Als de mix van energiebronnen die energieverslindende huizen voeden, bedrijven en de industrie gaan meer hernieuwbare energiebronnen opnemen, zoals wind- en zonne-energie, de samenleving wordt geconfronteerd met een afrekening met waar te wenden als wind en zonneschijn wegsterven. Wat is er nodig voor groenere bronnen om niet alleen fossiele brandstoffen aan te sluiten op het Amerikaanse elektriciteitsnet, maar om ze uiteindelijk te verdringen?

In februari 2019, Los Angeles heeft plannen aangekondigd om tegen 2029 drie aardgascentrales uit te faseren en te vervangen door een combinatie van hernieuwbare energie en batterijopslag. Een paar maanden eerder, het Californische nutsbedrijf Pacific Gas &Electric won de goedkeuring van de regelgevende instanties voor soortgelijke plannen. Het hoopte een drietal aardgascentrales te vervangen door batterijopslagsystemen op industriële schaal, inclusief een project van 730 megawattuur dat moet worden ontworpen en gebouwd door het elektrische autobedrijf Tesla Motors. Ter vergelijking, de twee kleine centrales die volgens het plan van PG&E met pensioen gaan, kunnen indien nodig tot 47,6 megawatt aan elektriciteit opwekken, terwijl een grotere aardgasfabriek in het project tot 606 megawatt kan produceren.

Het idee achter beide plannen is dat het grillige karakter van energie uit zon en wind een probleem vormt voor operators die te allen tijde de hoeveelheid energievoorziening moeten afstemmen op de hoeveelheid vraag. Opslagtechnologieën, waaronder batterijen, bieden een manier om het evenwicht tussen vraag en aanbod te handhaven door elektriciteit van het net te halen wanneer er een overvloed aan hernieuwbare energiebronnen is en deze terug te sturen wanneer de vraag toeneemt of de output van hernieuwbare energiebronnen tekortschiet.

Zowel de Los Angeles- als de PG&E-plannen hebben enkele ongebruikelijke factoren. Maar toch, ze bieden misschien een glimp van een toekomst waarin grootschalige batterijopslag de weg vrijmaakt voor het soort energiemix waar een groeiend aantal staten om vraagt. Californië heeft vorig jaar bepaald dat al zijn elektriciteit tegen 2045 afkomstig moet zijn van emissievrije bronnen. En wetgeving voor schone elektriciteit ligt dit jaar op tafel in staten, waaronder Minnesota, New Mexico, New York, en de staat Washington. In Californië, regelgevers eisen ook dat PG&E en de twee andere nutsbedrijven die eigendom zijn van investeerders, tegen 2020 ten minste 1,3 gigawatt aan energieopslagcapaciteit voor het elektriciteitsnet van de staat aanschaffen.

Batterijen staan ​​echter voor aanzienlijke hindernissen als ze hernieuwbare energiebronnen willen helpen fossiele brandstoffen te verdringen. Hier, Simona Onori, een assistent-professor energiebronnen engineering aan de School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth), en Frank Wolak, die het programma van het Freeman Spogli Institute over energie en duurzame ontwikkeling leidt, bespreek enkele van de beloften en valkuilen van het inzetten van batterijen voor netopslag, evenals haalbare alternatieven.

Vanuit het oogpunt van prestaties, welke soorten batterijen zijn het meest geschikt voor het leveren van energieopslag voor het net?

Simona Onori:Vergeleken met andere batterijtechnologieën, lithium-ionbatterijen zijn lichtgewicht en compact met een hoge opslagcapaciteit voor hun formaat. Ze zijn beter bestand tegen schade door overmatige ontlading en extreme temperaturen, ze hebben een langere levensduur en kunnen meer keren fietsen zonder noemenswaardig capaciteitsverlies. Lithium-ion energieopslagsystemen vergen weinig onderhoud en weinig vervangende onderdelen en de batterijen hebben een modulaire opbouw die zich leent voor grootschalige toepassingen op het net.

Vooruit kijken, verbeteringen in redox- of flowbatterijen maken ze een steeds veelbelovende optie voor stationaire toepassingen. Een technologie voor de opslag van elektrische energie die bekend staat als supercondensatoren of dubbellaagse condensatoren kan ook grote voordelen opleveren voor het net, vooral bij gebruik in een hybride configuratie met andere apparaten zoals lithium-ionbatterijen. Met deze opstelling, supercondensatoren zouden worden gebruikt om de frequentie te regelen, dankzij hun snelle reactietijden, terwijl batterijen energie zouden leveren wanneer de vraag piekt. De haalbaarheid van deze oplossing is nog niet volledig onderzocht, maar het is iets dat we in ons lab onderzoeken.

Hoeveel is er bekend over hoe lithium-ionbatterijen de stress en eisen van opslag voor het net zullen doorstaan?

Onori:De prestaties en levensduur van een batterij zijn strikt afhankelijk van hoe de batterij wordt gebruikt. Hoe meer een batterij wordt belast - bij extreme temperaturen, bijvoorbeeld - hoe slechter het zal presteren en hoe korter de levensduur zal zijn. Ze hebben een robuust batterijbeheersysteem nodig dat ervoor zorgt dat ze binnen hun gewenste temperatuur blijven.

Accustressfactoren worden meestal samengevat in wat we een duty cycle noemen. We hebben zeer gedegen kennis over duty cycles in auto's, maar er is niet veel bekend over de werkcycli van batterijen voor het elektriciteitsnet, vooral vanwege het ontbreken van veldgegevens. Aangezien steeds meer batterijen worden gebruikt in netwerktoepassingen, er zullen meer gegevens worden verzameld die uiteindelijk kunnen helpen om nauwkeurige modellen te bouwen.

Wat zijn de meest haalbare alternatieven voor batterijen als het gaat om de opslag van energie voor het net?

Frank Wolak:historisch, de meest kosteneffectieve vorm van opslag op netschaal is een waterkrachtcentrale met pompopslag, waar water omhoog wordt gepompt wanneer de prijzen laag zijn en vervolgens bergafwaarts door een turbine stroomt om elektriciteit te produceren wanneer de prijzen hoog zijn.

Bezorgdheid van milieugroeperingen en een gebrek aan betrouwbare inkomstenbronnen hebben verhinderd dat op veel aantrekkelijke locaties in Californië nieuwe pompopslageenheden werden ontwikkeld. In aanvulling, omdat pompopslag afhankelijk is van bepaalde geografische kenmerken, zoals reservoirs die dichtbij zijn maar ver uit elkaar in hoogte, het kan niet noodzakelijkerwijs worden geplaatst waar het het meest nuttig kan zijn voor het handhaven van een betrouwbare elektriciteitsvoorziening.

Kan batterijopslag een goedkoper alternatief bieden voor gascentrales?

Wolak:Investeringen in opslag hebben een steile heuvel te beklimmen ten opzichte van bestaande aardgasgestookte productie-eenheden, die vaak elektriciteit produceren tegen een marktprijs die hoger is dan de marginale productiekosten van de productie-eenheid, die netto-inkomsten oplevert om de vaste kosten van deze productie-eenheden te recupereren.

De economie van opslag kan in de toekomst veranderen in het voordeel van batterijen, maar de beste hoop op opslag op korte termijn is een hoge prijs voor de uitstoot van broeikasgassen, waardoor het duurder wordt om aardgascentrales te exploiteren wanneer er geen hernieuwbare energie beschikbaar is.

Energieopslag is niet de enige manier om dips in de productie van hernieuwbare energie op te vangen. Wat zijn enkele veelbelovende alternatieven?

Wolak:We zouden het energieverbruik kunnen verschuiven naar perioden met een aanzienlijke productie van hernieuwbare energie. In de standaardvorm van deze programma's, deelnemers beslissen hoeveel elektriciteit ze elk uur verbruiken op basis van kleinhandelsprijzen die variëren met de groothandelsprijs per uur.

In Californië, het komt vaker voor dat aanbieders vraagreducties verkopen. Onder deze regelingen, als deelnemers in staat zijn hun vraag onder een bepaalde basislijn te verminderen, een nutsbedrijf zal hen voor die vermindering betalen tegen hetzelfde tarief alsof ze extra energie zouden leveren.