we veel fossiele energiecentrales in gebruik laten om snel in te springen als er geen wind is” Krantenkoppen zoals “Windstilte veroorzaakt een noodsituatie in de stroomvoorziening in Texas ” versterken dit beeld. Aanhangers van windenergie  zien geen echt probleem: “Maak je geen zorgen – individuele windparken kunnen dan wel intermitterend zijn, maar samen genomen zijn ze veel minder intermitterend.” Laten we naar echte gegevens kijken en proberen een evenwichtig standpunt in te nemen. Figuur 26.2 toont de som van de produktie van de windparken in Ierland van april 2006 tot april 2007. Het is duidelijk dat de wind varieert, zelfs als we het vermogen van alle windturbines in het hele land bij elkaar optellen. Het VK is een beetje groter dan Ierland, maar heeft hetzelfde probleem. Tussen oktober 2006 en februari 2007 waren er 17 dagen dat de output van de 1632 windmolens in het VK minder was dan 10% van hun capaciteit. Tijdens die periode waren er vijf dagen met een vermogen onder de  5% en één dag was de produktie slechts 2%.

Laten we de fluctuaties in windenergie in het hele land kwantificeren. De twee problemen zijn korte termijn veranderingen en langdurige variaties. Laten we de snelste korte termijn verandering in de Ierse windgegevens zoeken. Op 11 februari 2007, daalde de Ierse windenergie gestaag van 415 MW om middernacht tot 79 MW om 04:00. Dat is een afname van 84 MW per uur voor een hele groep van windturbines met een capaciteit 745 MW. (Met snelheid van vermogensverandering bedoel ik de snelheid waarmee het geleverde vermogen daalt of stijgt – de helling van de grafiek op 11 februari.) OK: als we de Britse windenergie opschalen tot een capaciteit van 33 GW (zodat het gemiddeld 10 GW levert),  dan kunnen we verwachten dat af en toe het vermogensaanbod verandert met een snelheid van

84 MW  / uur × ( 33.000 MW / 745  MW ) = 3700 MW /uur

ervan uitgaande dat Groot-Brittannië hetzelfde windpatroon heeft als Ierland is. Dus we moeten in staat zijn om met een snelheid van 3,7 GW per uur een andere energiebron voor elektriciteit aan te zetten – dat zijn bijvoorbeeld 4 kernenergiecentrales die in een uur van geen stroom leveren naar voluit stroom leveren overgaan – of wij moeten in staat zijn om de vraag naar elektrisch vermogen te verlagen met een snelheid van 3,7 GW per uur.

Kan aan deze behoefte aan snelle wijzigingen in geleverd vermogen voldaan worden? Om deze vraag te beantwoorden moeten we het hebben over gigawatts. Gigawatts zijn enorme eenheden van vermogen op de schaal van een land. Ze zijn voor een land wat kilowattuur per dag voor een persoon is: een leuke handige eenheid. Het gemiddelde elektriciteitsverbruik in het VK is ongeveer 40 GW. We kunnen dit nationale kengetal koppelen aan persoonlijke consumptie: 1 kWh per dag per persoon in het VK komt op nationaal niveau overeen met 2,5 GW. Dus als elke persoon 16 kWh per dag aan elektriciteit gebruikt, dan is het nationale verbruik 40 GW.

Is een snelheidsverandering van 4 GW per uur op landelijk niveau iets wat nog nooit is voorgekomen? Nee. Elke ochtend, zoals figuur 26.3 laat zien, klimt de vraag van de Britten met ongeveer 13 GW tussen 6.30 en 8.30 uur. Dat is een geweldige snelheid van 6,5 GW per uur.  Dus, onze ingenieurs, regelen al veranderingen van meer dan 4 GW per uur op het nationale elektriciteitsnet. Een extra incidentele verandering in het aanbod van 4 GW per uur veroorzaakt door plotselinge veranderingen in windsnelheid is niet een goede reden om het idee van windmolenparken te laten varen. Het is een probleem vergelijkbaar met problemen die ingenieurs al hebben opgelost. We moeten gewoon uitzoeken hoe je constant wisselende vraag en aanbod in een grid kunt matchen zonder fossiele brandstoffen. Ik weet niet zeker of het probleem van varieerende windsterkte al is opgelost- alleen dat het een probleem is van dezelfde grootte als andere problemen die zijn opgelost.

OK, voordat we op zoek gaan naar oplossingen, moeten we het andere wind fluctuatie probleem kwantificeren: langdurige windstiltes. Begin februari 2007 had Ierland een landelijke windstilte die vijf dagen duurde. Dit was een ongewone gebeurtenis, zoals u kunt zien in figuur 26.2. Windstiltes die twee of drie dagen duren komen meerdere keren per jaar voor. Er zijn twee manieren om door een windstilte te komen. Of we kunnen energie opslaan vóór de windstille periode, of we moeten een manier hebben om de vraag te verminderen gedurende de gehele windstille periode. (Of een combinatie van beide.) Als we 33 GW aan windturbines hebben, dan leveren die een gemiddeld vermogen van 10 GW en dan is de hoeveelheid energie we moeten van te voren moeten opslaan

10 GW × (5 × 24 h) = 1200 GWh.

(De gigawatt-uur (GWh) is de favoriete energie-eenheid voor landen. Het Britse  elektriciteitsverbruik is ongeveer 1000 GWh per dag.) Om deze hoeveelheid te personaliseren, een energieopslag van 1200 GWh voor de natie komt overeen met een energieopslag van 20 kWh per persoon. Zo’n energieopslag zou het land toestaan om gedurende 5 dagen 10 GW elektriciteit te gebruiken; of equivalent hieraan, elke persoon zou gedurende een periode van 5 dagen 4 kWh elektriciteit per dag kunnen gebruiken.

