Electriciteit: moeilijk op te slaan

Electriciteit is in feite een afstandsverschil tussen twee ladingen. Dat is dus moeilijk in een blikje te doen. De Leidse fles is er een voorbeeld van. Twee metalen plaatjes gaan verder uit elkaar staan als er meer spanning op gezet wordt. In feite is dat dus een mechanische condensator. En het probleem van condensatoren is, dat er maar heel weinig energie in past.
In principe kan je electriciteit niet zinvol, dus met acceptabel rendement, opslaan. Niet kort en niet lang. Er is altijd een tussenstap nodig. Een van de tussenstappen hebben we al behandeld: waterstof. Een heilloze tussenstap, tenzij je bij een regeringslab werkt, want dan is het een eindeloze subsidiebron. De andere tussenstappen zijn, ruwweg:

En meer is er niet, vrees ik....

Mechanische opslag

In 1968 leerden we op de middelbare school over de luxemburgers die hun waterkrachtcentrales 's nachts gebruikten om met grote pompen het water weer naar boven te brengen. Zodat het de volgende dag weer voor de productie van electriciteit konden gebruiken. Ik heb nooit kunnen begrijpen waarom ze dan niet gewoon de inlaat van de dam konden sluiten. Maar het is een van de zinnigste vormen van mechanische opslag die me voor de geest komt. Bij mechanische opslag moet je altijd een stof van een laag niveau naar een hoog niveau brengen om daarna de terugreis te kunnen gebruiken zonder bijkomende energie te verstoken.
Het is een beetje een simpel systeem, maar ook makkelijk want er hoeven geen dure en complexe regelingen op te zitten. Je takelt het omhoog en het valt vanzelf weer naar beneden. De peren van een oude wandklok doen hetzelfde. Het rendement is hoog, maar de energiedichtheid is laag.

Een andere vorm van mechanische opslag is de gespannen veer, zoals in wekkers en oudere horloges. De veer verandert van vorm, tegen zijn eigen zin in en wil zich terugwerken naar de begintoestand. Daarbij komt de opgeslagen energie weer vrij, minus de wrijvingsverliezen.

Gecomprimeerde gassen zou je ook als opgeslagen energie kunnen beschouwen. Laat de energiebron een compressor aandrijven en pomp enkele drukvaten op tot zeer hoge drukken. Je kan daarna met een turbine motor de druk weer omzetten in beweging. Er zijn enkele problemen:

Door dit alles is de compressie/expansie opslag van een laag rendement. De compressor moet gekoeld worden, als je naar een beetje een redelijke druk wilt gaan (zeg: 200 bar). En tijdens de expansie (in de turbine motor) koelt de hele machine af tot rond het vriespunt van water. Condens wordt gevormd op de motor en op alle drukleidingen. Dit is niet handig in bepaalde omstandigheden.

Dynamische opslag

Dit is eigenlijk een uitbreiding op de mechanische opslag. Het beste voorbeeld is een vliegwiel dat door zijn massa en draaisnelheid een bepaalde hoeveelheid energie kan bufferen. Het is niet geschikt voor langdurige opslag omdat het wiel onherroepelijk tot stilstand gaat komen over een periode van meer dan enkele dagen.
Ik zou zo een twee drie geen andere vorm van dynamische opslag kunnen geven die betrekking heeft op het opslaan van energie.

Chemische opslag

Bij chemische opslag is er sprake van een omkeerbare verandering in de gebondenheid van een of meerdere scheikundige stoffen. De verandering, teweeg gebracht door de electriciteit, moet zich vanzelf ongedaan kunnen maken op afroep. Als het niet vanzelf gaat, is er geen sprake van energie opbrengst.
In feite is dit een definitie van een accumulator. De bekendste en tot voor kort meest betrouwbare versie hiervan was de lood/zwavelzuur accu, die onder andere in auto's en telefooncentrales wordt toegepast. In de laatste eeuw zijn er nog veel meer soorten bijgekomen (en weer gegaan). In principe is een accu een leuke tussenvorm, als je je electriciteit wilt opslaan en transporteren. Maar het gaat slechts in beperkte hoeveelheden en de energiedichtheid is zeer laag, vergeleken met die van octaan.

Hieronder staan wat soorten accu's met hun karakteristieken en de werking. Als er delen niet kloppen van de tabel, laat het me dan even weten. Het E-mail adres staat in de navigator.

