Thermische energieopslag: de sleutel tot duurzame energieoplossingen

De wereldwijde transitie naar duurzame energiebronnen, zoals zonne- en windenergie, is cruciaal voor het tegengaan van klimaatverandering en de bescherming van onze planeet. Deze hernieuwbare energiebronnen leveren echter intermitterende energie; de energieproductie is afhankelijk van wisselende weersomstandigheden. Dit vormt een aanzienlijke uitdaging voor de stabiliteit en betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet. Thermische energieopslag (TES) biedt een innovatieve oplossing voor deze uitdaging, door energie op te slaan en op afroep beschikbaar te maken, ongeacht de beschikbaarheid van de primaire energiebron.

Thermische energieopslag (TES) omvat het opslaan van energie in de vorm van warmte of koude. Deze opgeslagen energie kan later worden gebruikt voor verwarming, koeling, of om elektriciteit op te wekken, waardoor een continue en betrouwbare energievoorziening gegarandeerd wordt. Dit draagt aanzienlijk bij aan de vermindering van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, met positieve gevolgen voor het milieu, de natuur en de dieren in hun leefomgeving.

Verschillende technologieën voor thermische energieopslag

De technologieën voor thermische energieopslag zijn divers en continu in ontwikkeling. De keuze voor een specifieke technologie hangt af van diverse factoren, zoals de gewenste temperatuur, de schaal van de toepassing en de beschikbare ruimte. Hieronder een overzicht van enkele belangrijke technologieën.

Sensatie-gebaseerde opslag: warmte opslaan via temperatuurverandering

Sensatie-gebaseerde opslag maakt gebruik van de warmtecapaciteit van een materiaal om warmte op te slaan. De temperatuur van het materiaal verandert, maar de fase blijft gelijk. Twee belangrijke voorbeelden zijn:

• Sensible Heat Storage (SHS): Deze methode maakt gebruik van de warmtecapaciteit van materialen zoals water, gesteente, of gesmolten zouten. Water is een veelgebruikt en relatief goedkoop opslagmedium, terwijl gesmolten zouten hogere temperaturen aankunnen en geschikt zijn voor Concentrated Solar Power (CSP) systemen. De efficiëntie van SHS hangt af van de specifieke warmtecapaciteit van het materiaal en de temperatuurverschillen. Grootschalige SHS-systemen kunnen enorme hoeveelheden energie opslaan, bijvoorbeeld in ondergrondse aquifers, wat bijdraagt aan een betere duurzame energie-integratie. De opslagcapaciteit van een typische SHS-installatie kan variëren van enkele MWh tot honderden GWh.
• Latente Warmteopslag (Latent Heat Storage, LHS): LHS maakt gebruik van de latente warmte die vrijkomt of geabsorbeerd wordt tijdens faseovergangen (bijv. smelten/stollen). Faseverandering materialen (PCM's) worden hierbij gebruikt. PCM's hebben een hoge energiedichtheid en kunnen warmte opslaan bij een constante temperatuur, wat gunstig is voor bepaalde toepassingen. De keuze van de juiste PCM hangt af van de gewenste temperatuur en de toepassing. Sommige PCM's zijn bijvoorbeeld ideaal voor lage temperatuur toepassingen in gebouwen, terwijl anderen geschikt zijn voor hogere temperaturen in industriële processen. De efficiëntie van LHS kan oplopen tot 90%, maar de levensduur van de PCM’s is een belangrijke factor.

De ontwikkeling van nieuwe, efficiëntere PCM's met een lange levensduur en lagere kosten is een belangrijk aandachtspunt in het onderzoek naar thermische energieopslag. Er is wereldwijd een grote investering in het onderzoek naar nanomaterialen voor PCM’s om de prestaties te optimaliseren. De verbetering van de warmteoverdracht is hierbij een cruciale factor.

Thermische energieopslag in combinatie met andere duurzame technologieën

TES is niet alleen een op zichzelf staande technologie, maar integreert ook steeds beter met andere duurzame energieoplossingen.

• Concentrated Solar Power (CSP) met gesmolten zout opslag: CSP-installaties gebruiken spiegels om zonlicht te concentreren op een warmteoverdrachtsvloeistof, vaak gesmolten zout. Dit gesmolten zout slaat de warmte op en kan later gebruikt worden om elektriciteit op te wekken, zelfs als de zon niet schijnt. Deze technologie speelt een belangrijke rol in het leveren van een constante energievoorziening, wat bijdraagt aan een betrouwbaarder elektriciteitsnet. De efficiëntie van CSP-systemen met gesmolten zout kan oplopen tot 60%.
• Geothermische Energie met Aquifers: Aquifers, grote ondergrondse waterreservoirs, kunnen worden gebruikt als natuurlijke warmteopslag. Overtollige warmte uit andere bronnen kan in de aquifer worden geïnjecteerd en later weer worden opgepompt voor verwarming of elektriciteitsproductie. De energieopslagcapaciteit van aquifers is enorm, waardoor ze een ideale oplossing zijn voor grootschalige TES. De temperatuur in een aquifer kan variëren afhankelijk van de locatie en diepte. Een gemiddeld temperatuurverschil van 10 graden Celsius tussen de geïnjecteerde en teruggewonnen water kan al een significante hoeveelheid energie opleveren.
• Warmtenetten: TES kan een cruciale rol spelen in de optimalisatie van warmtenetten. Overtollige warmte, bijvoorbeeld uit industriële processen, kan worden opgeslagen en later worden gebruikt om gebouwen te verwarmen, waardoor energieverliezen worden geminimaliseerd en de efficiëntie van het warmtenet wordt verhoogd. In sommige steden is het al mogelijk om 20% van de verwarmingsbehoefte te dekken met behulp van warmtenetten, een percentage dat door TES verder kan worden verhoogd.

