Energieopslag: het essentiële energieprobleem

Share Button

Alle economische problemen zijn terug te brengen tot energie, want als je maar genoeg vrije energie hebt, kan je letterlijk alles maken. Een tweede, even belangrijk punt: je moet de energie ook tot je beschikking hebben op het moment dat het jou uitkomt. Wat zijn de mogelijkheden?

De zomerhitte verwarmt gebouwen in de winter. Niet voor niets wordt dit systeem steeds populairder.

De zomerhitte verwarmt gebouwen in de winter. Niet voor niets wordt dit systeem steeds populairder.

Opslag als warmte
Energie is er voldoende – laat een ton water bijvoorbeeld bevriezen en je kan er 334 megajoule (meer dan 90 kilowattuur, achttien euro) uit persen. Wacht, nog niet naar de bank rennen. Helaas lukt dat niet zomaar, want het gaat hier niet om vrije energie. Je kan er pas wat mee als je de warmte ergens anders in kan dumpen. In een vat vloeibaar helium van een paar graden boven het absolute nulpunt, bijvoorbeeld.

Met een simpele formule kan je uitrekenen hoeveel: \eta=\frac{Tc-Tw}{Tw}. Hierin is \eta de efficiëntie, Tc de lage temperatuur en Tw de hoge temperatuur. Vul voor Tc bijvoorbeeld 3 kelvin in (-270 graden) en voor Tw 300 kelvin (27 graden), dan kom je uit op een efficiëntie van 99%. Niet gek. Helaas (of liever gezegd: gelukkig, want bij drie kelvin bevriest zelfs alle lucht tot sneeuw) wordt het nooit zo koud. Wel heb je natuurlijk het temperatuursverschil tussen de zomer en de winter. Als je diezelfde kuub water in de zomer (als het 27 graden is) kan opslaan en ’s winters als het -3 graden is aftapt, oogst je  90 kWh * \frac{300 K-270 K}{300 K} = negen kilowattuur, tien procent rendement. Als je hoeveelheid water maar groot genoeg is, kan je zo enorme hoeveelheden energie opslaan. Dit is vooral interessant voor verwarmingsdoeleinden.

Opslag als elektrische stroom
In een supergeleider blijft een elektrische stroom in principe voor eeuwig stromen. Elektrische stroom wekt een magnetisch veld op, waarin energie wordt opgeslagen. Zodra de elektrische stroom vermindert, komt die energie weer vrij als elektrische stroom. Het grote voordeel van SMES, superconducting material energy storage is de snelheid en de efficiency. Het nadeel is dat supergeleiders sterk gekoeld moeten worden en de capaciteit in verhouding niet erg groot is. Ook ontstaan er sterke magneetvelden, waarvan de gezondheidseffecten omstreden zijn.

Ultracondensatoren laden heel snel en efficiënt. De opvolger voor de batterij?

Ultracondensatoren laden heel snel en efficiënt. De opvolger voor de batterij?

Opslag als elektrische lading: ultracondensatoren
Een condensator slaat energie niet op als een magneetveld, maar als elektrische lading. Ook condensatoren zijn zeer snel op te laden en behoorlijk efficiënt. De laatste jaren wordt veel onderzoek gedaan naar ultracondensatoren. Die zouden namelijk ideaal zijn om een elektrische auto mee op te laden: enkele seconden (vergelijk met bijna een uur voor accu’s). Ook voor ultracondensatoren geldt dat de energiedichtheid nog niet erg groot is: per kilo kan maar 0,03 kWh worden opgeslagen, te vergelijken met 12,4 (effectief 2,4: auto’s springen niet erg zuinig met de chemische energie in benzine om) kWh per kg.  In theorie kan de energiedichtheid met nog factor tien of meer worden opgekrikt.

Opslag als chemische energie
Accu’s kennen een hogere energiedichtheid dan ultracondensatoren: plm. 0,2-0,3 kWh per kg bij de beste lithium-ion batterijen. Helaas zijn de oplaadverliezen hoger omdat de ionen door vloeistof moeten stromen. Aan dit laatste wordt wat gedaan door de materialen een verfijnde nanostructuur te geven. Het verbranden van waterstof geeft de meeste energie per gram, ook omdat de zuurstof uit de atmosfeer gehaald kan worden en niet hoeft te worden meegenomen. Helaas is waterstof zeer volumineus.  Een liter vloeibaar waterstof weegt maar vijftig gram. Waterstofgas is zeer lastig op te slaan. Wel is ook dit net als benzine een inefficiënt, want thermodynamisch, proces. Brandstofcellen met waterstof scoren rond de zestig procent rendement. Kortom: niet heel veel beter dan benzine of ethanol.