Omgaan met landurige windstiltes en kortdurende veranderingen

We moeten twee problemen oplossen – langdurige windstiltes met weinig duurzame windenergie en kortdurende veranderingen  (kortdurende veranderingen in zowel vraag als aanbod). We hebben deze problemen gekwantificeerd, ervan uitgaande dat Groot-Brittannië ongeveer 33 GW aan windenergie heeft. Om windstiltes te kunnen opvangen, moeten we 1200 GWh aan energie (20 kWh per persoon) opslaan. De snelheid van vermogensverandering die we moeten kunnen opvangen is 6.5 GW per uur (of 0.1 kW per uur per persoon).

Er zijn twee oplossingen, die allebei kunnen worden gebruikt om deze twee problemen op de juiste schaal op te lossen. De eerste oplossing is een gecentraliseerde oplossing en de tweede oplossing is gedecentraliseerd. De eerste oplossing slaat energie op en gaat vervolgens om met fluctuaties door een bron aan te zetten die wordt aangedreven door de opgeslagen energie. De tweede oplossing werkt door de vraag in en uit te schakelen.

De eerste oplossing is pompopslag. De tweede oplossing gebruikt de batterijen van de elektrische voertuigen die we in hoofdstuk 20 hebben besproken. Voordat ik deze twee oplossingen beschrijf, laten we eerst een paar andere ideeën bespreken voor het omgaan met kortdurende veranderingen.

Andere manieren om variaties, aan de aanbodszijde op te kunnen vangen

Sommige duurzame energiebronnen kunnen aangezet en uitgezet worden. Als we in het VK veel duurzame energiebronnen hadden die gemakkelijk aan en uit geschakeld kunnen worden, dan zouden alle problemen van dit hoofdstuk verdwijnen. Landen als Noorwegen en Zweden hebben een grote hydro-elektrische infrastructuur die ze kunnen in- en uitschakelen. Wat zijn opties in Groot-Brittannië? Ten eerste kan Groot-Brittannië veel afval en biomassa verbrandingsovens hebben, centrales die dezelfde rol spelen die tegenwoordig wordt gespeeld door fossiele ektriciteitscentrales. Als deze stations worden ontworpen om makkelijk in uit te schakelen, dan zouden er kostenimplicaties zijn, net zoals er kosten zijn als we extra fossiele elektriciteitscentrales hebben die parttime werken: hun generatoren zouden soms inactief zijn en soms twee keer zo hard werken; en de meeste generatoren zijn minder efficiënt als ze steeds worden in en uitgeschakeld in vergelijking met het op een constante snelheid laten draaien. OK, de kosten aan de kant latend, is de cruciale vraag hoe groot de in en uit te schakelen hulpbron moet zijn. Als al het huishoudelijk afval en een even grote hoeveelheid landbouwafval zou worden verbrand, dan zou het gemiddelde vermogen uit deze bronnen ongeveer 3 GW zijn. Als we capaciteit bouwen die gelijk is aan twee keer dit vermogen, door verbrandingsovens te maken die 6 GW kunnen leveren en dus van plan zijn ze slechts de helft van de tijd te laten werken, dan zouden deze centrales in totaal 6 GW kunnen leveren in periodes met veel vraag,  en niets leveren s’nachts in de vroege uurtjes. Deze elektriciteitscentrales kunnen zo worden ontworpen dat ze in één uur in- of uitschakelen met een verandering van het vermogen van 6 GW per uur – maar met slecht een maximale verandering van 6 GW! Dat is een nuttige bijdrage, maar niet genoeg als we schommelingen van 33 GW aan windenergie moeten kunnen opvangen.

Hoe zit het met waterkrachtcentrales?

De waterkrachtcentrales in Groot-Brittannië hebben een gemiddelde bezettingsgraad van 20%, dus ze hebben zeker de mogelijkheid om aan en uit gezet te worden. Bovendien heeft hydro de prachtige eigenschap dat het zeer snel in- en uitgeschakeld kan worden. Glendoe  bijvoorbeeld, is een nieuwe waterkrachtcentrale met een capaciteit van 100 MW,  die in 30 seconden kan starten of stoppen. Dat is een vermogen veranderingssnelheid van 12 GW per uur in slechts één energiecentrale! Dus een groot aantal waterkrachtcentrales zou het hoofd moeten kunnen bieden aan veel windparken. Maar de capaciteit van de bestaande Britse waterkrachtcentrales is momenteel niet voldoende om veel bij te dragen aan de oplossing van dit probleem. ( ervan uitgaande dat we het probleem van het wegvallen van zeg 10 of 33 GW aan windenergie proberen op te lossen ). De totale capaciteit van de traditionele waterkrachtcentrales in Groot-Brittannië is slechts ongeveer 1,5 GW. Dus eenvoudigweg in- en uitschakelen van andere duurzame energiebronnen gaat niet werken in Groot-Brittannië. We hebben andere oplossingen nodig.

Pompopslag

Pompopslag energieopslagsystemen pompen water met goedkope elektriciteit van een beneden-meer naar een hoger gelegen boven-meer; en produceren elektriciteit wanneer de elektriciteitsprijs hoog is, door gebruikt te maken van dezelfde turbines die in waterkrachtcentrales gebruikt worden.

station	vermogen (GW)	hoogteverschil (m)	volume (million m3)	energie opslag (GWh)
Ffestiniog	0.36	320–295	1.7	1.3
Cruachan	0.40	365–334	11.3	10
Foyers	0.30	178–172	13.6	6.3
Dinorwig	1.80	542–494	6.7	9.1

Tabel 26.4. Pompopslagfaciliteiten in Groot-Brittannië. De maximale energiewaarde die opgeslagen kan worden in de huidige pompopslagsystemen is ongeveer 30 GWh.

