Opslag van elektrische energie

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Opslag van elektrische energie
Elektrischeenergie.png
Eigenschappen
Categorie: Producteigenschappen en -functies
Originele auteur: Mark Spil en Thierry Spaans
Jaar: 2009
Originele auteur: Patrick Raedts en Tjitte de Wolff
Jaar: 2011
Wikipedia link: Electric potential energy

Inhoud

Accu's en batterijen

Inleiding

Accu

De meest efficiënte manier om elektrische energie op te slaan is in batterijen. Batterijen zijn elektrochemische cellen met een spanningscomponent. De eerste batterij is uitgevonden door de Italiaan Alessandro Volta, de zuil van volta (1836). Met de jaren zijn er steeds meer verschillende accu’s gekomen die gebruik maken van andere materialen en meer vermogen kunnen leveren.

Beschrijving

In een accu zitten twee polen van metaal en een elektrolyt. In het elektrolyt vindt uitwisseling van ionen plaats waardoor over de aansluiting tussen de twee metalenpolen een stroom gaat lopen. De stroom wordt dan vanaf de min-pool, door bijvoorbeeld een lampje, naar de plus-pool geleid.

Elektrischeenergie4.png

De volgende grafiek geeft de verhoudingen aan tussen de vermogens en de totale capaciteit van verschillende soorten accu’s aan.

Elektrischeenergie3.gif
1C rate = capaciteit C in 1 uur ontladen

Elektrischeenergie5.png

De batterijen zijn onderverdeeld in primaire en secundaire batterijen. Primaire batterijen kunnen na gebruik niet meer worden opgeladen. De processen die in de batterij plaats vinden zijn niet meer omkeerbaar. Deze zogeheten wegwerpbatterijen komen we voornamelijk tegen in draagbare audio apparatuur, speelgoed en zaklantaarns etc. Secundaire batterijen ook wel accu genoemd kunnen daarentegen wel elektrische energie opslaan. Door spanning in de omgekeerde richting te forceren zullen de chemische reacties omgekeerd verlopen. Waardoor het opslaan van elektrische energie mogelijk is. Batterijen hebben een beperkte levensduur, De batterijen behoud niet volledig zijn capaciteit na vaak en onregelmatig opladen. Bij een aantal batterijen treed dan ook het zogeheten ‘geheugen-effect’ op. Als een batterij of accu ontladen word zakt geleidelijk de spanning, in de onderstaande grafiek staat het spanningsverloop bij het ontladen. De spanning is per cel en de spanning van de accu kan verhoogd worden door meerdere cellen in serie te schakelen.

Flow batterijen

Schematische weergave van een flow batterij

Flow batterijen worden voornamelijk gebruikt om elektrische energie op te slaan uit duurzame energiebronnen, zoals windmolenparken en zonnepanelen. De batterijen bestaan uit enorme tanks van 10 tot 20 m hoog met 1 of 2 reservoirs. De opslagcapaciteit is makkelijk te vergroten door het vergroten van de reservoirs. Flow batterijen zijn in staat om hoge verschillende vermogenspieken van de onregelmatige toelevering van energie op te slaan. Het vermogen kan worden bepaald door meer of minder elektroden door de flow batterij te pompen.

Toepassingen

Van klein in een horloge tot groot in een auto .

Voordelen

  • Oplaadbaar (afhankelijk van het model)
  • Geen uitstoot op de plaats waar de energie gebruikt word
  • Klein

Nadelen

  • Kan schadelijke stoffen bevatten
  • Zelfontlading
  • Kan een geheugen effect hebben
  • Herladen kost relatief veel tijd

Milieuaspecten

In sommige accu’s zitten schadelijke stoffen en deze moeten, vakkundig gerecycled worden om milieuschade te voorkomen.

Waterstof

Inleiding

Vloeibaar waterstof (H2) word verkregen door elektrolyse van water of door fossiele brandstoffen om te zetten in waterstof en CO2. Het waterstof atoom is het meest voorkomende element in de natuur, echter als molecuul is het niet rendabel om dit uit de natuur te winnen.

Beschrijving

De energie dichtheid per gewicht is erg hoog (2,6 keer meer energie als benzine) echter per volume is de energie inhoud erg laag (ongeveer 4 keer minder dan benzine). Ook is het zeerlicht ontvlambaar waardoor voorzichtig om moet worden gegaan met waterstof.