Veel stuwdammen doen dubbel dienst als zwaartekrachtsbatterij.

Veel stuwdammen doen dubbel dienst als zwaartekrachtsbatterij.

Opslag als zwaartekrachtsenergie
Door iets op te tillen stop je er zwaartekrachtsenergie in. Een ton (1000 kg) honderd meter omhoog tillen of pompen kost ongeveer 0,272 kWh.  Niet erg energiedicht dus, maar de wet van de grote getallen helpt hier. In landen met veel stuwdammen wordt ’s nachts, als er weinig vraag naar elektriciteit is, water omhoog gepompt in een stuwmeer. Dit water wordt de volgende dag weer afgetapt. Nederland heeft geen hoge bergen, maar ingenieurs bedachten ooit een megalomaan plan voor een kunstmatig meer in de zee met een hoge ringdijk er om heen dat als energieopslag kon dienen.

Grote vliegwielen kunnen tientallen kilowattuur aan energie opslaan.

Grote vliegwielen kunnen tientallen kilowattuur aan energie opslaan.

Opslag als bewegingsenergie
Bewegende voorwerpen, zoals ronddraaiende wielen of rijdende treinen, bevatten bewegingsenergie. Die bestaat net als elektriciteit geheel uit vrije energie (dus is zonder verlies in alle andere energiesoorten, zoals elektriciteit, om te zetten). Geen wonder dus dat veel uitvinders hierover hebben nagedacht.

De meest praktische toepassing van dit principe is het vliegwiel. Op het eerste gezicht lijkt dit weinig met scheikunde te maken te hebben maar schijn bedriegt. Op een rondtollend vliegwiel komen namelijk enorme krachten te staan, die uiteindelijk door de chemische bindingen tussen atomen opgevangen moeten worden. Vandaar dat de beste vliegwielen van extreem sterke materialen als koolstofnanovezels worden gemaakt en niet van zware materialen, zoals op het eerste gezicht logisch lijkt. De massa is hier zowel vriend (door energie op te slaan) als vijand (door het vliegwiel door de middelpuntvliedende kracht uit elkaar te trekken). Beide effecten zijn precies even groot, waardoor vliegwielbouwers alleen op de treksterkte letten. De beste vliegwielen kunnen per kilo ongeveer 0,10-0,13 kWh aan energie opslaan. In theorie kan dit nog vertienvoudigd worden of wat meer als de allerbeste koolstofnanovezels worden toegepast.

Opslaan als perslucht
Het kost energie om gas samen te persen. Deze energie is later weer af te tappen. Deze methode was eind negentiende eeuw erg populair. Het principe: in een grote natuurlijke of kunstmatige ruimte wordt lucht onder hoge druk opgeslagen. De efficiëntie is met vijftig tot zeventig procent niet erg hoog – er ontstaan de nodige verliezen door thermodynamische effecten (tenzij de tank goed wordt geïsoleerd) en inefficiëntie van de compressor. Wel zijn hiermee grote hoeveelheden energie tegen relatief lage kosten op te slaan. Een kubieke meter perslucht kan ongeveer vijf kilowattuur opslaan. Er bestaan persluchtauto’s die van dit principe gebruik maken.

Waarschijnlijk zijn er nog veel meer methodes denkbaar. Weten jullie nog nieuwe? Laat maar horen…

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

9 reacties

  1. its me schreef:

    heb nog wel een stukje kantoorgebouw leegstaan :)

  2. Bemoeier schreef:

    Tuinders die warm water in de grond opslaan ?

  3. c schreef:

    Wat Zouden de Kansen Van Sterlingmotoren Zijn als een Deel (Afwisselend koelte en warmtebron cq opslag zijnde) 10 Meter onder de Grond ingegraven wordt waar het globaal gemiddeld Heel Jaar Door 10°C IS en Ander Deel  BOVEN de Grond en Zomer´s Tempverschil de ene kant op produceert en ´s Winters Naadloos(~?)  Anders Om Wegens Opgeslagen Warmte van die Zomers. Met wat oude CVradiatoren op het Dak onder Glas Moest Dat gesmeerd Lopen.
     
    Ik Kan zo iets niet Inschatten Noch berekenen om Kansen te Calculeren. Een Knappe Kop Mischien Wel? Ook maar Gelijk Recht op het Idee Bij Deze Neem om te Voorkomen al weer gaat iets in moneygraf zonder een Bevolking er Wat aan Kon Hebben. Zou een Huishouding er Op Kunnen Draaien?

