Op het toekomstige energienet zullen veel kleinere producenten aangesloten zijn die op basis van beschikbaar van de natuurlijke bronnen: renewables (zon en wind) energie aan het net zullen gaan leveren. Aangezien dit niet altijd voorhanden is zou je in tijden dat de energie wel beschikbaar is, maar niet wordt gebruikt, de geproduceerde energie kunnen opslaan. Dit zal eigenlijk zo min mogelijk moeten gebeuren, aangezien opslag van energie (in bijvoorbeeld accu’s) niet zo efficiënt is. Veel beter is het om in te zetten op het flexibel maken van energieproducenten die zowel op vollast als deellast op een efficiënte manier elektriciteit kunnen leveren. Brandstofcellen zijn apparaten die dat kunnen. In een brandstofcel wordt chemische energie, die bij een chemische reactie vrijkomt, direct omgezet in elektriciteit en niet zoals bijvoorbeeld in een kolencentrale, via warmte (stoom) die vervolgens wordt omgezet in mechanische energie (het draaien van een turbine met een generator) en dan pas in elektriciteit. Brandstofcellen zijn niet alleen heel flexibel maar gaan dus ook heel efficiënt om met de omzetting van energie naar elektriciteit.
Het maximale rendement van een zonnecel
In het vorige deel van deze blog heb je kunnen lezen dat er meer dan genoeg zonne-energie beschikbaar is om de hele mensheid van energie te kunnen voorzien. Toch lukt het nog niet om dat potentieel volledig te benutten (verre van dat zelfs). Met de huidige technologie van zonnepanelen kan (in een laboratorium) een efficiëntie van 40% worden gehaald. Dat betekent dat 40% van de energie van de zonnestralen ook daadwerkelijk in elektriciteit wordt omgezet. Volgens maatstaven van de opwekking van elektriciteit in bijvoorbeeld een kolen- of gasgestookte centrale is 40% behoorlijk goed.
Bron: National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO
Om goedkopere en betere zonnecellen te kunnen produceren moet de efficiëntie echter omhoog naar 80-90%. Het lijkt erop dat dat met de huidige technologieën niet gaat lukken. Een technologie die dat wel in zich heeft en waar nu onderzoek naar wordt gedaan is die van zonne-antennes met nanotubes. Het is bekend dat zonnestraling met een antenne opgevangen kan worden en worden omgezet in gelijkspanning. Het elektriciteitsnet is echter wisselspanning, dus dat gaat niet zonder horten of stoten. Het is nog niet zo eenvoudig om de gelijkspanning op een efficiënte manier om te zetten in wisselspanning zodat dit aan het elektriciteitsnet geleverd kan worden. Bestaande elektrisch componenten (diodes) zijn daar niet geschikt voor. Er zijn nieuwe componenten voor nodig die ongeveer de grootte hebben van een molecuul, heel klein dus.
Het electriciteitsnet moet flexibeler worden
Om de flexibiliteit van energieproducenten te verhogen is in de toekomst een “meerdere bronnen-meerdere product energie systeem” nodig. Wat houdt dat in?
Wat wij nu kennen als warmte krachtkoppeling (co-generation), zal in de toekomst moeten verschuiven naar tri-generation: het efficiënt produceren van elektriciteit, warmte én koeling of een chemisch product zoals waterstof, op een efficiënte en flexibele manier. Hier komt ook weer de brandstofcel om de hoek kijken. Het elektriciteitsnet wordt gevoed met windenergie vanuit windmolens en aangevuld met elektrische energie uit een brandstofcel. Deze brandstofcel gebruikt waterstof dat wordt gemaakt uit aardgas door middel van reforming (Methaan/aardgas dat met stoom wordt omgezet in waterstof en koolmonoxide, oftewel synthese of kortweg syngas). Voor dit proces is warmte nodig, terwijl bij de brandstofcel juist waterstof wordt gebruikt en warmte vrijkomt. Door met die verhoudingen te spelen kan je dus heel flexibel regelen of je meer elektriciteit, meer waterstof of meer warmte wilt maken. Voilá: het tri-generation concept. Specifiek toegepast op een elektriciteitsnet dat wordt gevoed met windmolens, wordt dit het Superwindconcept genoemd. Als er voldoende wind is, zal de wind de elektrische energie maken en kan de reformer de waterstof maken. Indien de wind gaat liggen kan de brandstofcel de productie van elektriciteit en warmte overnemen van de windmolens. De waterstof kan worden gebruikt om met koolzuur (het broeikasgas CO2) te reageren om weer synthetisch gas van te maken, of er kunnen zelfs “brandstof-moleculen” mee worden gemaakt. Kortom een willekeur aan mogelijkheden. Als dit een succes wil worden zullen de apparaten waar al deze chemische reacties in plaatsvinden heel compact moeten zijn. Er wordt dan ook hard gewerkt om micro reactoren te bouwen die dit kunnen. Een microreactor is een chemische reactor waar de vloeistof of gas door kanaaltjes loopt die kleiner zijn dan 1 mm. Hierdoor kunnen de stoffen heel goed met elkaar in contact komen en de warmte die bij de chemische reactie ontstaat eenvoudig en snel worden afgevoerd.
Voldoet het huidige elektriciteitsnet nog wel?
In het huidige net wordt wisselspanning gebruikt. De generatoren van de turbines van de centrales produceren wisselspanning en het is logisch dat dit dan ook direct wordt gebruikt. In onze versterkers, LED lampen, radio’s en televisies wordt deze wisselspanning omgezet in gelijkspanning. Naarmate de hoeveelheid bronnen van gelijkspanning (brandstofcellen en zonnepanelen) toenemen is het minder logisch om eerst deze gelijkspanning om te zetten in wisselspanning en daarna in onze huishoudelijke apparaten weer terug om te zetten in gelijkspanning.
In de toekomst zal rekening gehouden moeten worden dat er steeds meer niet-centrale productie van duurzaam opgewekte energie zal plaatsvinden, die met kleinere netten aan elkaar worden gekoppeld en met een geavanceerd gecomputeriseerd systeem worden geregeld, waarbij het voorspelde gebruik en productie op elkaar worden afgestemd. Dit zijn de zogenaamde smart grids (slimme netten).
De opslag van energie
Ik heb het al eerder genoemd, maar het opslaan van energie in de toekomst zal zoveel mogelijk vermeden moeten worden aangezien het niet zo efficiënt is. De ontwikkeling moet zich toespitsen op het produceren van elektriciteit op het moment dat het nodig is. Toch zal je aan een bepaald type opslag niet kunnen ontkomen. Een interessante ontwikkeling is die van het dynamisch opslaan van waterstof in het aardgasnet. Dynamisch wil zeggen dat het niet constant in de tijd is: het kan toenemen of afnemen. De waterstof die geproduceerd kan worden met tri-generation of het Superwind concept kan, indien het niet worden gebruikt, binnen een bepaalde bandbreedte aan het aardgasnet worden toegevoegd en er weer uit worden gehaald (binnen dezelfde bandbreedte) waar en op welk tijdstip dat nodig is. Je begrijpt dat de technologische uitdaging er vooral inzit hoe je dat dan moet doen. Groot voordeel is dat de huidige infrastructuur van het aardgasnet vrijwel zonder grote aanpassingen gebruikt kan worden.
De grootschalige inzet van duurzame energie is er een die ik toejuich, maar in deze en de vorige blog heb ik proberen te omschrijven dat dat nog wel behoorlijk wat impact heeft op de manier zoals we met de huidige elektriciteitsvoorziening omgaan. Er dient nog een hoop werk te worden verzet om dit in de toekomst voor elkaar te krijgen.
