Een vaak herhaald refrein - de zon schijnt niet altijd, en de wind waait niet altijd - wordt soms gezien als een belemmering voor hernieuwbare energie. Maar het is ook een aanzet tot het ontdekken van de beste manieren om die energie op te slaan totdat het nodig is.

Dalende kosten in beschikbare technologieën hebben de belangstelling voor energieopslag als nooit tevoren voortgestuwd. De prijs van lithium-ionbatterijen is de afgelopen vijf jaar met ongeveer 80% gedaald, waardoor de integratie van opslag in zonne-energiesystemen mogelijk wordt. Vandaag, bijna 18% van alle elektriciteit die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, is afkomstig van hernieuwbare energiebronnen, zoals waterkracht en wind - een cijfer dat naar verwachting zal stijgen. En terwijl gemeenschappen en hele staten streven naar hogere percentages stroom uit hernieuwbare energiebronnen, er is geen twijfel dat opslag een belangrijke rol zal spelen.

In vergelijking met dezelfde periode een jaar eerder, de Verenigde Staten zagen in het derde kwartaal van 2019 een toename van 93% in de hoeveelheid opslag. Tegen 2024, dat aantal zal naar verwachting boven de 5,4 gigawatt uitkomen, volgens een voorspelling van marktonderzoeksbureau Wood Mackenzie Power &Renewables. De marktwaarde zal naar verwachting stijgen van $ 720 miljoen vandaag tot $ 5,1 miljard in 2024. Deze groei wordt gestimuleerd door een grotere focus op het toevoegen van hernieuwbare energiebronnen aan het nationale netwerk.

Pas in het afgelopen decennium is de wijdverbreide acceptatie van hernieuwbare energiebronnen een economische mogelijkheid geworden, zei Paul Denholm, een belangrijkste energieanalist bij het National Renewable Energy Laboratory (NREL). Hij kwam 15 jaar geleden bij NREL en, destijds, hij en andere analisten waren druk bezig met het uitstippelen van een weg naar 20% van de energievoorziening van het land afkomstig uit hernieuwbare bronnen. Nutsvoorzieningen, ze mikken veel hoger.

"De dalende kosten van wind- en zonne-energie en nu batterijen maken het denkbaar om 100% hernieuwbare energie te overwegen, " hij zei.

NREL's Renewable Electricity Futures Study schatte dat tegen 2050 120 gigawatt aan opslag nodig zou zijn in de continentale Verenigde Staten, toen het scenario een toekomst voorstelde waarin 80% van de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zal komen. Het land heeft momenteel 22 gigawatt aan opslag uit opgepompte waterkracht, en nog een gigawatt aan batterijen.

Inzet van opslag een must in Hawaii

Hawaii, die al zijn fossiele brandstoffen moet importeren en daardoor een hoge prijs voor elektriciteit betaalt, experimenteert met het gebruik van batterijopslag om zijn energiedoelstellingen te halen. De staat streeft naar 100% schone energie in 2045, het gebruik van zowel hernieuwbare energie als een verbeterde energie-efficiëntie. De AES Corporation, gevestigd in Virginia, heeft 's werelds grootste zonne-plus-opslagsysteem geïnstalleerd aan de zuidkant van Kauai.

Zonnepanelen die 28 megawatt elektriciteit kunnen produceren, werden gekoppeld aan 18, 304 lithium-ion batterijmodules. De accu's worden overdag opgeladen en leveren energie in de vroege ochtend en avond wanneer de zonnepanelen geen stroom opwekken.

Het systeem slaat genoeg energie op om gedurende vier uur aan de elektriciteitsbehoefte te voldoen en elimineert de behoefte aan 3,7 miljoen gallons brandstof per jaar, volgens Kauai Island Utility Cooperative, die het eiland van stroom voorziet. Kauai wekt nu ongeveer 55% van zijn energie op via fotovoltaïsche (PV) systemen.

NREL-onderzoekers hebben getest hoe goed dit PV-opslagsysteem zou werken door een verkleinde versie te installeren en te evalueren op de Flatirons Campus.

"Je kunt simulaties zien en je kunt wat grafieken zien. Het is niets zo overtuigend als het zien van een apparaat ter grootte van een hulpprogramma dat werkt, " zei Przemek Koralewicz, hoofdonderzoeker van het testproject. "Dit geeft je veel vertrouwen."

Een tweede AES PV-plus-opslagcentrale die nu in aanbouw is op de marinebasis op Kauai, zal indien nodig elektriciteit leveren aan klanten, maar zal ook dienen als een geïsoleerd micronetwerk voor het leger als de stroom uitvalt. Wanneer de nieuwe fabriek volgend jaar operationeel wordt, ongeveer 60% van de elektriciteit op Kauai zal afkomstig zijn van hernieuwbare energiebronnen.

"Deze twee centrales van AES kunnen de helft van de stroom leveren voor het hele eiland, "Zei Koralewicz. "Tijdens de nacht, ze kunnen volledige kracht leveren, in bepaalde scenario's. Daarom is het belangrijk om het te testen. AES wil niet dat het instabiel is of problemen heeft."

Batterijopslag biedt een manier om het net stabiel te houden, waardoor een onmiddellijk evenwicht tussen vraag en aanbod ontstaat. Opslag is ook klaar om conventionele energieopwekking te vervangen tijdens piekvraag, waardoor er geen extra planten nodig zijn, maar beperkingen belemmeren het gebruik van batterijen. Een elektriciteitscentrale kan tientallen jaren operationeel blijven, maar een batterij moet na ongeveer twaalf jaar worden vervangen. Batterijen hebben ook last van een beperkte capaciteit, wat betekent dat ze meestal maar genoeg energie kunnen opslaan om vier uur lang stroom te leveren.

Kosten van opslag zijn niet eenvoudig te kwantificeren

De opslagkosten vastpinnen blijft ongrijpbaar. Een veelgebruikte metriek genaamd levelized cost of energy (LCOE) maakt een vergelijking mogelijk van de kosten om elektriciteit op verschillende manieren op te wekken. Maar de LCOE is alleen nauwkeurig wanneer de verschillende technologieën dezelfde diensten leveren.

Een groep NREL-onderzoekers, waaronder David Feldman en Robert Margolis, ontwikkelde een LCOE voor solar plus storage. "Zoals alle LCOE's, het heeft zijn beperkingen in gebruik, " zei Feldman. "Een van de uitdagingen, vooral voor opslag, is dat er zoveel verschillende use-cases zijn dat de kosten niet veel uitmaken, tenzij je de waarde definieert die het systeem brengt."

Het gebruik van opslag kan een nutsbedrijf geld besparen door de noodzaak om elektriciteit op te wekken te verminderen en transmissiekosten te vermijden.

Een door NREL geschreven artikel dat vorig jaar werd gepubliceerd in Het Elektriciteitsjournaal constateerde dat in meer dan de helft van de 17 onderzochte steden solar-plus-storage de nutskosten voor commerciële gebouwen verlaagde, in sommige gevallen zelfs met 24%. Batterijen gebruiken voor opslag, de eigendommen waren in staat om de tarieven van een nutsbedrijf te compenseren, waardoor gebruikers meer moesten betalen in tijden van piekvraag.

Pieken krachtcentrales, aangedreven door aardgas en ingeschakeld om te helpen voldoen aan de piekvraag, tegenkomt kostenvergelijkingen met batterijen die vier uur energie kunnen opslaan. Voor die duur, de balans tipt in het voordeel van batterijen. Meer dan vier uur, Hoewel, de batterij wordt duurder.

"De reden waarom we zoveel piekplanten hebben, is airconditioning, "zei Denholm. "Dan verbruiken we de meeste elektriciteit. Een ding dat je kunt doen is in plaats van een stel elektriciteitscentrales te bouwen die maar 100 uur per jaar draaien als het echt heet is, je kunt koude energie opslaan in de vorm van ijs of zoiets. Maak ijs om 4 uur 's ochtends en dan, als het midden in de middag warm wordt, je kunt die koude opgeslagen energie vrijgeven en je huis of je gebouw afkoelen."

Technologieën omvatten een breed scala

"Er is een misverstand. Opslag wordt vaak gezien als elektrochemische opslag of batterijopslag, " zei Adarsh ​​Nagarajan, de groepsmanager voor Power System Design and Planning bij NREL en die veel werkt aan de integratie van hernieuwbare energiebronnen op het net. "Opslag gaat verder dan batterijen. Het gaat verder dan elektrochemisch. Het is veel breder."

De Global Energy Storage Database van het Department of Energy (DOE) telt bijna 700 aangekondigde opslagprojecten, operationeel, of in aanbouw in de Verenigde Staten die afhankelijk zijn van talloze technologieën. Naast batterijen, de opslagmethoden omvatten ijs, gepompte waterkracht, warmte, gekoeld water, en elektrochemisch. Er zijn nog andere technologieën in ontwikkeling.