    • Germen schreef:

      Het zijn stirlingmotoren. Deze zitten vast aan maximaal het Carnotrendement; is (Th-Tc/Th), in het door je opgegeven voorbeeld is bij een delta t van 10 graden ongeveer 3% nuttig vermogen te tappen.

      • c schreef:

        Dat is geen Weg Lijkt Mij. Snel Opgelost! Dank Je! Zo Komen Dan Weer Hoger Opgeleidden in Beeld. Dus Nog Niet Allemaal weg gooien!

      • c schreef:

        Zie Nog een Kansje een white spot. Delta T zonneboiler ~70°C > 10°C = Delta 60°C bij Start.  ´s Winters Temp Geladen Grondopslag Onbekend Hoger 40°C(~?) en Dag en nacht ca -10- +4°C
         
        Als een Delta Toeneemt Wordt dan de Efficientie ook Hoger?  Als Ik Die formule Zo Zie Staan lijkt het Ja.   Kom er niet uit hoe aan de 3% gekomen is of wat de eenheden zijn en met die 70-10=60 kom Ik ook nergens.
         
        Als Temp in Opslag oploopt Kan Met Compenseren met Vacuumolie of minerale olie zodat Collector op hoger Temp Gaat draaien wat tot ca 190°C dan door Kan en zichzelf dan vast regelt. Ander Voordeel van olie is de soortelijke warmte aanmerkelijk kleiner is Dus Veel Sneller heet en eerder op Temp  en langer Nut van Zon.
         
        Warmteoogst Zon is Dacht Ik ca 4x Hoger dan van (20%)elektrische Zonnecellen. Dat Zou een Delta van 3%x4=12% al zijn bij delta 10
        Maar IS delta 60 Iets Dat Wel Wat Zegt Minstens Interesse Wekt?
        Wat Dan x ~4 Zou Mogen tov Zonnecellen.

        • c schreef:

          Vergeet Ik helemaal DAT DIE Warmtecollector er ´s Winters Natuurlijk OOK NOG IS En Dus De Opslagvoorraad Helpende BIJ KAN Warmen en delta Hoger Kan Zijn ´s Winters. Daar Naast Kan de Uitlaatwarmte Langs de Watervoorverwarming de Huisverwarming en de Collector Zelf Ook Dienen tot Veel Verder de Winter IN om Temps Van Water etc te Warmen Daar Olie DUS Veel sneller Warmte Transformeert en Hoger OOK.
           
          Hoe dan ook is de Opbrengst Van Warmtecollectie Veel Hoger Dan enkel Lichtenergie per Vierkante meter. Op Perslucht ipv Water oid Betekent OOK Dat er Weinig Plaatsten Op Aarde Zijn Waar Dit niet Geplaatst ZOU Kunnen Worden. Zelfs de Compressievocht Betekenis Kunnen Hebben.  Moet ie ´t Wél Doén Natuurlijk. Als Dan niet Hier Mischien Wél Op Nog Zonniger Plaatsten. Dan IS De Olie Met De Specifiek Eigen en Anders Zijnde  Warmte Eigenschappen en Voordelen ZELF Natuurlijk OOK NOG en Geen gedoe met bevriezingen.

  4. c schreef:

    “”er ontstaan de nodige verliezen door thermodynamische effecten (tenzij de tank goed wordt geïsoleerd””
     
    De Temp globaal is op tien meter diepte ca 10 °C. Daarna Moet Dat Oplopen met ca 30°C per kilometer Dieper. Dan Perslucht Opslaan Oogst Dan Warmte. Gas en Oliebronnen onder hoge druk bestaan DUS KAN Perslucht(Niet in olie of gasbron Graag) in Aardlagen Ook en Zou Wel Eens een Warmtewinpersluchtopslagharvester Kunnen Zijn Van Belang en beter Dan met vloeistoffen.
     
    En bij Yellowstone en Italie Zouden Ze al helemaal Niks te klagen hebben. Goedkopere Nachtstroomoverschotten Zouden Opgeslagen Kunnen Worden en Overdag Verkocht Met Warmtewinstenergie Bijgevoegd. Al met Al de Efficientie Voorbij de Vast 100% Verbeterd.

  1. 8 juni 2011

    […] er moet een goedkope en effectieve manier komen om elektriciteit op te kunnen slaan. De bestaande alternatieven zijn duur en niet erg effectief. Het startende Californische bedrijfje Primus lijkt nu een goed en goedkoop alternatief te hebben […]

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger