Thermische energieopslag: een sleutel tot de stabilisatie van fluctuerende energiemarkten

De wereldwijde transitie naar duurzame energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie, gaat gepaard met een groeiende vraag naar efficiënte energieopslag. De intermitterende aard van deze hernieuwbare bronnen leidt tot fluctuaties in het energie-aanbod, wat de stabiliteit van het energiesysteem in gevaar brengt. Thermische energieopslag (TES) biedt een veelbelovende oplossing door overtollige energie op te slaan als warmte of koude en deze later vrij te geven wanneer de vraag hoog is. Dit draagt bij aan een betrouwbaardere en duurzamere energievoorziening, met positieve gevolgen voor het milieu, de natuur en dieren.

Dit artikel bespreekt de verschillende technologieën binnen thermische energieopslag, de diverse toepassingen in verschillende sectoren, en de uitdagingen en kansen voor de toekomst. We zullen de voordelen van seizoenale energieopslag nader bekijken en de impact op de groene energie transitie analyseren.

Wat is thermische energieopslag (TES)?

Thermische energieopslag is een technologie die energie opslaat in de vorm van warmte of koude. In tegenstelling tot elektrische energieopslag, zoals batterijen, maakt TES gebruik van de warmtecapaciteit van materialen om energie op te slaan en later vrij te maken. Dit proces is efficiënt en schaalbaar, waardoor het een cruciale rol kan spelen in de integratie van hernieuwbare energiebronnen in het energiesysteem. De efficiëntie van TES-systemen hangt af van verschillende factoren, waaronder de keuze van opslagmateriaal, de isolatie en de technologie van de warmtewisselaars. De gemiddelde rendementen van TES-systemen variëren tussen 70% en 90%, afhankelijk van het type systeem en de toepassing.

Vormen van thermische energieopslag

Drie hoofdcategorieën van thermische energieopslag zijn:

• Sensible heat storage: Hier wordt warmte opgeslagen door een toename in de temperatuur van een materiaal, zoals water, gesteente, of gesmolten zouten. De hoeveelheid opgeslagen energie is recht evenredig met de temperatuurverandering en de warmtecapaciteit van het materiaal. Gesmolten zouten bieden een hogere energiedichtheid dan water, maar zijn duurder en vereisen hogere veiligheidsmaatregelen. Faseovergangsmaterialen (PCM's) worden vaak gebruikt om de warmteopslag te verbeteren. Een typisch voorbeeld van sensible heat storage is het gebruik van watertanks voor de opslag van zonne-energie.
• Latente heat storage: Bij latente warmteopslag wordt de energie opgeslagen tijdens een faseovergang, zoals smelten of stollen. Dit resulteert in een hogere energiedichtheid in vergelijking met sensible heat storage. De warmte wordt opgeslagen bij een constante temperatuur, wat gunstig is voor specifieke toepassingen. Voorbeelden van materialen voor latente warmteopslag zijn paraffinewas en bepaalde zouten.
• Thermochemical storage: Deze geavanceerde technologie maakt gebruik van chemische reacties om energie op te slaan en later vrij te maken. Dit biedt het potentieel voor een zeer hoge energiedichtheid en langdurige opslag. Voorbeelden zijn reacties met metaloxides en waterstof, die warmte opslaan en later vrijmaken bij de omgekeerde reactie. Deze technologie is nog relatief onrijp, maar belooft een grote doorbraak in de energieopslag.

De optimale keuze van opslagmethode hangt af van verschillende factoren, zoals de gewenste opslagduur, de temperatuur, de kosten en de beschikbare ruimte. De kosten van implementatie en onderhoud spelen een belangrijke rol bij de economische haalbaarheid van een TES-systeem.

Toepassingen van thermische energieopslag

Thermische energieopslagtechnologieën vinden steeds meer toepassingen in verschillende sectoren, met als belangrijk doel de integratie van duurzame energiebronnen en de vermindering van de CO2-voetafdruk. De flexibiliteit en schaalbaarheid van TES maakt het een waardevol instrument voor een duurzame toekomst.

Integratie met hernieuwbare energiebronnen (wind- en zonne-energie)

Een belangrijke toepassing van TES is de compensatie van de intermitterende aard van wind- en zonne-energie. Overdag opgewekte zonne-energie kan worden gebruikt om een TES-systeem te verwarmen, waarbij de opgeslagen warmte 's nachts of tijdens perioden van lage zonneschijn kan worden benut voor verwarming of elektriciteitsproductie. Dit verbetert de betrouwbaarheid van de energievoorziening en vermindert de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Deze integratie draagt bij aan een vermindering van de CO2-uitstoot en de bescherming van het milieu.

District heating and cooling (warmte- en koudenetwerken)

Grootschalige TES-systemen kunnen worden geïntegreerd in warmte- en koudenetwerken om de efficiëntie te verhogen. Overtollige warmte uit industriële processen kan worden opgeslagen en later worden gebruikt voor stadsverwarming, terwijl overtollige koude kan worden ingezet voor stadskoeling. Dit vermindert de energiekosten en de uitstoot van broeikasgassen. Een recent onderzoek in Denemarken toonde aan dat district heating systemen met TES de CO2-uitstoot met 20% kunnen verminderen.

Industriële processen (hoogtemperatuur opslag)

Veel industrieën, zoals de cement- en metaalindustrie, hebben een hoge en fluctuerende warmtevraag. TES kan de energie-efficiëntie in deze sectoren significant verbeteren door overtollige warmte op te slaan en later te gebruiken. Dit leidt tot kostenbesparingen en een reductie van de CO2-uitstoot. De implementatie van TES-systemen in de industrie kan leiden tot een vermindering van het energieverbruik met gemiddeld 15%, wat een grote positieve impact heeft op de ecologische voetafdruk van deze bedrijven.

Power-to-heat (elektriciteit naar warmte)

Overtollige elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen kan worden omgezet in warmte via elektrische verwarmingselementen en vervolgens worden opgeslagen in een TES-systeem. Dit is een efficiënte manier om de intermittentie van hernieuwbare energie te compenseren. De efficiëntie van power-to-heat systemen bedraagt ongeveer 85-95% bij gebruik van hoogwaardige warmtepompen. Deze methode draagt bij aan een stabielere energiemarkt en vermindert de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.

Seizoensgebonden thermische energieopslag (langetermijn opslag)

Seizoensgebonden opslag is een veelbelovende technologie die energie over langere perioden, zoals van zomer naar winter, kan opslaan. Grootschalige ondergrondse opslagsystemen, zoals aquifers (watervoerende lagen), bieden een enorme opslagcapaciteit. Warmte die overdag of in de zomer wordt opgewekt, kan worden opgeslagen in aquifers en later worden teruggewonnen voor verwarming in de winter. Een goed ontworpen systeem kan een efficiëntie van 60-75% behalen. De milieueffecten van het aanleggen van dergelijke systemen moeten wel zorgvuldig worden geëvalueerd om negatieve effecten op de bodem en het grondwater te voorkomen.

• Een recent onderzoek schat dat seizoenale thermische energieopslag de CO2-uitstoot met 30% kan verlagen in verwarmingssystemen.
• De kosten van seizoenale opslag zijn momenteel relatief hoog, maar de technologische ontwikkelingen en schaalvoordelen zullen deze kosten naar verwachting in de toekomst verlagen.
• De integratie van warmtepompen in seizoenale opslagsystemen kan de efficiëntie verder verhogen en de kostprijs verlagen.

Uitdagingen en toekomstperspectieven voor thermische energieopslag

Ondanks het grote potentieel van TES, blijven er nog enkele uitdagingen bestaan. De hoge initiële investeringskosten vormen een barrière voor de snelle implementatie van grote TES-systemen. Verder onderzoek naar duurzame, kosteneffectieve opslagmaterialen is essentieel. Een betere integratie van TES-systemen in bestaande energiesystemen en de ontwikkeling van slimme besturingssystemen voor optimalisatie van de energie-efficiëntie zijn cruciale stappen voor de toekomst. De ontwikkeling van robuuste en betrouwbare systemen op lange termijn, met een minimale ecologische impact, is van groot belang. De overheid kan via subsidies en gerichte regelgeving een belangrijke rol spelen in de versnelling van de implementatie van TES.

De integratie van kunstmatige intelligentie (AI) in TES-systemen kan leiden tot een significant betere optimalisatie van de energieopslag en -afgifte, verhoging van de efficiëntie en verlaging van de kosten. De ontwikkeling van hybride systemen, die zowel thermische als elektrische energieopslag combineren, biedt grote mogelijkheden voor de toekomst. Deze systemen kunnen een cruciale rol spelen in de energietransitie, waardoor een stabielere, duurzamere en klimaatvriendelijke energievoorziening wordt gewaarborgd.

• Verdere ontwikkeling van geavanceerde materialen voor TES is cruciaal om de energiedichtheid, de levensduur en de kosten te optimaliseren.
• Slimme besturingssystemen kunnen de prestaties van TES-systemen aanzienlijk verbeteren.
• De ontwikkeling van normen en standaarden voor TES-systemen is belangrijk voor een veilige en betrouwbare implementatie.