Groot-Brittannië heeft vier pompopslag faciliteiten, die samen een totaal van 30 GWh kunnen opslaan (tabel 26.4, figuur 26.6). Ze worden meestal gebruikt om overtollige elektriciteit  s’nachts op te slaan en overdag te leveren, vooral op momenten dat er een piekvraag is – een winstgevende activiteit, zoals figuur 26.5 laat zien. De Dinorwig krachtcentrale – een verbazingwekkende kathedraal in een berg in Snowdonia- verhoogd de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet: het heeft voldoende vermogen om het nationale netwerk opnieuw op te starten in het geval van een grote storing. Dinorwig kan een vermogen van 0 tot 1,3 GW inschakelen, in slechts 12 seconden.

Dinorwig is de koningin van de vier faciliteiten. Laten we haar belangrijkste statistieken bekijken. De totale energie die kan worden opgeslagen in Dinorwig is ongeveer 9 GWh. zijn bovenmeer ligt ongeveer 500 m boven het benedenmeer en het werkvolume van 7 miljoen m3 water stroomt met een maximale snelheid van 390 m3 / s, waardoor een vermogensafgifte mogelijk is van 1,7 GW gedurende 5 uur. De efficiëntie van dit opslagsysteem is 75%.

Als alle vier de stations werken dan kunnen ze een vermogen van 2,8 GW produceren. Ze kunnen extreem snel inschakelen, en daardoor makkelijk omgaan met elke snelheid van vermogensverandering  die vraagfluctuaties of windfluctuaties kunnen veroorzaken. De capaciteit van 2.8 GW is echter niet voldoende om 10 GW of 33 GW aan windenergie op te vervangen als die plotseling wegvalt. De totale opgeslagen energie (30 GWh) is evenmin in de buurt van de 1200 GWh opslagcapaciteit die we nodig hebben om een lange windstilte te overleven. Kan pompopslag opgeschaald worden?  Kunnen we ons voorstellen het hele windstilte probleem op te lossen met alleen gepompte opslag?

Kunnen we 1200 GWh opslaan?

We zijn geïnteresseerd in het maken van veel grotere opslagsystemen, voor het opslaan van een totaal van 1200 GWh (ongeveer 130 keer wat Dinorwig opslaat). En we zouden het leuk vinden als het vermogen ongeveer 20 GW zou zijn – ongeveer tien keer groter dan het vermogen van Dinorwig. Dus hier is de oplossing met pompopslag: we moeten ons 12 nieuwe sites voorstellen, elk met een opslag van 100 GWh – ongeveer tien keer de opgeslagen energie in Dinorwig. De hoeveelheid aan pompen en turbines zou op elke site hetzelfde zijn als in Dinorwig.

Manieren om 100 GWh E op te slaan
hoogteverschil	benodigde hoeveeheid water (million m3)		stuwmeer oppervlak en diepte
500 m	40		2 km2×20 m E
500 m	40		4 km2×10 m E
200 m	100		5 km2×20 m E
200 m	100		10 km2×10 m E
100 m	200		10 km2×20 m E
100 m	200		20 km2×10 m E

Tabel 26.7. Pompopslag.  Verschillende manieren om 100 GWh op te slaan. Ter vergelijking met kolom 2 is het werkvolume van Dinorwig 7 miljoen m3 en het volume van Lake Windermere 300 miljoen m3. Ter vergelijking met kolom 3 heeft het Rutland-water een oppervlakte van 12,6 km2; Grafhamwater 7,4 km2. Het reservoir van de Carronvallei is 3,9 km2. Het grootste meer in Groot-Brittannië is Loch Lomond, met een oppervlakte van 71 km2.

Ervan uitgaande dat de generatoren een efficiëntie van 90% hebben, toont tabel 26.7 enkele manieren om 100 GWh op te slaan voor een reeks hoogteverschillen tussen het boven- en beneden-meer. (Zie voor de fysica achter deze tabel de eindnoten van dit hoofdstuk.) Is het aannemelijk dat dergelijke sites gevonden kunnen worden? Zeker, we zouden meerdere Dinorwig’s alleen al in Snowdonia kunnen bouwen. Tabel 26.8 toont twee alternatieve sites in de buurt van Ffestiniog, waar twee faciliteiten gelijk aan Dinorwig gebouwd zouden kunnen worden. Deze sites werden naast Dinorwig onderzocht in de jaren 1970, en Dinorwig werd gekozen. Pumped-storage-faciliteiten met aanzienlijk meer energie dan Dinorwig zouden in Schotland gebouwd kunnen worden gebouwd door bestaande waterkrachtcentrales te vergroten. De kaart van Schotland bekijkend kan men een kandidaat

alternatieve locatie	vermogen (GW)	hoogteverschil (m)	volume (million m3)	energi opslag (GWh)
Bowydd	2.40	250	17.7	12.0
Croesor	1.35	310	8.0	6.7

Tabel 26.8. Alternatieve locaties voor wateropslagfaciliteiten in Snowdonia. Op beide locaties wordt het benedenmeer een nieuw kunstmatig reservoir.

vinden met  Loch Sloy als bovenmeer en Loch Lomond als benedenmeer. Er is al een kleine waterkrachtcentrale die deze meren met elkaar verbindt. Figuur 26.9 plaatst deze meren en de Dinorwig-meren op dezelfde schaal. Het hoogteverschil tussen Loch Sloy en Loch Lomond is ongeveer 270 meter. het oppervlak van Sloy is ongeveer 1,5 km2, en het kan al 20 GWh opslaan. Als de dam van Loch Sloy zou worden vervangen door een hogere dan zou ongeveer 40 GWh kunnen worden opgeslagen. Het waterniveau in Loch Lomond zou door een opslag/levering cyclus 0.8 m variëren. Dit is minder dan de normale jaarlijkse variatie van de waterspiegel van Loch Lomond (2 m). Figuur 26.10 toont 13 locaties in Schotland met een potentieel voor gepompte opslag. Als tien hiervan hetzelfde potentieel zouden hebben als ik net schatte voor Loch Sloy, dan zouden we daar 400 GWh kunnen bewaren – een derde van het totaal van 1200 GWh dat we als doel gesteld hadden. We kunnen de kaart van Groot-Brittannië doorzoeken op andere locaties. De beste locaties zouden dicht bij grote windparken staan. Een idee zou zijn om een nieuw kunstmatig bovenmeer in een hangende vallei te creëren, die hoog boven de zee uitkomt, met de zee als benedenmeer.  Met nog wat meer creativiteit zouden we uit kunnen gaan van een bestaand meer waarbij de helft van de installatie in een ondergrondse ruimte wordt geplaatst. Een pomp opslagruimte op één kilometer onder Londen is al eerder voorgesteld . Door meer pomp opslagsystemen te bouwen, lijkt het ons mogelijk onze maximale energieopslag te verhogen van 30 GWh tot 100 GWh of misschien zelfs 400 GWh. Echter, het zal uiterst moeilijk worden om de gehoopte 1200 GWh te halen. Gelukkig is er een andere oplossing.

Vraagbeheer met elektrische voertuigen

Eerst een kleine samenvatting van onze objectieven: we willen graag ongeveer 1200 GWh kunnen opslaan of niet gebruiken, wat neerkomt op 20 kWh per persoon; bovendien willen we om kunnen gaan met schommelingen in het geleverde vermogen van maximaal 33 GW – dat is 0,5 kW per persoon. Deze cijfers zijn qua grootte verrukkelijk vergelijkbaar met de energie en vermogensbehoeften van elektrische auto’s. De elektrische auto’s die we in hoofdstuk 20 zagen hadden een energieopslag tussen de 9 kWh en 53 kWh. Met een nationale vloot van 30 miljoen elektrische auto’s zou een energie vergelijkbaar met 20 kWh per persoon worden opgeslagen! Typische acculaders hebben een vermogen van 2 of 3 kW. Dus tegelijkertijd 30 miljoen batterijladers inschakelen zou een verandering in de vraag van ongeveer 60 GW creëren! Het gemiddelde vermogen dat nodig is om al het transport in het land van energie te voorzien,  indien al het transport elektrisch is, is ongeveer 40 of 50 GW. Er is een goede match tussen de adoptie van elektrische auto’s voorgesteld in hoofdstuk 20 en de creatie van ruwweg 33 GW aan windvermogen capaciteit, dat gemiddeld 10 GW aan vermogen levert.

Hier is een manier waarop deze overeenkomst benut kan worden: elektrische auto’s zouden kunnen worden aangesloten op slimme opladers, thuis of op het werk. Deze slimme opladers zouden bewust kunnen zijn van de waarde van elektriciteit en van de eisen van de gebruiker (bijvoorbeeld: “mijn auto moet iedere ochtend voor 07:00 uur volledig opgeladen zijn”). De oplader zou op een verstandige manier aan de behoeften van de gebruiker voldoen door de elektriciteit op te slaan wanneer de wind waait en uit te schakelen wanneer de wind wegvalt of wanneer andere vormen van vraag toenemen. Deze slimme laders bieden een nuttige service bij het balanceren van het netwerk, een service die financieel zou kunnen worden beloond.

We zouden een bijzonder robuuste oplossing kunnen hebben als de accu’s van auto’s uitwisselbaar zouden zijn. Stelt u zich voor dat u in een tankstation de lege batterij omruilt tegen en opgeladen batterij. Het tankstation zou verantwoordelijk zijn voor het opladen van de batterijen; ze zouden dit op de beste tijden kunnen doen, het aan en uitzetten van hun laders, zodat vraag en aanbod altijd in evenwicht zou worden gehouden. Het gebruik van verwisselbare batterijen is een bijzonder robuuste oplossing omdat er miljoenen reservebatterijen in de opslagruimtes van de tankstations zouden kunnen zijn. Deze reservebatterijen zouden een extra buffer kunnen vormen om ons door windstiltes te helpen. Sommige mensen zeggen: “Verschrikkelijk! Hoe kan ik een tankstation vertrouwen om goed voor mijn batterijen te zorgen? Wat als ze me een slechte batterij geven?”  U zou zich vandaag ook af kunnen vragen “Wat als het tankstation me benzine met water geeft?” Ikzelf zou veel liever een voertuig gebruiken dat door een professional wordt onderhouden dan door een muppet zoals ik!

Laten we onze opties samenvatten. We kunnen schommelingen in vraag en in aanbod in evenwicht houden door het in- en uitschakelen van stroomgeneratoren (afvalverbrandingsovens en waterkrachtcentrales, bijvoorbeeld); door ergens energie op te slaan en die weer vrij te geven wanneer het nodig is; door de vraag aan en uit te schakelen. De meest veelbelovende van deze opties, qua schaal, is het in en uitschakelen van het opladen van elektrische voertuigen. 30 miljoen auto’s, elk met een 40 kWh batterij  (waarvan een aantal verwisselbare batterijen zijn die in tankstations worden opgeladen) komt neer op 1200 GWh. als vrachtvervoer ook wordt geëlektrificeerd, dan zou de totale opslagcapaciteit nog groter zijn.

