Het Wereldwijde Landschap van Onderzoek naar Energieopslag: Innovatie, Toepassingen en Toekomstige Trends

Energieopslag ontpopt zich snel als een cruciale factor voor een duurzame energietoekomst. Terwijl de wereld overstapt op hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind, vereist de intermittente aard van deze bronnen robuuste oplossingen voor energieopslag om een betrouwbare en stabiele stroomvoorziening te garanderen. Deze blogpost duikt in het wereldwijde landschap van onderzoek naar energieopslag en verkent diverse technologieën, lopende initiatieven, praktijktoepassingen en de opwindende toekomstige richtingen van dit vitale veld.

Waarom Energieopslag Belangrijk is: Een Wereldwijd Perspectief

De integratie van hernieuwbare energiebronnen in de wereldwijde energiemix is van het grootste belang voor het tegengaan van klimaatverandering en het waarborgen van energiezekerheid. De variabiliteit van de productie van hernieuwbare energie vormt echter een aanzienlijke uitdaging. Energieopslagsystemen (EOS) pakken deze uitdaging aan door:

• Vraag en aanbod in evenwicht te brengen: Overtollige energie die wordt opgewekt tijdens perioden van hoge productie (bijv. zonnige dagen voor zonne-energie) opslaan en vrijgeven wanneer de vraag het aanbod overtreft (bijv. tijdens piekuren 's avonds).
• De netstabiliteit te verbeteren: Het leveren van ondersteunende diensten zoals frequentieregeling en spanningsondersteuning, die cruciaal zijn voor het handhaven van een stabiel en betrouwbaar elektriciteitsnet.
• Microgrids en off-grid-oplossingen mogelijk te maken: Het faciliteren van toegang tot schone energie in afgelegen gebieden en achtergestelde gemeenschappen, wat energieonafhankelijkheid en veerkracht bevordert.
• De adoptie van elektrische voertuigen (EV's) te ondersteunen: Het leveren van de energieopslagcapaciteit die nodig is voor de wijdverbreide adoptie van EV's, waardoor de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen in de transportsector wordt verminderd.

Deze voordelen stimuleren wereldwijd aanzienlijke investeringen en onderzoeksinspanningen, gericht op de ontwikkeling van efficiëntere, kosteneffectievere en duurzamere technologieën voor energieopslag.

Een Divers Portfolio van Energieopslagtechnologieën

Het landschap van energieopslag omvat een breed scala aan technologieën, elk met zijn eigen sterke en zwakke punten, waardoor ze geschikt zijn voor verschillende toepassingen. Hier is een overzicht van enkele belangrijke technologieën:

1. Elektrochemische Energieopslag: Batterijen

Batterijen zijn de meest erkende en meest ingezette technologie voor energieopslag. Ze zetten chemische energie om in elektrische energie via elektrochemische reacties.

a. Lithium-ionbatterijen (LIB's)

LIB's domineren de markten voor draagbare elektronica en EV's vanwege hun hoge energiedichtheid, lange levensduur en relatief hoge vermogensdichtheid. Lopend onderzoek richt zich op:

• Verbetering van energiedichtheid en levensduur: Het verkennen van nieuwe elektrodematerialen en elektrolytsamenstellingen om de prestaties te verbeteren. Onderzoekers in Japan werken bijvoorbeeld aan silicium anodematerialen om de energiedichtheid drastisch te verhogen.
• Verhoging van de veiligheid: Het aanpakken van veiligheidsproblemen met betrekking tot thermische runaway door de ontwikkeling van veiligere elektrolyten en celontwerpen. Solid-state elektrolyten zijn een veelbelovende weg naar verbeterde veiligheid.
• Kostenverlaging: Het verkennen van alternatieve kathodematerialen zoals lithiumijzerfosfaat (LFP) en natrium-ionbatterijen om de afhankelijkheid van dure en schaarse materialen zoals kobalt en nikkel te verminderen.
• Ontwikkeling van snellaadmogelijkheden: Focussen op materialen en celontwerpen die snel opladen mogelijk maken, wat cruciaal is voor de adoptie van EV's. Bedrijven zoals Tesla innoveren voortdurend op dit gebied.

b. Solid-State Batterijen (SSB's)

SSB's vervangen de vloeibare elektrolyt in LIB's door een vaste elektrolyt, wat potentiële voordelen biedt op het gebied van veiligheid, energiedichtheid en levensduur. Onderzoeksinspanningen zijn geconcentreerd op:

• Ontwikkeling van vaste elektrolyten met hoge ionische geleidbaarheid: Het vinden van materialen met een hoge ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur om efficiënt ionentransport mogelijk te maken. Verschillende materialen, waaronder keramiek, polymeren en composieten, worden onderzocht.
• Verbetering van het interfaciale contact: Het waarborgen van goed contact tussen de vaste elektrolyt en de elektroden om de weerstand te minimaliseren. Dit is een grote uitdaging in de ontwikkeling van SSB's.
• Opschaling van de productie: Het ontwikkelen van schaalbare en kosteneffectieve productieprocessen voor de productie van SSB's. Bedrijven zoals QuantumScape en Solid Power lopen voorop in de ontwikkeling van SSB's.

c. Flowbatterijen

Flowbatterijen slaan energie op in vloeibare elektrolyten die zich in externe tanks bevinden. Ze bieden voordelen op het gebied van schaalbaarheid, lange levensduur en onafhankelijke controle over energie- en vermogenscapaciteit. Het onderzoek is gericht op:

• Verbetering van de energiedichtheid: Het ontwikkelen van elektrolyten met een hogere energiedichtheid om de omvang en de kosten van flowbatterijsystemen te verminderen.
• Kostenverlaging: Het verkennen van goedkopere en overvloedigere elektrolytmaterialen.
• Efficiëntieverbetering: Het optimaliseren van celontwerp en elektrolytsamenstelling om de round-trip efficiëntie te verbeteren.
• Ontwikkeling van nieuwe elektrolytchemiën: Het onderzoeken van niet-waterige en organische elektrolyten voor betere prestaties en duurzaamheid.

Flowbatterijen zijn bijzonder geschikt voor energieopslagtoepassingen op netschaal. Bedrijven zoals VanadiumCorp en Primus Power zijn actief betrokken bij de ontwikkeling en implementatie van flowbatterijen.

d. Natrium-ionbatterijen (SIB's)

SIB's gebruiken natriumionen als ladingsdrager en bieden een potentieel alternatief voor LIB's vanwege de overvloed en de lage kosten van natrium. Onderzoeksinspanningen richten zich op:

• Ontwikkeling van geschikte elektrodematerialen: Het vinden van materialen die natriumionen efficiënt en omkeerbaar kunnen intercaleren.
• Verbetering van de levensduur: Het verhogen van de stabiliteit van elektrodematerialen en elektrolyten om een lange levensduur te bereiken.
• Verhoging van de energiedichtheid: Het verkennen van nieuwe materialen en celontwerpen om de energiedichtheid te verbeteren.

SIB's winnen aan populariteit voor energieopslagtoepassingen op netschaal vanwege hun kostenvoordelen.

2. Mechanische Energieopslag

Technologieën voor mechanische energieopslag slaan energie op door een medium fysiek te verplaatsen of te vervormen. Deze technologieën omvatten:

a. Pompcentrale (PHS - Pumped Hydro Storage)

PHS is de meest volwassen en wijdverspreide vorm van energieopslag op netschaal. Het houdt in dat water naar een hoger gelegen reservoir wordt gepompt tijdens perioden van overtollige energie en wordt vrijgelaten via turbines om elektriciteit op te wekken wanneer dat nodig is. Het onderzoek richt zich op:

• Ontwikkeling van gesloten-lus PHS-systemen: Minimaliseren van de milieu-impact door het gebruik van reservoirs die niet aan een rivier liggen.
• Verbetering van de efficiëntie: Optimaliseren van turbine- en pompontwerpen om de round-trip efficiëntie te verhogen.
• Integratie van PHS met hernieuwbare energiebronnen: Ontwikkelen van controlestrategieën om de werking van PHS-systemen te optimaliseren in combinatie met variabele productie van hernieuwbare energie.

PHS is een bewezen technologie voor grootschalige energieopslag die aanzienlijke voordelen biedt voor de netstabilisatie.

b. Persluchtopslag (CAES - Compressed Air Energy Storage)

CAES slaat energie op door lucht samen te persen en op te slaan in ondergrondse grotten of tanks. De samengeperste lucht wordt vervolgens vrijgelaten om een turbine aan te drijven en elektriciteit op te wekken. Het onderzoek richt zich op:

• Verbetering van de efficiëntie: Ontwikkelen van adiabatische CAES-systemen die de warmte die tijdens de compressie wordt gegenereerd, opvangen en opslaan, wat de round-trip efficiëntie verbetert.
• Kostenverlaging: Verkennen van goedkopere opslagopties, zoals zoutgrotten.
• Ontwikkeling van hybride CAES-systemen: Integreren van CAES met hernieuwbare energiebronnen en andere energieopslagtechnologieën.

c. Vliegwielopslag

Vliegwielen slaan energie op door een massa op hoge snelheid te laten roteren. Ze bieden snelle responstijden en een hoge vermogensdichtheid, waardoor ze geschikt zijn voor kortdurende toepassingen zoals frequentieregeling. Het onderzoek richt zich op:

• Verbetering van de energiedichtheid: Ontwikkelen van vliegwielen met hogere rotatiesnelheden en sterkere materialen om de energiedichtheid te verhogen.
• Vermindering van wrijvingsverliezen: Minimaliseren van wrijving om de round-trip efficiëntie te verbeteren.
• Optimalisatie van besturingssystemen: Ontwikkelen van geavanceerde besturingssystemen voor een nauwkeurige en responsieve werking.

3. Thermische Energieopslag (TES)

TES slaat energie op in de vorm van warmte of koude. Het kan worden gebruikt voor diverse toepassingen, waaronder:

• Verwarming en koeling van gebouwen: Opslaan van thermische energie voor later gebruik bij het verwarmen of koelen van gebouwen, waardoor het energieverbruik en de piekvraag worden verminderd.
• Industriële processen: Opslaan van thermische energie voor gebruik in industriële processen, wat de energie-efficiëntie verbetert en de uitstoot vermindert.
• Geconcentreerde zonne-energie (CSP): Opslaan van thermische energie die wordt opgewekt door CSP-installaties voor regelbare elektriciteitsopwekking.

TES-technologieën omvatten:

• Voelbare warmteopslag: Energie opslaan door de temperatuur van een opslagmedium te verhogen, zoals water, olie of gesteente.
• Latente warmteopslag: Energie opslaan door gebruik te maken van de faseverandering van een materiaal, zoals smeltend ijs of het stollen van een zouthydraat.
• Thermochemische energieopslag: Energie opslaan door gebruik te maken van omkeerbare chemische reacties.

Onderzoeksinspanningen richten zich op de ontwikkeling van nieuwe materialen met een hoge thermische opslagcapaciteit en het verbeteren van de efficiëntie van TES-systemen.

Wereldwijde Onderzoeksinitiatieven en Financiering

Onderzoek naar energieopslag is een wereldwijde onderneming, met aanzienlijke investeringen en initiatieven in verschillende landen en regio's. Enkele opmerkelijke voorbeelden zijn:

• Het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE): Het DOE heeft verschillende initiatieven gelanceerd om onderzoek en ontwikkeling op het gebied van energieopslag te versnellen, waaronder de Energy Storage Grand Challenge en het Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
• De Europese Unie (EU): De EU heeft de Europese Batterij Alliantie (EBA) opgericht om de ontwikkeling van een concurrerende en duurzame batterij-industrie in Europa te bevorderen. Het Horizon Europe-programma van de EU financiert ook tal van onderzoeksprojecten op het gebied van energieopslag.
• China: China investeert zwaar in energieopslagtechnologieën als onderdeel van zijn inspanningen om over te stappen op een schoner energiesysteem. Het land heeft een sterke focus op batterijproductie en de inzet van energieopslag op netschaal.
• Japan: Japan heeft een lange geschiedenis van innovatie in batterijtechnologie en blijft investeren in geavanceerd onderzoek naar energieopslag, met name in solid-state batterijen en waterstofopslag.
• Australië: Australië zet op grote schaal energieopslagsystemen in om zijn groeiende capaciteit voor hernieuwbare energie te ondersteunen. Het land investeert ook in onderzoek naar energieopslag op netschaal en virtuele energiecentrales.

Deze initiatieven bieden financiering voor onderzoeksprojecten, ondersteunen de ontwikkeling van nieuwe technologieën en bevorderen de samenwerking tussen onderzoekers, de industrie en overheidsinstanties.

Praktijktoepassingen van Energieopslag

Energieopslagsystemen worden al wereldwijd ingezet in een breed scala aan toepassingen. Enkele voorbeelden zijn:

• Energieopslag op netschaal: Batterijopslagsystemen worden gebruikt om netdiensten te leveren, zoals frequentieregeling, spanningsondersteuning en peak shaving. De Hornsdale Power Reserve in Zuid-Australië is bijvoorbeeld een grootschalig batterijopslagsysteem dat de netstabiliteit aanzienlijk heeft verbeterd en de elektriciteitsprijzen heeft verlaagd.
• Microgrids: Energieopslagsystemen maken de ontwikkeling van microgrids mogelijk die onafhankelijk van het hoofdnet kunnen functioneren. Microgrids worden gebruikt om betrouwbare stroom te leveren aan afgelegen gemeenschappen, industriële faciliteiten en militaire bases. Talrijke microgrids in eilandstaten gebruiken bijvoorbeeld batterijen en hernieuwbare energie om de afhankelijkheid van geïmporteerde fossiele brandstoffen te verminderen.
• Elektrische voertuigen: Batterijen zijn het belangrijkste onderdeel van elektrische voertuigen en bieden de energieopslagcapaciteit die nodig is voor lange afstanden. De groei van de EV-markt stimuleert aanzienlijke innovatie in batterijtechnologie.
• Energieopslag voor woningen: Thuisbatterijsystemen worden steeds populairder, waardoor huiseigenaren overdag opgewekte zonne-energie kunnen opslaan en 's nachts kunnen gebruiken, waardoor hun afhankelijkheid van het net wordt verminderd.
• Industriële energieopslag: Energieopslagsystemen worden in industriële faciliteiten gebruikt om piekbelastingkosten te verlagen, de stroomkwaliteit te verbeteren en noodstroom te leveren.

Toekomstige Trends in Onderzoek naar Energieopslag

Het onderzoeksveld van energieopslag is voortdurend in ontwikkeling, met nieuwe materialen, technologieën en toepassingen die opkomen. Enkele belangrijke toekomstige trends zijn:

• Geavanceerde batterijtechnologieën: Voortdurende ontwikkeling van solid-state batterijen, lithium-zwavelbatterijen en andere geavanceerde batterijtechnologieën met een hogere energiedichtheid, verbeterde veiligheid en een langere levensduur.
• Innovaties in flowbatterijen: Ontwikkeling van nieuwe elektrolytchemiën en celontwerpen om de prestaties te verbeteren en de kosten van flowbatterijen te verlagen.
• Doorbraken in de materiaalkunde: Ontdekking van nieuwe materialen voor elektroden, elektrolyten en andere componenten van energieopslagsystemen met betere prestaties en duurzaamheid.
• AI en machine learning: Toepassing van AI- en machine learning-technieken om het ontwerp, de werking en de controle van energieopslagsystemen te optimaliseren.
• Netintegratie en -beheer: Ontwikkeling van geavanceerde netbeheersystemen om energieopslagsystemen te integreren met hernieuwbare energiebronnen en het elektriciteitsnet.
• Waterstofopslag: Onderzoek naar efficiënte en kosteneffectieve methoden voor de opslag van waterstof, een veelbelovende energiedrager voor diverse toepassingen.
• Elektrochemische condensatoren (Supercondensatoren): Voortdurende ontwikkeling van supercondensatoren met een hoge vermogensdichtheid en snelle laad-/ontlaadmogelijkheden.
• Nieuwe vormen van thermische energieopslag: Verkenning van nieuwe materialen en configuraties voor efficiëntere en compactere thermische energieopslag.

Conclusie: Op weg naar een Duurzame Energietoekomst

Onderzoek naar energieopslag speelt een cruciale rol in het mogelijk maken van een duurzame energietoekomst. De ontwikkeling van efficiëntere, kosteneffectievere en duurzamere energieopslagtechnologieën is essentieel voor de integratie van hernieuwbare energiebronnen in de wereldwijde energiemix, het verbeteren van de netstabiliteit en het mogelijk maken van toegang tot schone energie voor iedereen. Naarmate het onderzoek vordert, kunnen we verwachten dat er nog meer innovatieve oplossingen voor energieopslag zullen verschijnen, die de manier waarop we energie opwekken, opslaan en gebruiken, transformeren.

De wereldgemeenschap moet onderzoek naar energieopslag blijven ondersteunen en erin investeren om de overgang naar een schonere, duurzamere energietoekomst voor de komende generaties te versnellen. Samenwerking tussen onderzoekers, de industrie en overheidsinstanties is de sleutel tot het overwinnen van de uitdagingen en het realiseren van het volledige potentieel van energieopslagtechnologieën. Door innovatie en samenwerking te bevorderen, kunnen we de kracht van energieopslag ontsluiten om een betere en duurzamere toekomst voor iedereen te creëren.