Advanced and Long-Duration Energy Storage: A Review of Emerging Technologies, Applications, and Techno-Economic Assessment

Het elektriciteitsnet is een delicaat evenwicht. Decennialang vertrouwde het op grote centrales die naar believen konden worden opgeschaald of afgeschroefd om precies aan te sluiten bij de momentane behoeften van huizen en fabrieken. Vandaag de dag verschuift dat systeem naar wind- en zonne-energie, die schoon maar onvoorspelbaar zijn. De zon schijnt niet altijd en de wind waait niet altijd, maar de lichten moeten blijven branden. Dit creëert een nieuw probleem: we moeten elektriciteit opslaan wanneer deze overvloedig aanwezig is en deze vrijgeven wanneer deze schaars is. Hoewel batterijen uitstekend zijn geworden in het vasthouden van vermogen voor een paar uur — genoeg om de avondpiek na zonsondergang te dekken — hebben ze moeite wanneer het weer dagenlang slecht blijft. Een bewolkte week of een windstille periode kan een elektriciteitsnet met batterijen voor korte duur leeg en kwetsbaar achterlaten. De vraag waar ingenieurs en planners voor staan is niet langer alleen hoeveel energie we kunnen opslaan, maar hoe lang we het daar kunnen houden.

Een recente review door onderzoekers van de Gujarat Technological University verkent deze nieuwe grens van langdurige energieopslag. Zij onderzochten een breed scala aan technologieën die ontworpen zijn om vermogen vast te houden voor dagen, weken of zelfs seizoenen, waarmee ze veel verder gaan dan de standaard lithium-ionbatterijen die vandaag de dag de markt domineren. De auteurs combineerden gegevens van wereldwijde instanties, sectorrapporten en hun eigen computersimulaties om te begrijpen welke technologieën het beste werken voor verschillende tijdsduur en wat de kosten daarvan zouden zijn. Hun werk onthult een duidelijke scheidslijn: terwijl bekende batterijen de meest economische keuze zijn voor het opslaan van energie voor een paar uur, worden ze even onbetaalbaar voor langere perioden. Voor die uitgebreide duurzaamheden zijn de meest veelbelovende oplossingen vaak mechanische of chemische systemen die gebruikmaken van overvloedige, goedkope materialen zoals lucht, water, ijzer of warmte, zelfs als ze minder efficiënt zijn in het omzetten van energie heen en weer.

De onderzoekers begonnen met het in kaart brengen van het landschap van opslag, van de eeuwoude technologie van gepompte waterkracht, die gebruikmaakt van zwaartekracht en waterreservoirs, tot opkomende systemen zoals gecomprimeerde lucht, vloeibare lucht en flowbatterijen. Ze keken ook naar ijzer-luchtbatterijen, die energie opslaan via een omkeerbaar roestproces, en thermische systemen die warmte vasthouden in bakstenen of gesmolten zout. Een belangrijk inzicht uit hun analyse is dat de kostenstructuur van deze technologieën verandert afhankelijk van hoe lang ze moeten meegaan. Voor korte perioden wordt de kost gedreven door de elektrische apparatuur die nodig is om snel te laden en te ontladen. Maar naarmate de duur zich uitstrekt tot dagen of weken, wordt de kost gedomineerd door de prijs van het opslagmedium zelf — het water, de lucht of het ijzer. Dit betekent dat een technologie die te duur is voor een shift van vier uur, de goedkoopste optie kan worden voor een shift van honderd uur, simpelweg omdat het opslagmateriaal zo goedkoop is.

Om deze ideeën te testen, bouwden de auteurs een model om de genivelleerde kosten van opslag (LCOS) te berekenen, wat de gemiddelde prijs per eenheid geleverde energie over de levensduur van het systeem vertegenwoordigt. Ze draaiden dit model over acht verschillende technologieën, uitgaande van een standaard gebruikspatroon waarbij het systeem één keer elke paar dagen volledig ontlaadt. De resultaten toonden een scherp kruispunt. Lithium-ionbatterijen, die momenteel de industriestandaard zijn, bleven slechts de goedkoopste optie tot ongeveer twee of drie uur. Daarboven stegen hun kosten steil omdat elke extra uur opslag vereiste dat er meer dure batterijcellen werden toegevoegd. In contrast hiermee bleven technologieën zoals adiabatische gecomprimeerde luchtopslag, die de warmte vasthoudt die wordt gegenereerd wanneer lucht wordt samengeperst, en ijzer-luchtbatterijen, die een eenvoudige chemische reactie met zuurstof gebruiken, veel goedkoper naarmate de duur toenam. In hun berekeningen was bij een duur van vierentwintig uur de kosten van het gebruik van lithium-ion ongeveer drie keer hoger dan die van gecomprimeerde lucht. Bij een duur van honderd uur werd het gat vergroot tot bijna zes keer.

De studie omvatte ook een simulatie van een elektriciteitsnet dat geconfronteerd wordt met een realistische uitdaging qua weer: een periode van vier dagen waarin de wind stopt met waaien. In dit scenario modelden de onderzoekers een systeem met zonne- en windenergie dat probeert aan een constante vraag te voldoen. Zonder enige opslag kon het systeem slechts ongeveer 70 procent van de vraag dekken. Het toevoegen van een standaard batterij van vier uur verbeterde dit naar 83 procent, maar de batterij zou op de eerste nacht van de windstilte leeg zijn en nooit meer herstellen. Om de gehele vierdaagse kloof zonder falen te overbruggen, toonde de simulatie aan dat het netwerk een opslagsysteem nodig zou hebben dat in staat is om ongeveer honderd uur te ontladen. Dit bevinding benadrukt dat de waarde van opslag niet lineair is; de eerste paar uur bieden een significante boost, maar het laatste deel van de betrouwbaarheid vereist een totaal ander soort technologie — één die een enorme hoeveelheid energie kan vasthouden voor een lange tijd zonder de bank te breken.

De onderzoekers besteedden speciale aandacht aan de situatie in India, waar de kloof tussen planning en realiteit groot is. Overheidsplannen voorzien in honderden gigawatturen aan opslag tegen het begin van de jaren 30 om de massale expansie van hernieuwbare energie te ondersteunen, terwijl de hoeveelheid batterijopslag die in 2025 daadwerkelijk in bedrijf is, minder dan één gigawattuur bedraagt. Het land heeft een enorme potentie geïdentificeerd voor gepompte waterkrachtopslag, die water en zwaartekracht gebruikt, en is begonnen met het aanbesteden van projecten hiervoor. De review merkt echter op dat het omzetten van deze aanbestedingen in operationele centrales een grote uitdaging is, en dat er een dringende behoefte is om niet-lithium technologieën onder lokale omstandigheden te testen. De auteurs suggereren dat hoewel gepompt water en lithium-ion klaar zijn voor onmiddellijk grootschalig gebruik, de toekomst van meerdaagse opslag waarschijnlijk ligt in een mix van opkomende opties zoals ijzer-lucht en gecomprimeerde lucht, mits deze in de echte wereld bewezen kunnen worden.

Uiteindelijk betoogt het artikel dat er niet één enkele "beste" technologie is voor alle energieopslagbehoeften. In plaats daarvan heeft het netwerk een portfolio van oplossingen nodig die passen bij de specifieke duur van het probleem. Korte krachtstoten worden het beste afgehandeld door snelle, efficiënte batterijen, terwijl lange, trage tekorten in de aanvoer systemen vereisen die prioriteit geven aan goedkope opslagmaterialen boven hoge efficiëntie. De transitie naar een wereld met hernieuwbare energie zal afhangen van het succesvol inzetten van deze langdurige opslagtechnologieën, waarbij we bewegen van het huidige tijdperk van kortetermijnopslag naar een toekomst waarin het netwerk dagen van kalmte of bewolking kan doorstaan zonder onderbreking. De weg vooruit houdt niet alleen in dat we meer bouwen van wat we al hebben, maar ook dat we een divers bereik van mechanische en chemische systemen omarmen die de kracht van de zon en de wind kunnen vasthouden zolang de wereld het nodig heeft.