Er is een mooie match tussen windenergie en elektrische voertuigen. Als we tegelijkertijd het aantal elektrische voertuigen en het aantal windturbines laten toenemen, ongeveer 3000 nieuwe voertuigen voor elke 3 MW windturbine, en als we er voor te zorgen dat de laadsystemen voor de voertuigen slim zijn, dan komen we met deze synergie een heel eind om het probleem van variatie in windsterkte op te lossen. Als mijn voorspelling over waterstofvoertuigen verkeerd is, en waterstofvoertuigen in de toekomst weinig energie zullen verbruiken, dan kan de combinatie van windenergie en elektrische auto’s die ik zojuist heb beschreven ook door een combinatie van wind-en-waterstof worden vervuld. De windturbines zouden elektriciteit maken; en wanneer elektriciteit overvloedig was, zou waterstof worden geproduceerd en opgeslagen in tanks, voor gebruik in voertuigen of in andere toepassingen, zoals glasproductie.

Andere ideeën voor vraagbeheer en opslag

Er zijn een paar andere opties voor vraagbeheer en energieopslag, die we nu zullen onderzoeken.

Het idee om de productiesnelheid aan te passen aan het beschikbare vermogen van een hernieuwbare bron is niet nieuw. Veel aluminiumfabrieken bevinden zich in de buurt van waterkrachtcentrales; hoe meer het regent, hoe meer aluminium er geproduceerd wordt. Waar energie wordt gebruikt om dingen te maken die opgeslagen kunnen worden, is er een mogelijkheid om de vraag naar energie op een slimme manier aan en uit te schakelen . Bijvoorbeeld, ontziltingsinstallaties (die zuiver water uit zeewater maken – zie hoofdstuk .. ) zijn in veel landen grote stroomverbruikers (hoewel niet Groot-Brittannië). Een ander product dat kan worden opgeslagen, is warmte. Als we zoals in hoofdstuk 21 hebben voorgesteld, de verwarmings- en koelsystemen van gebouwen elektrificeren, vooral voor verwarming en warmwater, dan hebben we een grote hoeveelheid eenvoudig in en uit te schakelen vermogen dat aan het elektriciteitsnet kan worden gekoppeld. Goed geïsoleerde gebouwen houden hun warmte vele uren vasthouden, dus er is flexibiliteit in de timing van hun verwarming. Bovendien kunnen we grote thermische reservoirs aan gebouwen toevoegen, en warmtepompen gebruiken in tijden van overvloed aan elektriciteit om warmte aan deze reservoirs toe te voegen of te onttrekken; en vervolgens een tweede circuit met warmtepompen gebruiken voor het vervoer van warmte of koude van de reservoirs naar de plaatsen waar verwarming of koeling gewenst is.

Automatisch beheer van de elektriciteitsvraag zou eenvoudig zijn. De eenvoudigste manier zou zijn om koelkasten en diepvriezers naar de frequentie van de stroom te laten luisteren.  Wanneer er een tekort aan stroom is op het elektriciteitsnet dan daalt de frequentie onder de standaardwaarde van 50 Hz; wanneer er een vermogensoverschot is, dan stijgt de frequentie boven de 50 Hz uit. (Het is net als met een dynamo op een fiets: wanneer je de lichten aanzet, moet je harder trappen om het extra vermogen te leveren; als je niet trapt, dan gaat de fiets een beetje langzamer.) Koelkasten kunnen hun interne thermostaat een klein beetje aanpassen als reactie op de frequentie, op zo’n manier dat, zonder de temperatuur van je boter in gevaar te brengen, ze de neiging hebben om vermogen op te nemen op momenten die het elektriciteitsnet helpen.

Kan vraag-management een groot deel van de virtuele opslag bieden? Hoe groot is het vermogen van alle koelkasten van het land dat aan en uit gezet zou kunnen worden? Een typische koelkast-vriezer verbruikt gemiddeld ongeveer 18 W; laten we schatten dat er ongeveer 30 miljoen koelkasten zijn. Dus het vermogen om alle koelkasten voor een paar minuten uit te zetten zouden gelijk zijn aan 0,54 GW aan automatische vermogen. Dit is veel elektrische stroom – meer dan 1% van het totaal – en het is in grootte vergelijkbaar met de plotselinge toename van de vraag wanneer mensen, verenigd in een daad van religieuze  dadendrang (zoals naar de serie EastEnders kijken), tegelijkertijd hun waterkokers inschakelen om een lekker potje thee te zetten. Dergelijke “TV pauzes” produceren doorgaans een toename van de vraag van 0,6-0,8 GW. Het automatisch uitschakelen van alle koelkasten zou bijna deze dagelijkse blips van het gesynchroniseerd gebruik van waterkokers kunnen opvangen. Deze slimme koelkasten kunnen ook helpen kortdurende schommelingen in windenergie op te vangen. Televisie evenementen van het grootste belang (bijvoorbeeld kijken naar de voetbal interland Engeland-Zweden) kunnen een plotselinge toename van de vraag veroorzaken van meer dan 2 GW. Bij dergelijke gelegenheden worden vraag en aanbod van elektriciteit in evenwicht gehouden door het volle vermogen van Dinorwig in te zetten.

Om flexibiliteit te bieden aan de beheerders van elektriciteitsnetwerken, die voortdurend bezig zijn het vermogen van elektriciteitscentrales te verhogen of te verlagen, hebben industriële gebruikers van elektriciteit speciale contracten die het de beheerders mogelijk maakt om die gebruikers op zeer kort termijn uit te schakelen. In Zuid-Afrika (waar regelmatig elektriciteitstekorten zijn), worden radiogestuurde vraag-managementsystemen in honderdduizenden huizen geïnstalleerd, om airconditioning en warmwater boilers op afstand te kunnen regelen.