"Er is geen winnaar, " Zei Nagarajan. "Ze moeten allemaal samenwerken om een ​​bepaald doel te bereiken, dat is netstabiliteit en veerkracht en om aan de behoeften van de klant te voldoen."

Maar zelfs met zoveel manieren om energie op te slaan die al beschikbaar zijn, nieuwe of verbeterde technologieën worden voortdurend voorgesteld. Onderzoekers van NREL ontwikkelden een techniek om aardgas in lege putten te injecteren, een methode gepatenteerd voor het opslaan van waterstof onder druk in speciaal ontworpen windturbines, en verbeterde het ontwerp van lithium-ionbatterijen om ze langer mee te laten gaan.

Er zijn duidelijke favorieten naar voren gekomen onder de opslagtechnologieën die al in gebruik zijn. Het DOE Energy Storage Technology and Cost Characterization ReportPDF berekende dat onder batterijtechnologieën, lithium-ionbatterijen bieden de beste optie voor opslag van vier uur in termen van kosten, uitvoering, en volwassenheid van de technologie. Voor een langere overspanning, waterkrachtcentrales met pompopslag en energieopslag met perslucht worden als de beste opties beschouwd. Tussen die twee, waterkrachtcentrales is de meer volwassen technologie en was goed voor 98 procent van de wereldwijde energieopslag die in 2018 werd ingezet.

Water dat het meest wordt gebruikt bij opslag

Waterkrachtcentrales met pompopslag vormen de ruggengraat van de opslagcapaciteit van het land. historisch, het werd gebruikt om grote, inflexibele opwekking op het elektriciteitssysteem. Momenteel, pompopslag wordt gebruikt om grote hoeveelheden hernieuwbare energie op het net te integreren, dienen als een ondersteunende technologie die zowel de betrouwbaarheid verbetert als de kosten verlaagt. Gepompte opslag hydro is afhankelijk van twee reservoirs op verschillende hoogten. Elektriciteit die is opgewekt maar niet direct nodig is, wordt gebruikt om water van het onderste reservoir naar het bovenste te pompen. Wanneer stroom nodig is, het opgeslagen water wordt vrijgegeven om bergafwaarts te stromen en een turbine aan te drijven.

"Een van de echte uitdagingen waarmee hydro wordt geconfronteerd, is dat het acht tot tien jaar kan duren om een ​​fabriek te bouwen, " zei Greg Stark, de technisch beheerder waterkracht bij NREL en de leider van de integratie van het waterkrachtnet van het laboratorium. "Gezien alle onzekerheid op de energiemarkten, mensen aarzelen om te investeren in een 10-jarig project."

Om deze time-to-market-problemen aan te pakken, de DOE heeft de FAST Commissioning Challenge in het leven geroepen. Tessa Greco, NREL's nieuwe waterkracht innovatieve projectmanager, leidt de competitie voor het Water Power Technologies Office van de afdeling, met als doel de uitvoeringstijd van projecten te halveren en tegelijkertijd de kosten en risico's te verminderen die gepaard gaan met het online brengen van gepompte opslag. De Federal Energy Regulatory Commission heeft deze uitdagingen ook erkend en heeft bevolen dat binnen twee jaar licentiebeslissingen voor projecten voor pompopslag met gesloten kringloop moeten worden genomen. Tot dusver, dit type systeem - dat niet is aangesloten op een bestaand waterlichaam en daardoor de milieuproblemen vermindert - moet nog worden gebouwd in de Verenigde Staten.

Er zijn verschillende projecten in uitvoering, waaronder het Gordon Butte-project in Montana. Het Gordon Butte-systeem, die is toegestaan ​​​​en naar verwachting dit jaar met de bouw zal beginnen, zal twee kunstmatige reservoirs en drie turbines gebruiken om 400 MW aan capaciteit en 8,5 uur opslag te leveren. Pompopslag vereist in het verleden een unieke ontwerp- en bouwstrategie voor elk nieuw project; echter, het Gordon Butte-project presenteert een repliceerbaar model, wat geld kan besparen voor potentiële ontwikkelaars.

"Pumped storage komt pas echt tot zijn recht wanneer je voor een langere periode zeer grote hoeveelheden stroom nodig hebt. " zei Stark. "Een deel daarvan is omdat de toenemende kosten om de duur van pompopslag te verlengen, gewoon een groter reservoir vormen. Het zijn nog steeds dezelfde turbines en andere infrastructuur, terwijl bij batterijopslag bijvoorbeeld als u een langere duur wilt, je moet meer batterijen kopen."

Seizoensopslag vereist zorgvuldige studie

Energieopslag op lange termijn wordt ruwweg gedefinieerd als van 10-100 uur. Alles daarboven wordt als seizoensgebonden beschouwd. Wind waait meer in de lente, dus de mogelijkheid om die energie op te vangen totdat deze kan worden gebruikt wanneer dat nodig is in de zomer, creëert onderzoeksmogelijkheden. Waterstof, waterkracht, en perslucht de meest haalbare technologieën zijn om energie gedurende lange perioden op te slaan, volgens Omar Guerra en Josh Eichman, onderzoekers van NREL die de waarde van seizoensgebonden energieopslagtechnologieën bestuderen.

In samenwerking met Southern California Gas Company, NREL installeerde een bioreactor om power-to-gas-technologie te testen als een manier om hernieuwbare energie op te slaan. Het project, een primeur in de Verenigde Staten, vertrouwt op micro-organismen die waterstof en koolstofdioxide omzetten in methaan. Het methaan kan worden opgeslagen in de pijpleiding van het bedrijf voor later gebruik.

Het netwerk van aardgaspijpleidingen door de Verenigde Staten heeft een lengte van ongeveer 3 miljoen mijl en wordt nu al gebruikt als opslagvoertuig. "Het beweegt het gas, maar het is ook een manier om het op te slaan, " zei Keith Wipke, manager van NREL's Fuel Cell and Hydrogen Technologies-programma.

Waterstof kan aan de aardgasleiding worden toegevoegd - tot ongeveer 10% - of apart worden opgeslagen. Een methode om waterstof op te slaan die is voorgesteld - maar die nog op grote schaal moet worden toegepast - is het uithakken van ruimte in zoutcavernes, zei Wipke.

De opslag van aardgas helpt prijsschommelingen af ​​te dekken en te voldoen aan de seizoensvraag, maar de kosten van de apparatuur hebben de invoering van seizoensgebonden elektriciteitsopslag tot stilstand gebracht. Waterstofopslag blijft een opkomende technologie, maar aangezien onderzoek tot verbeteringen leidt, wordt verwacht dat dit uiteindelijk de meest kosteneffectieve methode zal zijn om minstens een week elektriciteit te behouden en te ontladen, zei Guerra. Gepompte waterkracht en persluchtopslag van wel twee dagen zullen naar verwachting kostenconcurrerend zijn met het opwekken van nieuwe elektriciteit.

"Gepompte hydro- en perslucht-energieopslag zijn goed ontwikkelde technologieën, dus we verwachten geen significante daling van die kapitaalkosten, " zei Guerra. "Die kosten kunnen ook afhankelijk zijn van de locatie. Op sommige plaatsen heb je misschien de mogelijkheid om gepompte waterkracht op een kosteneffectieve manier te ontwikkelen. Op andere plaatsen heb je misschien de mogelijkheid om energie op perslucht op te slaan."

"We moeten de kosten verlagen van de technologieën die we vandaag hebben, en zeker enkele nieuwe technologieën die beter en goedkoper zijn, zouden goed zijn, ' zei Wipke.

Zhiwen Ma werkt aan precies dat. De onderzoeker werkt in de Thermal Systems Group van NREL en richt zijn inspanningen op het concentreren van zonne-energie, of CSP. De technologie maakt gebruik van een reeks spiegels of lenzen om het zonlicht op een klein gebied te concentreren, en de opgevangen energie kan worden opgeslagen in gesmolten zout. Maar de zouten zijn bijtend, er wordt dus onderzoek gedaan naar het ideale insluitingsvat. In plaats van zout, Ma gebruikt zand om de warmte op te slaan.

DOE's Advanced Research Projects Agency-Energy, die futuristische ideeën financiert, heeft NREL $ 2,8 miljoen toegekend om de haalbaarheid van Ma's goedkope thermische energieopslagsysteem te onderzoeken. Wanneer nodig, het verwarmde zand zal een vloeistof verwarmen die een gasturbine aandrijft die aan een generator is bevestigd.

"De belangrijkste voordelen ten opzichte van gesmolten zout zijn de lage kosten en prestaties, " zei Ma. Het zand is een fractie van de kosten van het zout, maar kan worden verwarmd tot 1, 200 graden Celsius vergeleken met 600 graden voor nitraatzout of 800 graden voor chloridezout.

Met zoveel mogelijkheden om energie op te slaan, onderzoekers zijn vastbesloten om de beste methoden te vinden. Ten slotte, de zon schijnt niet altijd, en de wind waait niet altijd.