Naam Werking Rendement
Natrium zwavel De Natrium/zwavel batterij berust op de reacties tussen natrium en zwavel. Beide stoffen zijn relatief onschuldig, zolang er geen water of vocht bijkomt. Dit is een extreem robuuste batterij met eigenlijk maar 1 nadeel: de bedrijfstemperatuur.
De cel werkt alleen lekker tussen 300 en 350 graden Celsius. Om deze reden is de cel niet geschikt voor mobiele toepassingen. Er schijnt een 6 MegaWatt-Uur opstelling te bestaan in Tsunashima, Japan.
90 %
341 Whr/l
Nikkel
Metaalhydride
NiMH cellen waren de logische opvolger van de NiCd batterij. Ze hebben dezelfde celspanning alleen is het geheugeneffect veel minder. Ze mogen dus ook langer op de lader staan, maar ook niet constant. De ontlaadstromen mogen niet te hoog worden, dus is de NiMH accu niet geschikt voor draagbaar gereedschap. 66 %
300 Whr/l
Lithium ion Lithium Ion is de techniek van de toekomst, maar wel met een grote MAAR eraan vast. De cellen hebben een hoge spanning (3,6 Volt), geen last van een geheugeneffect en geen zelfontlading. De 'maar' komt vooral van een aantal niet te onderschatten minpunten:
  • de celcapaciteit neemt met 10-40% per jaar af
  • totale ontlading moet voorkomen worden
  • het chemische proces is een potentiele bom
  • indien slecht behandeld, kan de cel ontploffen of vuur spuwen
Door de inherente onveiligheid van de Li-Ion cel, moeten er een tiental beveiligingen in de cel ziiten. Sommige zijn mechanisch of chemisch, andere zijn electronisch. Zolang alle beveiligingen actief zijn, is de cel veilig in gebruik. Worden, door wat voor oorzaak dan ook, twee of meer beveiligingen omzeild, dan kan de cel brandende gassen uitbraken tijdens het laden.

In de handel zijn er twee soorten lithium cellen: protected en unprotected. Die eerst heeft in iedere cel een beveiligings circuit op een printplaatje zitten. Die beveiliging zorgt ervoor dat de cel electrisch binnen alle marges blijft. De tweede soort mist dat printplaatje en is daardoor goedkoper. En een potentiele bom, tenzij er een externe beveiliging wordt aangebracht.

-- %
270 Whr/l
Nikkel Cadmium We kennen deze batterij vooral van de oplaadbare accu's voor speelgoed en radio's, maar ook accu gereedschap is er vaak mee uitgerust. De cellen zijn robuust, kunnen hoge ontlaadstromen aan en dienen indien niet gebruikt, ontladen te worden bewaard. Nadeel is hun relatief hoge prijs en het geheugeneffect. Een NiCd cel moet niet constant geladen worden, anders wordt de energie inhoud steeds kleiner.
Mits goed behandeld, gaat een NiCd cel jarenlang mee.
80 %
150 Whr/l
Lood/zuur Een van de oudste celtypen. De onderzeeboten in de eerste wereldoorlog gebruikten ze al. De batterij is goedkoop, werkt bij normale temperaturen en kan zeer hoge stroomsterktes leveren. Maar de batterij is ook loodzwaar en moet enigszins waterpas blijven in verband met het zwavelzuur. 80 %
75 Whr/l

Voor meer data, zoek even op wikipedia of hier: https://www.powerstream.com/batfaqint.htm.

Conclusie

Als je electriciteit stationair wilt opslaan, is Natrium Zwavel de beste keuze. Het is geen makkelijke opslag maar wel een zekere. Voor mobiele toepassingen is er Nikkel Cadmium (NiCd) dat de beste rendementen heeft, mits de gebruiker (desnoods ge-assisteerd door enkele kilo's aan computers) de cellen met respect behandelt. Is Cadmium een no-no, dan is er NiMH.

Li-ion leek in 2006 niet meer dan een belofte, alleen geschikt voor kleinere accu's en minder energie opslag. In 2020 zijn de cellen echter zo krachtig geworden dat Lithium de beste methode is voor mobiel gebruik. Zelfs de Tesla auto's gebruiken alleen lithium cellen. Maar we hoegven nu eigenlijk alleen nog te wachten op het eerste ongeluk met een Li-ion accu bij een electrische auto die in een kettingbotsing terecht kwam.

De beste manier van energie opslag is energiebesparing!

Pagina gemaakt op 28 december 2006,