De oplossing van Denemarken

Dit is hoe Denemarken omgaat met de variaties van zijn windenergie. De Denen betalen waterkrachtcentrales van de andere landen als opslagplaatsen. Bijna alle windenergie van Denemarken wordt geëxporteerd naar z’n Europese buren, van wie sommigen waterkrachtcentrales hebben, die ze uit kunnen zetten om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. De uitgespaarde hydro-elektrische energie wordt vervolgens aan de Denen (voor een hogere prijs) verkocht  tijdens de volgende periode met weinig wind en veel vraag. Kortom, de Deense windenergie levert een nuttige bijdrage aan het energiesysteem, dat in z’n geheel een hoge leveringszekerheid heeft door de grote capaciteit van de waterkrachtcentrales in z’n buurlanden.

Zou Groot-Brittannië de Deense oplossing ook kunnen toepassen? We zouden hoogspanningkabels nodig hebben naar landen met veel  hydro-elektrische capaciteit die makkelijk aan en uitgezet kan worden; of een grote verbinding met een Europawijd elektriciteitsnet. Noorwegen heeft 27,5 GW aan hydro-elektrische capaciteit. Zweden heeft grofweg 16 GW. En IJsland heeft 1,8 GW. Een 1,2 GW hoogspanningkabel naar Noorwegen werd in 2003 geplanned, maar niet gebouwd. Een verbinding met de Nederland – de BritNed-verbinding, met een capaciteit van 1 GW – zal in 2010 gebouwd worden. De windcapaciteit van Denemarken is 3,1 GW en heeft een 1 GW verbinding met Noorwegen, 0,6 GW naar Zweden en 1,2 GW naar Duitsland, dit is een totale export capaciteit van 2,8 GW, vergelijkbaar met de windcapaciteit. Om net zoals Denemarken alle overschot aan windenergie te kunnen exporteren, zou Groot-Brittannië (uitgaande van 33 GW aan windvermogen) een 10 GW-verbinding naar Noorwegen nodig hebben, 8 GW naar Zweden en 1 GW naar IJsland.

Een oplossing met twee elektriciteitsnetten

Een radicale benadering is om het vermogen van windenergie en andere intermitterende bronnen aan een apart tweede elektriciteitsnet te koppelen, en te gebruiken voor systemen die geen betrouwbaar vermogen nodig hebben, zoals verwarming en het opladen van elektrische voertuigen. Al meer dan 25 jaar (sinds 1982), heeft het Schotse eiland Fair Isle (70 inwoners, gebied 5,6 km2) twee elektriciteitsnetwerken dat de energie van twee windturbines distribueert en, indien nodig, van een diesel aangedreven elektriciteitsgenerator. De standaard elektriciteitsvoorziening wordt geleverd op één netwerk en de energie voor verwarming wordt geleverd door een tweede set kabels. De elektrische verwarming gebruikt hoofdzakelijk overtollige elektriciteit van de windturbines die anders gedumpt zou moeten worden. Programmeerbare relais, gevoelig voor de frequentie van het elektriciteitsnet, regelen op afstand, individuele warmwaterboilers en elektrische radiatoren met wateropslag in de huizen en gebouwen van de eilandbewoners. De frequentie van het elektriciteitsnet wordt gebruikt om radiatoren te informeren wanneer ze kunnen inschakelen. In feite zijn er maximaal zes frequenties per huishouden, dus het systeem emuleert zeven elektrische netwerken. Fair Isle heeft ook met succes een kinetisch energieopslagsysteem (vliegwiel) getest, om energie gedurende 20 seconden op te slaan.

Elektrische voertuigen als elektriciteitsbron

Als 30 miljoen elektrische voertuigen bereid waren, op momenten dat er op nationaal niveau een tekort aan elektriciteit is, om hun opladers in de omgekeerde richting te laten werken en de elektriciteit terug het net in te sturen, dan, met 2 kW per voertuig, hebben we een potentiële elektriciteitsbron van 60 GW -vergelijkbaar met de capaciteit van alle elektriciteitscentrales in het land. Zelfs al was maar een derde van de voertuigen tegelijkertijd aangesloten en beschikbaar, dat vormen ze nog steeds een potentiële bron van 20 GW vermogen. Als elk van die voertuigen in noodsituaties 2 kWh energie tot misschien 20% van zijn energieopslagcapaciteit zou doneren – dan zou de totale hoeveelheid geleverde energie 20 GWh zijn – twee keer zoveel als de energie in de Dinorwig-pompopslag.

Andere opslagtechnologieën

Er zijn veel manieren om energie op te slaan en veel criteria om opslagsystemen te beoordelen. Figuur 26.13 toont drie van de belangrijkste criteria: energiedichtheid (hoeveel energie wordt opgeslagen per kilogram opslag-systeem); efficiëntie (hoeveel energie krijg je terug per eenheid ingelegde energie); en levensduur (hoeveel energieopslag cyclussen kunnen geleverd worden voordat onderdelen van het het systeem vervangen moeten worden). Andere belangrijke criteria zijn: de maximale snelheid waarmee energie in of uit de opslag kan worden gepompt, vaak uitgedrukt als een vermogen per kg; de tijdsduur dat de energie in het systeem blijft opgeslagen; en natuurlijk de kosten en veiligheid van het systeem.

Vliegwielen

Figuur 26.15 is een afbeelding van een monsterlijk groot vliegwiel dat worden gebruikt om gedurende korte tijd een groot vermogen van maximaal 0,4 GW te leveren om een experimentele faciliteit van stroom te voorzien. Het vliegwiel weegt 800 t. Draait met 225 omwentelingen per minuut en kan 1000 kWh opslaan, en de bijbehorende energiedichtheid is ongeveer 1 Wh per kg.

Een vliegwielsysteem dat is ontworpen voor energieopslag in een raceauto, kan 400 kJ (0,1 kWh) energie opslaan en weegt 24 kg (p126). Dat is een energie dichtheid van 4,6 Wh per kg. Hogesnelheidsvliegwielen die  gemaakt worden van composietmaterialen hebben energiedichtheden tot 100 Wh / kg.

