Utility-scale opslag: hoe stroom bewaard wordt voor het net
Utility-scale opslag is grootschalige, direct op het elektriciteitsnet aangesloten energieopslag: installaties die stroom vasthouden op het moment dat er te veel van is, en die weer teruggeven zodra er te weinig is. In tegenstelling tot een thuisbatterij in de garage, die het huishouden van één gezin ondersteunt, dient utility-scale opslag het net als geheel en wordt het beheerd door netbeheerders, energiebedrijven of investeerders. De schaal is navenant: waar een thuisbatterij enkele kilowattuur bevat, gaat het hier al snel om tientallen tot honderden megawattuur, vergelijkbaar met de output van een kleine elektriciteitscentrale.
Een handige vergelijking is een watertoren. Een watertoren vangt water op wanneer er overschot is, en laat het weer stromen zodra de vraag piekt, zodat de druk in het leidingnet constant blijft. Utility-scale opslag doet hetzelfde met elektronen: het vangt stroom op wanneer zonnepanelen of windturbines op volle toeren draaien en er meer wordt opgewekt dan er direct nodig is, en levert die stroom weer terug zodra de zon onder is of de wind gaat liggen. Vaak zie je dit letterlijk terug in het landschap als een containerpark vol opgestapelde batterijkasten naast een zonnepark of windpark.
Wat is het precies?
De meest gebruikte technologie is op dit moment de lithium-ion batterij, dezelfde chemie als in elektrische auto's, maar dan in grote metalen containers die naast elkaar staan opgesteld. Elke container bevat duizenden batterijcellen, een koelsysteem en een omvormer die de gelijkstroom uit de batterij omzet naar de wisselstroom van het net. Software regelt continu wanneer er geladen en ontladen wordt, op basis van elektriciteitsprijzen, netbelasting en contracten met de netbeheerder.
Bij opslag wordt onderscheid gemaakt tussen twee grootheden die vaak door elkaar worden gehaald. Vermogen, uitgedrukt in megawatt (MW), zegt hoe snel een installatie stroom kan leveren of opnemen op een bepaald moment. Energie-inhoud, uitgedrukt in megawattuur (MWh), zegt hoe lang die installatie dat vermogen kan volhouden. Een batterijpark van 100 MW/200 MWh kan dus twee uur lang op vol vermogen stroom leveren voordat het leeg is.
In de praktijk gaat een deel van de energie tijdens het laden en ontladen verloren als warmte; het rendement van een moderne lithium-ion batterij ligt doorgaans rond de 85 tot 90 procent. Naast batterijen bestaan er andere vormen van grootschalige opslag. Bij flow-batterijen zit de energie opgeslagen in vloeibare elektrolyten (vaak op basis van vanadium) die door tanks worden rondgepompt; ze zijn minder compact maar kunnen relatief goedkoop langer stroom leveren. Pumped hydro, oftewel pompaccumulatie, is de oudste grootschalige vorm: water wordt omhoog gepompt naar een stuwmeer wanneer er stroomoverschot is, en later door turbines naar beneden gelaten om weer stroom op te wekken. Bij compressed air energy storage (samengeperste lucht) wordt lucht onder hoge druk in ondergrondse zoutcavernes gepompt en later weer vrijgelaten om een turbine aan te drijven. En voor opslag van meerdere dagen wordt geëxperimenteerd met nieuwere chemieën zoals ijzer-luchtbatterijen, die goedkoper zijn per opgeslagen megawattuur maar trager laden en ontladen.
Behalve het simpelweg opslaan en teruggeven van energie leveren deze installaties ook snelle netdiensten. Doordat een batterij binnen milliseconden kan schakelen tussen laden en ontladen, is hij bij uitstek geschikt voor frequentieregeling: het minutieus bijsturen van de netfrequentie, die in Europa constant op 50 hertz moet blijven om storingen te voorkomen. Klassieke gascentrales kunnen dat veel trager.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het opvangen van de wisselvalligheid van zon en wind. Deze bronnen leveren stroom wanneer het weer het toelaat, niet wanneer de vraag piekt. Opslag maakt het mogelijk om overdag opgewekte zonnestroom 's avonds te gebruiken, of windstroom van een winderige nacht te bewaren voor een rustige ochtend, zodat er minder fossiele piekcentrales nodig zijn om gaten op te vullen.
In Nederland speelt daarnaast een heel praktisch probleem: netcongestie. Op steeds meer plekken zit het elektriciteitsnet vol, waardoor nieuwe zonne- en windparken, bedrijven of laadpleinen niet zomaar kunnen worden aangesloten. Een batterij ter plekke kan lokaal geproduceerde stroom tijdelijk bufferen en gedoseerd op het net zetten, waardoor de bestaande kabels efficiënter worden benut zonder dat er meteen dure netverzwaring nodig is.
Opslag ondersteunt ook de bredere stabiliteit van het net, via frequentie- en spanningsregeling, en biedt economische kansen door arbitrage: stroom inkopen wanneer de prijs laag is (bijvoorbeeld bij veel zon) en verkopen wanneer de prijs hoog is. Op de lange termijn is de ambitie dat opslag, samen met andere flexibiliteit, fossiele achtervangcentrales grotendeels overbodig maakt. Eerlijk is wel te zeggen dat dit doel nog ver weg is: de huidige batterijen zijn vooral geschikt om enkele uren te overbruggen, terwijl periodes van weinig zon én weinig wind soms dagen tot weken kunnen duren (in Duitsland ook wel "Dunkelflaute" genoemd). Betaalbare opslag voor die langere periodes is nog niet opgelost.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste voorbeelden is de Hornsdale Power Reserve, ook wel de "Tesla Big Battery" genoemd, in Zuid-Australië. Dit park, gebouwd door Tesla in samenwerking met energiebedrijf Neoen en in 2017 in gebruik genomen, begon met een capaciteit van ongeveer 100 MW/129 MWh en is sindsdien meermaals uitgebreid. Het park trok wereldwijd aandacht omdat het liet zien hoe snel batterijen konden reageren op netstoringen, sneller dan traditionele reservecentrales.
In de Verenigde Staten geldt de Moss Landing Energy Storage Facility in Californië, ontwikkeld door energiebedrijf Vistra op het terrein van een oude gascentrale, als een van de grootste batterijparken ter wereld, met een capaciteit die na gefaseerde uitbreiding sinds 2020 in de orde van honderden megawatt en enkele duizenden megawattuur ligt. Het project laat ook de keerzijde zien: er waren meerdere incidenten met oververhitting en brand, wat bredere vragen opriep over brandveiligheid bij zulke grote batterijconcentraties.
Ook Australië bouwde met de Victorian Big Battery, opgeleverd in 2021 met een vermogen van circa 300 MW en een opslagcapaciteit van naar schatting 450 MWh, verder aan zijn positie als vroege koploper op dit gebied.
China loopt voorop bij alternatieve technologieën, met de Dalian Flow Battery Energy Storage Peak-shaving Power Station, die in 2022 in gebruik werd genomen. Dit is een van de grootste vanadium-redox flow-batterijen ter wereld, met een vermogen van circa 100 MW en een opslagcapaciteit van naar verluidt zo'n 400 MWh, geschikt voor langere ontlaadduur dan gangbare lithium-ion parken.
Ook Nederland telt inmiddels concrete projecten. Batterijontwikkelaar Giga Storage bouwde onder meer een groot batterijpark in Delfzijl (bekend onder de naam GIGA Buffalo), en in Zuidwending in Groningen ontwikkelt het bedrijf Corre Energy plannen voor opslag van samengeperste lucht in bestaande zoutcavernes, een techniek die in potentie langere opslagduur biedt dan batterijen. Deze Nederlandse projecten bevinden zich deels nog in de ontwikkel- of opschalingsfase.
Hoe ver is de techniek?
Lithium-ion opslag op utility-scale is inmiddels een commercieel volwassen technologie: de kosten per opgeslagen megawattuur zijn de afgelopen tien jaar sterk gedaald, mede dankzij de massale productie voor elektrische auto's, en wereldwijd wordt in hoog tempo nieuwe capaciteit bijgebouwd, met China, de Verenigde Staten en in mindere mate Europa als grootste markten. De meeste operationele parken zijn ontworpen voor een ontlaadduur van twee tot vier uur, precies genoeg om een avondpiek of een korte periode van weinig zon of wind op te vangen.
Voor langere opslagduur, van acht uur tot meerdere dagen, staat de techniek nog minder ver: flow-batterijen zijn commercieel beschikbaar maar hebben nog een klein marktaandeel, en nieuwere concepten zoals ijzer-luchtbatterijen (onder meer ontwikkeld door het Amerikaanse Form Energy) bevinden zich pas in de vroege commerciële of pilotfase. Pompaccumulatie blijft wereldwijd verreweg de grootste vorm van opslag qua totale energie-inhoud, simpelweg omdat het al decennia bestaat, maar nieuwe locaties zijn schaars: er is een berg of hoogteverschil en veel water voor nodig, en geschikte plekken zijn in veel landen al benut.
Belangrijke obstakels voor verdere groei zijn de grondstoffenketen (lithium, kobalt en nikkel worden in relatief weinig landen gewonnen en verwerkt), brandveiligheid bij grote installaties, lange wachtrijen voor netaansluiting en vergunningen, en het gegeven dat recycling van uitgediende batterijen nog in ontwikkeling is. In Nederland zorgt de acute netcongestie voor een golf aan aangekondigde batterijprojecten, maar niet elk aangekondigd project haalt uiteindelijk de bouwfase; vergunningen, financiering en netaansluiting blijken in de praktijk vaak de vertragende factoren.
Wie werken eraan?
Op batterijgebied zijn Tesla (met zijn Megapack-systeem), het Amerikaans-Duitse Fluence, en de Chinese fabrikanten CATL en BYD wereldwijd toonaangevend, samen met de Zuid-Koreaanse producenten LG Energy Solution en Samsung SDI. Voor nieuwere technologieën lopen bedrijven als Form Energy (ijzer-lucht) en Ambri (vloeibaar metaal) in de Verenigde Staten voorop, terwijl Invinity Energy Systems en ESS Inc zich toeleggen op flow-batterijen.
In Nederland zijn Giga Storage en Corre Energy de bekendste ontwikkelaars van grootschalige opslag, terwijl netbeheerder TenneT een sleutelrol speelt door diensten van deze installaties in te kopen om het net te balanceren. Fabrikant Alfen levert onder meer systemen voor batterijopslag en laadinfrastructuur.
Op onderzoeksgebied zijn het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) en Sandia National Laboratories toonaangevend, samen met TNO in Nederland en diverse Fraunhofer-instituten in Duitsland. De European Association for Storage of Energy (EASE) fungeert als brancheorganisatie die Europese ontwikkelingen volgt en beleid beïnvloedt. Wat landen betreft is China verreweg de grootste markt qua nieuw geïnstalleerd vermogen, gevolgd door de Verenigde Staten; binnen Europa lopen het Verenigd Koninkrijk, Duitsland en Nederland relatief voorop, mede doordat netcongestie en hoge aandelen zon en wind de vraag naar opslag aanjagen.