Voordelen van thermische energieopslag: een duurzame toekomst

De implementatie van TES brengt tal van voordelen met zich mee voor de energietransitie en de bescherming van het milieu.

• Verhoogde Betrouwbaarheid van Hernieuwbare Energie: TES compenseert de intermitterende aard van zonne- en windenergie, waardoor een constante en betrouwbare energielevering mogelijk is, zelfs bij ongunstige weersomstandigheden. Dit verbetert de stabiliteit van het elektriciteitsnet en vermindert de noodzaak voor back-up centrales op basis van fossiele brandstoffen.
• Vermindering van Piekbelasting: Door energie op te slaan tijdens perioden van lage vraag en deze vrij te geven tijdens piekuren, vermindert TES de piekbelasting op het elektriciteitsnet. Dit leidt tot lagere kosten en een verbeterde efficiëntie van het energiesysteem. Studies tonen aan dat TES de piekbelasting met gemiddeld 15% kan verminderen.
• Kostenreductie op Lange Termijn: Hoewel de initiële investeringskosten voor TES-systemen hoog kunnen zijn, leiden de langetermijnkostenbesparingen door een efficiënter gebruik van duurzame energiebronnen en een verminderde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen tot een positief rendement op investering. Volgens recente analyses kunnen de operationele kosten van TES-systemen met 25% tot 30% lager liggen dan die van conventionele energiebronnen.
• Vermindering van de CO2-uitstoot: Door de integratie van TES in het energiesysteem wordt de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderd, wat direct leidt tot een verlaging van de CO2-uitstoot en bijdraagt aan het behalen van klimaatdoelen. Berekeningen laten zien dat de CO2-uitstoot per kWh gegenereerde elektriciteit met 40% tot 50% kan dalen dankzij TES.
• Verbeterde Energie-onafhankelijkheid: Een goed ontwikkeld TES-systeem verbetert de energie-onafhankelijkheid van landen en regio's door de afhankelijkheid van import van fossiele brandstoffen te verminderen. Dit draagt bij aan de energiesoevereiniteit en versterkt de economische stabiliteit.

Uitdagingen en toekomstperspectieven voor thermische energieopslag

Ondanks de vele voordelen zijn er nog enkele uitdagingen te overwinnen voor een wijdverspreide implementatie van TES.

• Kosten van Implementatie: De hoge initiële investeringskosten vormen een aanzienlijke barrière voor de adoptie van TES. Echter, met technologische vooruitgang, schaalvoordelen en gerichte overheidssubsidies, wordt verwacht dat de kosten in de toekomst aanzienlijk zullen dalen. Het onderzoek naar goedkopere en duurzamere materialen voor TES is hierbij cruciaal.
• Energieverliezen tijdens Opslag: Tijdens het opslagproces treden onvermijdelijk energieverliezen op. Onderzoek richt zich op het verbeteren van de efficiëntie van TES-systemen door het ontwikkelen van nieuwe materialen met een lagere warmtegeleiding en het optimaliseren van het ontwerp van de opslagtanks. De ontwikkelingen in de isolatietechnologie spelen hierbij een belangrijke rol.
• Levensduur van Opslagmaterialen: De levensduur van de gebruikte materialen is een belangrijke factor. De ontwikkeling van duurzame en langdurige opslagmaterialen, zoals recyclebare PCM's, is essentieel voor de economische haalbaarheid van TES op lange termijn. Het onderzoek naar de degradatie van PCM's en de ontwikkeling van strategieën voor recycling is een actief onderzoeksgebied.
• Integratie met het Elektriciteitsnet: De integratie van TES-systemen in het elektriciteitsnet vereist een goede planning en coördinatie. De ontwikkeling van intelligente besturingssystemen die de energieopslag en -afgifte optimaliseren, is noodzakelijk voor een efficiënt gebruik van TES. De ontwikkeling van slimme netten (smart grids) speelt hierbij een essentiële rol.
• Rol van Kunstmatige Intelligentie (AI): AI speelt een steeds belangrijkere rol in de optimalisatie van TES-systemen. AI-algoritmen kunnen de prestaties van TES-systemen verbeteren door het voorspellen van de energievraag en het aanpassen van de energieopslag in real time. Dit leidt tot een efficiënter gebruik van de opgeslagen energie en een betere integratie met hernieuwbare energiebronnen. De ontwikkelingen op het gebied van AI bieden een enorm potentieel voor de verbetering van de efficiëntie en kosten-effectiviteit van TES.

De ontwikkeling en implementatie van thermische energieopslag is een cruciale stap in de transitie naar een duurzame en betrouwbare energievoorziening. Door de intermitterentie van hernieuwbare energiebronnen te compenseren, draagt TES bij aan een stabieler elektriciteitsnet, een verminderde CO2-uitstoot en een schoner milieu voor mens, natuur en dier.