Supercondensatoren

Supercondensators worden gebruikt om kleine hoeveelheden elektrische energie op te slaan (tot 1 kWh) waar veel werkingscycli vereist zijn en het opladen snel moet worden voltooid. Supercondensatoren hebben bijvoorbeeld de voorkeur boven accu’s voor regeneratief remmen in voertuigen die veel stops en starts maken. U kunt supercondensatoren kopen met een energiedichtheid van 6 Wh / kg. Een Amerikaans bedrijf, EEStor, beweert in staat te zijn om veel betere condensatoren te maken, met behulp van bariumtitanaat, en een energiedichtheid van 280 Wh / kg te behalen.

brandstof	calorische waarde
	(kWh/kg)	(MJ/l)
propane	13.8	25.4
petrol	13.0	34.7
diesel oil (DERV)	12.7	37.9
kerosene	12.8	37
heating oil	12.8	37.3
ethanol	8.2	23.4
methanol	5.5	18.0
bioethanol		21.6
coal	8.0
firewood	4.4
hydrogen	39.0
natural gas	14.85	0.04

Tabel 26.14. (a) Calorische waarden (energiedichtheid, per kg en per liter) van sommige brandstoffen (in kWh per kg en MJ per liter).(b) Energiedichtheid van sommige batterijen (in Wh per kg). 1 kWh = 1000 Wh.

Vanadiumstroombatterijen

VRB-batterijen leverden een 12 MWh energieopslagsysteem voor het windpark Sorne Hill in Ierland, waarvan de huidige capaciteit “32 MW” is oplopend tot “39 MW.” (VRB staat voor vanadium redox-batterij.) Dit opslagsysteem is een grote “stroombatterij”, een redox regeneratieve brandstofcel, met een paar tanks vol vanadium in verschillende chemische toestanden. Dit opslagsysteem kan de output van het windpark op een tijdschaal van minuten op niveau houden, maar de langste tijd dat het een derde van z’n capaciteit kan leveren (tijdens een periode van windstilte) is één uur. Een 1,5 MWh vanadium systeem kost $ 480.000 beslaat 70 m2 en weegt 107 ton. De vanadium redox batterij heeft een levensduur van meer dan 10.000 cycli. Het kan in hetzelfde tempo worden opgeladen als gebruikt worden, dit in tegenstelling tot loodzuuraccu’s die 5 keer zo langzaam moeten worden opgeladen). De efficiëntie is 70-75%, retour. Het vereiste volume is ongeveer 1 m3 2-molair vanadium in zwavelzuur om 20 kWh op te slaan. (Dat is 20 Wh / kg.)

Dus om 10 GWh op te slaan zou 500 000 m3 nodig zijn (170 zwembaden) -bijvoorbeeld tanks met een hoogte van 2 m en een vloeroppervlakte van 500 m × 500 m.

Opschaling van de vanadiumtechnologie om een grote pompopslag systeem te créëren – 10 GWh – heeft mogelijk een merkbaar effect op de wereldmarkt van vanadium, maar er is geen langdurig tekort aan vanadium. De huidig wereldwijdde productie van vanadium is 40.000 ton per jaar. Een 10 GWh-systeem zou 36.000 ton vanadium bevatten – ongeveer de huidige jaarproductie. Vanadium wordt momenteel geproduceerd als bijproduct van andere processen, en de totale hoeveelheid vanadium in de wereld wordt geschat op 63 miljoen ton.

“Economische” oplossingen

In de huidige wereld, waar CO2 vervuiling niet belast wordt zijn de kosten van een opslagsysteem zo hoog dat er een goedkoper alternatief bestaat dat volslagen idioot is: opslag kan worden nagebootst door simpelweg een extra gasgestookte elektriciteitscentrale aan te zetten om te voldoen aan extra vraag, en indien nodig de overtollige elektriciteit weg te gooien in elektrische radiatoren.

Seizoensfluctuaties

De fluctuaties van vraag en aanbod die het langst duren, zijn seizoensgebonden. De belangrijkste fluctuatie is die van gebouwverwarming, die gaat elke winter omhoog. De huidige vraag naar aardgas in het Verenigd Koninkrijk varieert door het jaar heen, van een gemiddelde van 36 kWh / dag per persoon in juli en augustus tot een gemiddelde van 72 kWh / dag per persoon in december tot februari, met uitersten van 30-80 kWh / d / p (figuur 26.16). Sommige hernieuwbare energiebronnen hebben ook jaarlijkse schommelingen – zonne-energie is in de zomer groter en windenergie is dan zwakker.

Hoe kunnen we met deze schommelingen van zeer lange duur omgaan? Elektrische voertuigen en pompopslag kunnen niet helpen de vereiste hoeveelheden energie op te slaan. Een nuttige technologie zal zeker thermische opslag op lange termijn zijn. Een grote rots of een groot vat met water kunnen de warmte opslaan om te voldoen aan de warmtebehoefte van een gebouw in de winter – Hoofdstuk E bespreekt dit idee meer in detail. In Nederland, wordt zomer warmte van wegen tot de winter opgeslagen in waterhoudende grondlagen; en dan met warmtepompen aan gebouwen geleverd [2wmuw7].