Toepassingen

Waterstof kan worden gebruikt als brandstof in een speciaal aangepaste benzine motor, deze stoot dan enkel water uit. Er wordt verwacht dat over enkele jaren een auto aan te passen is voor waterstof gebruik net zo als een auto nu voorzien kan worden van gasinstallatie. Nokia is bezig met een batterij van vaste waterstof, echter is deze nog niet voor commercieel gebruik klaar en is er nog weinig over deze techniek bekend. Waterstof in een brandstofcel is de bekendste toepassing. Dit is een soort accu met een potentiaal verschil van 0,7v over de polen. Het proces wat plaats vindt is een soort omgekeerde elektrolyse. Het rendement van een brandstofcel is tussen de 40 en de 60%.

Voordelen

Geen uitstoot op de plaats waar de energie wordt gebruikt (bij verbranding enkel water).

Nadelen

  • Dubbel rendement verlies (in de batterij en bij het maken van waterstof)
  • Erg vervuilend als het gewonnen word uit fossiele brandstoffen
  • Relatief gevaarlijk.
  • Lage energie dichtheid per volume

Milieuaspecten

Geen uitstoot mits de waterstof op een groene manier geproduceerd is. Een brandstofcel bevat geen schadelijke stoffen zoals veel conventionele accu’s.

Waterbassins

Inleiding

Elektrischeenergie5.jpg

Door water op te pompen bij een energie overschot en terug te laten stromen bij een tekort kan men pieken in het elektriciteitsnet opvangen en daardoor efficiënter gebruik maken ven elektriciteitscentrales (centrales die op een laag vermogen draaien hebben ook een laag rendement). In Nederland zijn momenteel twee plannen voor opslag van elektrische energie in water. Ondergrondse opslag in Zuid-Limburg, hier word water uit een ondergrondsmeer naar een bovengrondsmeer gepompt als er een energieoverschot is. Het plan is een meer op 1400meter diepte te maken en zo een energie opslag van 8GWh te maken met een vermogen van 1400MW (wat gelijk staat aan 1.5 miljoen huishoudens). Bij het opslaan van elektrische energie met behulp van water berust op het oppompen van water en terug laten stromen als energie nodig is. Het rendement valt en staat bij het rendement van de pompen. In Nederland zijn er twee grote plannen voor een grote energie opslag. De eerste is een ondergrondse opslag in Zuid-Limburg, hierin word water uit een ondergronds meer naar een bovengronds meer gepompt als er een energie overschot is. Het plan is een meer op 1400meter diepte te maken en zo een energie opslag van 8GWh te maken met een vermogen van 1400MW (wat gelijk staat aan 1.5 miljoen huishoudens). Het tweede plan is het energie eiland in de Noordzee. Hierdoor zouden twee kolencentrales overbodig worden. De overvloed aan energie ‘s nachts kunnen de centrales in het eiland kwijt. Bij een overschot aan energie wordt water in de Noordzee gepompt. Als er weer extra energie nodig is laat men het meer weer vol lopen. Het meer kan voor meer dan 12 uur 1500Mw leveren en heeft 20.000MWh totale capaciteit. Het meer is 40km2 groot, 32 tot 40 meter diep, veel windmolens, een LNG terminal & bied ruimte aan chemische energie.

Elektrischeenergie6.gif

Voordelen

  • Relatief goedkoop
  • Hoge capaciteit

Nadelen

  • Landschapsvervuiling
  • Niet mobiel

Milieuaspecten

Het landschap heeft te leiden onder een energie opslag, doordat er kunstmatige meren gecreëerd worden.

Supergeleidende magnetische energieopslag (SMES)

Inleiding

Supergeleide magnetische energieopslag is energie opslag in een magnetischveld in het veld van een spoel van een supergeleider. Een supergeleider is een stof waarin elektronen transport geen enkele weerstand ondervind, hierdoor word de spoel niet warm zoals een koperspoel wel doet. Er gaat hierdoor inprincipe bij SMES geen energie verloren. Als de spoel met een schakelaar ingeschakeld word gedraagt deze zich als een gelijkspanningsstroombron, voor wisselspanning moet gebruik worden gemaakt van een condensator. Supergeleiders hebben hun supergeleidende eigenschappen alleen bij erg lage temperaturen (tussen de -273 Graden Celsius en de -234 Graden Celsius). Er zijn ook relatief nieuwe keramische materialen die ‘al’ bij -138 graden Celsius supergeleidend zijn Deze hebben echter als nadeel dat ze slecht tot draad kunnen worden verwerkt. Er is dus een kostbare installatie nodig om de supergeleiders te koelen, dit gebeurt met Helium of stikstof (nog in ontwikkeling) en gaat gepaard met een behoorlijk energie gebruik. Tot nu toe is het gelukt om een 10MW SMES opslag te maken, ter indicatie, de kernenergiecentrale in Borssele levert 485MW. Om te kunnen dienen als buffer in het elektriciteitsnet wordt momenteel onderzoek gedaan om versies met een hogere capaciteit te ontwikkelen echter zou met de huidige stand van de techniek de installatie meer dan een kilometer doorsnede moeten hebben.

Toepassingen

Als energie opslag om de verschillen in verbruik in een elektriciteitsnet op te vangen.

Voordelen

Theoretisch geen energie verlies.

Nadelen

  • Nog lang niet economisch rendabel, heeft nog veel ontwikkeling nodig
  • Groot
  • Dure en energie verslindende koelinstallatie nodig

Milieuaspecten

Voor de koeling is erg veel energie nodig.

Leveranciers, kenniscentra en bronvermelding

Supercondensatoren

Inleiding

Condensator

Condensator

Een condensator bestaat uit twee geleidende platen die dicht op elkaar staan. Tussen de platen zit een niet geleidend dielectricum. Door een lading op de twee platen aan te brengen ontstaat een elektrisch veld waardoor er negatieve deeltjes door het dielectricum naar de positief geladen geleider worden getransporteerd, waardoor de condensator wordt opgeladen. Condensators worden vooral gebruikt om voor korte tijd een relatief kleine hoeveelheid energie op te slaan. Condensators kunnen zich namelijk zeer snel opladen en ontladen. Deze eigenschap wordt bijvoorbeeld gebruikt in de flitser van een fotocamera. Verder kan een condensator gebruikt worden om signalen te filteren. Hier wordt gebruik gemaakt van het feit dat de weerstand van een condensator afhangt van de frequentie van het ingaande signaal.

Weerstand en frequentie van een condensator

Supercondensator

Omdat een gewone condensator weinig elektrische energie op kan slaan wordt er de laatste jaren veel onderzoek verricht om de capaciteit van condensatoren te verhogen. Deze verbeterde condensatoren komen qua capaciteit steeds dichter in de buurt van batterijen. Op dit moment zit daar nog een factor tien tussen, maar toch wordt het voor steeds meer toepassingen interessant om voor een condensator in plaats van een batterij te kiezen. Supercondensators laden namelijk veel sneller op zijn milieuvriendelijker om te produceren en gaan veel langer mee dan batterijen. Een nadeel is dat ze nog steeds vrij duur zijn om produceren de prijs van een 3000F condensator is ongeveer 100 dollar, ter vergelijking een AA batterij levert ongeveer 10000F. De prijs voor een dergelijke condensator wordt wel steeds minder 10 jaar geleden koste deze namelijk nog 5000 dollar. De Supercondensator lijkt op een gewone condensator behalve dat het een zeer hoge capaciteit biedt in een klein pakket. De energie opslag werkt door middel van statische lading in plaats van een elektro chemisch proces zoals bij een batterij. Een verschil in spanning op de positieve en negatieve platen laadt de Supercondensator. Dit concept is vergelijkbaar met een elektrische lading die opbouwt als je over een tapijt heen loopt. Het concept is er al een aantal jaren. Nieuwere modellen hebben meer capaciteit in een kleiner formaat. Terwijl de gewone condensator bestaat uit geleidend folie en een droge separator, maakt de supercondensator gebruik van speciale elektroden en een elektrolyt. Er zijn drie soorten elektrode materialen die geschikt zijn voor de Supercondensator. Dat zijn: actief carbon, metaal-oxide en geleidende polymeren. Het actief carbon, ook Double Layer Capacitor genoemd (DLC), is minder kostbaar te produceren en is de meest voorkomende.

Nanotechnologie

De nano-structuur van een verbeterde condensator

De techniek achter condensatoren ontwikkelt zich de laatste jaren razend snel. Eén van de ontwikkelingen waardoor condensatoren de komende jaren veel meer toegepast kunnen worden is dat doormiddel van nano-technologie. Door de componenten op nano-niveau te laten plooien (zie Afbeelding 6) wordt het oppervlak tussen geleider en dielectricum zo veel vergroot dat de condensator zo’n 100 tot 250 keer meer energie kan bevatten. Waardoor de condensator qua capaciteit vergelijkbaar is met een lithium ion batterij.