Aantekeningen

De totale produktie van de windparken van de Republiek Ierland. Gegevens vaneirgrid.com [2hxf6c].-

“Verlies van wind veroorzaakt een stroomstoring in het elektriciteitsnet van Texas”. [2l99ht] In mijn lezing van dit artikel was deze gebeurtenis, hoewel ongebruikelijk, een voorbeeld van de normale werking van een elektriciteitsnet. Het netwerk heeft industriële klanten waarvoor de levering onderbreekbaar is, in het geval van een verschil tussen vraag an aanbod. Het windvermogen daalde met 1,4 GW op hetzelfde moment als de Texaanse vraag steeg met 4,4 GW, precies zo’n mismatch tussen vraag en aanbod. De onderbreekbare elektriciteitsleveringen werden onderbroken. Alles werkte zoals bedoeld. Hier is nog een voorbeeld, waar een betere planning van het elektriciteitssysteem geholpen zou kunnen hebben: “Een record van het door windturbines geleverde vermogen, noodzaakte de windenergie produktie te verminderen” [3x2kvv] Spanje’s gemiddelde elektriciteitsverbruik is 31 GW. Op dinsdag 4 maart 2008 leverden zijn windturbines 10 GW. “De Spaanse energiemarkt is bijzonder gevoelig geworden voor schommelingen in de windsnelheid “

Supporters van windenergie minimaliseren dit probleem: “Maak je geen zorgen – individuele windparken kunnen intermitterend zijn, maar samen is de som van alle windmolenparken veel minder intermitterend. ” Zie bijvoorbeeld de website yes2wind.com, dat op zijn pagina “de mythe ontkracht dat windenergie niet betrouwbaar is” beweert dat “de variatie in de produktie van windparken verdeeld over het gehele land nauwelijks merkbaar is.” www.yes2wind.com/intermittency debunk.html

… wind is variable, zelfs als we veel turbines hebben die over het hele land verspreid zijn. Het VK is een beetje groter dan Ierland, maar heeft hetzelfde probleem. Bron: Oswald et al. (2008).

De efficiëntie van de gepompte opslag van Dinorwig is 75%. Figuur 26.17 toont gegevens. Verdere informatie over Dinorwig en de alternatieve locaties voor gepompte opslag: Baines et al. (1983, 1986).

Tabel 26.7. Het vereiste werkvolume, V, wordt gebaseerd de hoogteverschil  h als volgt berekend:

V = 100 GWh / (ρ x g x h x ε)

Waarbij ε de efficiëntie van de conversie van potentiële energie naar elektrische energie is, ρ de dichtheid van water is en g de versnelling van de zwaartekracht is. Ik ging ervan uit dat de generatoren een een efficiëntie hebben van ε = 0.9.

Tabel 26.8, Alternatieve sites voor pompopslag faciliteiten. Het voorgestelde boven reservoir voor Bowydd was Llyn Newydd, roosterreferentie SH 722 470; voor Croesor: Llyn Cwm-y-Foel, SH 653 466.

Indien tien Schotse pompopslag faciliteiten hetzelfde potentieel hadden als Loch Sloy, dan zouden we 400 GWh kunnen opslaan. Deze ruwe schatting wordt ondersteund door een studie door Strathclyde University [5o2xgu] die 14 locaties noemt die gezamelijk een totale opslagcapaciteit van 514 GWh zouden kunnen hebben.  

IJskasten kunnen worden aangepast om hun interne thermostaten te verhogen of te verlagen … in reactie op de frequentie van het elektriciteitsnet. [2n3pmb] Verdere links: Dynamic Demand www.dynamicdemand.co.uk  www.rltec.com   www.responsiveload.com

In Zuid-Afrika …. worden demand-managementsystemen geïnstalleerd.Bron: [2k8h4o]

Bijna al het windvermogen van Denemarken wordt geëxporteerd naar zijn Europese buren. Bron: Sharman (2005).

Al meer dan 25 jaar (sinds 1982) heeft Fair Isle twee elektriciteitsnetwerken.www.fairisle.org.uk/FIECo/ Windsnelheden liggen meestal tussen 3 m / s en 16 m / s; 7 m / s is de meest voorkomende snelheid.

Figuur 26.13. Opslag efficiëntie. Lithium-ion batterijen: 88% efficiënt. Bron: www.national.com/appinfo/power/files/swcap eet.pdf Loodzuurbatterijen: 85-95%. Bron: www.windsun.com/Batterijen/ Batterij FAQ.htm Persluchtopslag: 18% efficiënt. Bron: Lemofouet-Gatsi en Rufer(2005); Lemofouet-Gatsi (2006). Zie ook Denholm et al. (2005).

Lucht / olie: hydraulische accumulatoren worden in vrachtwagens gebruikt voor regeneratief remmen, zijn apparaten voor de opslag van energie met perslucht.  Kunnen een 90% retour rendement retour halen en 70% van de kinetische energie kan worden vastgelegd. Bronnen: Lemofouet-Gatsi (2006),[5cp27j].

Tabel 26.14. Bronnen: Xtronics xtronics.com/reference/energy density.htm ; Batterij Universiteit [2sxlyj] ; vliegwiel informatie van Ruddell (2003). De nieuwste batterijen met de hoogste energiedichtheid zijn lithium-zwavel- en lithiumsulfide batterijen, en hebben een energiedichtheid van 300 Wh / kg. Sommige gedesillusioneerde waterstof-enthousiastelingen lijken zich een weg naar boven in het periodiek systeem te banen en borium liefhebbers te worden. Borium (ervan uitgaande dat je het tot B2O3 verbrandt) heeft een energiedichtheid van 15.000 Wh per kg, wat leuk en hoog is. Maar ik kan me voorstellen dat mijn belangrijkste zorg over waterstof ook voor borium geldt: de productie van de brandstof (hier, boor van booroxide) zal in energie-termen inefficiënt zijn, en dat zal het verbrandingsproces ook zijn.

Vanadium stroombatterijen. Bronnen: www.vrbpower.com; Ierland windpark [ktd7a]; laadsnelheid [627ced]; wereldwijde productie [5fasl7]

… zomerhitte van wegen wordt opgeslagen in grondwater … [2wmuw7].