Toepassingen

  • Geschikt voor regeneratief remmen
  • Toepassingen voor elektrische voertuigen worden verwacht

Voordelen

  • Vrijwel onbeperkte levensduur, heeft een cyclus van miljoenen keren
  • Snel oplaadbaar, supercondensatoren laden in seconden
  • Eenvoudige oplaad methoden, geen volledige oplading is nodig, geen gevaar voor overbelasting
  • Aangezien condensatoren de laatste jaren al aanmerkelijk goedkoper zijn geworden, zullen we ze in de toekomst vaker in producten zien. Eerst in de high-end producten en als de prijs verder zakt ook in de goedkopere producten

Nadelen

  • Lage energiedichtheid
  • Cellen hebben een lage spanning
  • Hoge zelfontlading, het percentage is hoger dan die van een elektrochemische batterij

Milieuaspecten

Vanwege het hoge aantal mogelijke herladingen (miljoenen keer of meer ten opzichte van 200-1000 voor de meeste gebruikte batterijen) worden er geen onderdelen weggegooid gedurende de gehele levensduur van het apparaat, dat maakt het toestel milieuvriendelijk. Omdat een condensator uit principe duurzamer en beter voor het milieu is, is het logisch dat in de toekomst batterijen in bepaalde toepassingen vervangen worden door condensatoren. Een grote rol ligt weggelegd in het opvangen van overschotten en tekorten die gecreëerd worden wanneer de wereld overgaat op alternatieve energie bronnen. Ook voor kleinere toepassingen komen condensatoren in aanmerking vanwege hun milieuvriendelijkheid en lange levensduur. Daarbij moet wel gezegd worden dat ook batterijen steeds beter worden.

Leveranciers, kenniscentra en bronvermelding

Vliegwielen

Inleiding

Elektrischeenergie7.jpg

Vliegwiel energie-opslag werkt door middel van versnelling van een rotor (vliegwiel) tot een zeer hoge snelheid en het behouden van die energie in het systeem als rotatie-energie. Wanneer energie wordt gewonnen uit het systeem, neemt de draaisnelheid van het vliegwiel af als gevolg van de wet van behoud van energie; zo resulteert toevoegen van energie in het verhogen van de snelheid van het vliegwiel. Geavanceerde vliegwiel systemen hebben rotoren gemaakt van koolstof-composiet filamenten met magnetische lagers, en spinnen met snelheden van 20.000 tot 50.000 rpm in een vacuüm ruimte. Dergelijke vliegwielen kunnen op snelheid komen in een kwestie van minuten. Veel sneller dan sommige andere vormen van energie-opslag.

Toepassingen

Vliegwielen worden gebruikt in ponsmachines en klink machines, waar ze de energie uit de motor opslaan en het vrij laten komen tijdens de operatie (ponsen en klinken). Een vliegwiel kan worden gebruikt bij een machine of apparaat om het soepeler te laten lopen. Vliegwielen kunnen worden toegepast in UPS-systemen (Uninterruptible Power Supply).

Voordelen

Vliegwielen kunnen snel een hoog vermogen leveren.

Nadelen

De capaciteit is beperkt.

Milieuaspecten

De voordelen van een vliegwiel voor het millieu zijn zeer groot, omdat er geen chemie in zit.

Leveranciers, kenniscentra en bronvermelding

Compressed Air Energy Storage

Inleiding

Elektrischeenergie8.jpg

Compressed Air Energy Storage (CAES) voor het opwekken van elektriciteit tijdens piek uren is een concept dat overwogen is door een aantal energiebedrijven in de VS en elders op de wereld. Opslaan van gecomprimeerde lucht in geologische structuren zoals aquifers (ondergrondse verzadigde watervoerende zandafzettingen) en gedolven grotten is vaak een haalbaar en kosten effectief concept.

Toepassingen

Naast het gebruik van perslucht motoren, wordt perslucht gebruikt voor het opwekken van energie en in paintball. Veel tandartsen en winkel spulletjes maken gebruik van kleine turbine expanders voor kracht, en veel grote instrumenten die gebruikt worden in omgeving waar de kans op een elektrische schok hoog is zijn pneumatisch aangedreven in plaats van elektrisch aangedreven.

Voordelen

De energie uit verschillende bronnen (zoals wind, zon en het net zelf) kan tijdelijk worden opgeslagen om weer op een later tijdstip te gebruiken.

Nadelen

Er wordt gas gebruikt om de machine te laten draaien.

Milieuaspecten

Er wordt warmte van de omgeving gebruikt.

Leveranciers, kenniscentra en bronvermelding

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen