In een baanbrekende sprong voorwaarts op het gebied van hernieuwbare energie hebben Deense onderzoekers een transformatief gebruik voorgesteld voor voormalige kolencentrales: ze ombouwen tot schone energieproducenten met behulp van Carnot-batterijen die op zonne-energie werken. Deze batterijen, die elektriciteit als warmte kunnen opslaan, zouden de sleutel kunnen zijn tot het hergebruiken van bestaande energie-infrastructuren voor de productie van zonne-energie. Met een omzetting van een 300 MW kolencentrale is het potentieel duizelingwekkend: een voorspelde jaarlijkse netto stroomopbrengst tot 1.150 GWh en veelbelovende nivellerende energiekosten van slechts €88,09 per MWh.
- Deense onderzoekers denken dat ontmantelde kolencentrales schone energieproducenten kunnen worden.
- De locaties zouden energie tegen een lage prijs kunnen opslaan met behulp van Carnot-batterijen die op zonne-energie werken.
Carnot-batterijen begrijpen
Carnot-batterijen zijn geen typisch energieopslagsysteem. Ze werken volgens een principe dat al een eeuw oud is en dat onlangs in 2018 door Andre Thess werd gemunt als een “Carnot-batterij”. In de kern zet een Carnot-batterij elektrische energie om in thermische energie via een warmtepomp of elektrische verwarming, slaat het op en zet het weer om in elektrische energie wanneer dat nodig is. Het proces is genoemd naar de Carnot-cyclus, die de maximaal mogelijke efficiëntie beschrijft voor een warmtemotor die tussen twee temperaturen werkt.
Het opslagproces maakt gebruik van goedkope materialen zoals rotsen, water of zouten, die fungeren als een medium om de thermische energie vast te houden. Deze benadering van energieopslag is gunstig voor grootschalige toepassingen vanwege de mogelijk lagere kosten in vergelijking met elektrochemische batterijen. Ondanks de beperkte rondloopefficiëntie, waarbij meestal wordt gestreefd naar een bereik tussen 40 en 70 procent, biedt de technologie belangrijke voordelen zoals een kleine ecologische voetafdruk, onafhankelijkheid van de locatie en een lange levensduur van 20 tot 30 jaar.
Deens onderzoek toont potentieel
Onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken hebben een studie uitgevoerd naar de haalbaarheid van het achteraf uitrusten van uit bedrijf genomen kolengestookte energiecentrales met door zonne-energie aangedreven Carnot-batterijen. Het onderzoek, “Retrofit of a coal-fired power plant with a rock bed thermal energy storage,” gepubliceerd in het Journal of Energy Storage, benadrukt het innovatieve gebruik van verpakte bedthermische opslag op basis van rotsen. Er is aangetoond dat deze aanpak een rondetrendefficiëntie van 34,9 procent kan bereiken met een verbeterd ontwerp en een verbeterde werking, wat suggereert dat de genivelleerde elektriciteitskosten zo laag als €88,1 per MWh zouden kunnen zijn voor de grootste opslagcapaciteit.
De voorgestelde systeemconfiguratie omvat fotovoltaïsche (PV) installaties om de elektrische verwarming van het opslagsysteem overdag van stroom te voorzien. De opgeslagen warmte wordt vervolgens gebruikt om stoom op te wekken die de stoomturbine aandrijft die is aangesloten op de condensor van de energiecentrale, waardoor elektriciteit wordt geproduceerd wanneer er geen zonlicht beschikbaar is. De onderzoekers schatten dat een 300 MW omgebouwde kolencentrale met 1,37 GWh aan thermische opslagcapaciteit een jaarlijkse netto-elektriciteitsproductie tot 1.150 GWh kan opleveren voor 12 uur opslag.
Technische en economische implicaties
De studie gaat in op de technische details van de retrofit. De geschatte thermische verliezen voor de voorgestelde configuratie zijn 1,94 procent per dag. Ondertussen is het maximale drukverlies over het gepakte bed tijdens de afvoer berekend op slechts 49 mbar. Dergelijke efficiëntiecijfers zijn essentieel om de levensvatbaarheid van deze technologie te begrijpen. De onderzoekers ontdekten ook dat het verhogen van de inlaattemperatuur van de stoomgenerator van 590°C naar 650°C leidde tot hogere efficiëntie en lagere kosten.
Economisch gezien lijkt het idee om ontmantelde kolencentrales te gebruiken als reservoir voor de opslag en productie van hernieuwbare energie veelbelovend. De levelized cost of energy (LCOE) is een belangrijk getal, omdat het de kosten omvat van het bouwen en exploiteren van een energiecentrale gedurende haar levenscyclus. Het bereiken van een LCOE van slechts €88,09 per MWh voor de grootste opslagcapaciteit maakt deze technologie concurrerend met andere vormen van opslag van hernieuwbare energie. Bovendien geeft de studie aan dat zelfs een aanzienlijke verlaging van de opslagkosten de LCOE slechts marginaal zou verlagen, wat de robuustheid van het economische model aantoont.
De bredere impact op de integratie van hernieuwbare energie
De toepassing van Carnot-batterijen kan een transformerend effect hebben op de manier waarop hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet wordt geïntegreerd. Naarmate het aandeel van hernieuwbare energiebronnen toeneemt, groeit ook de behoefte aan systemen die overtollige energie kunnen opslaan en op verzoek kunnen leveren. De “eendencurve”, een grafische weergave van de wanverhouding tussen de piekproductie van hernieuwbare energie en de piekvraag, onderstreept de behoefte aan opslagoplossingen die energie kunnen herverdelen van daglichturen naar tijden met een hogere vraag.
Daarnaast zou de integratie van Carnot-batterijen een tweede leven kunnen bieden aan kolencentrales, die wereldwijd buiten gebruik worden gesteld vanwege hun impact op het milieu. Door bestaande infrastructuur opnieuw te gebruiken, kunnen dergelijke retrofits de noodzaak voor nieuwbouw en de bijbehorende kosten en milieuproblemen verminderen. Dit sluit aan bij het wereldwijde streven naar decarbonisatie, aangezien energieproductie een belangrijke bron van energiegerelateerde CO2-uitstoot is.
Vooruitkijken: De toekomst van energieopslag
Hoewel het Deense onderzoek een overtuigend pleidooi houdt voor het gebruik van Carnot-batterijen in aangepaste kolencentrales, zal de bredere toepassing van deze technologie afhangen van verschillende factoren. De kosten van elektriciteit voor het opladen van de batterijen is zo’n factor; het afsluiten van groene stroomafnameovereenkomsten kan de economische haalbaarheid van de implementatie aanzienlijk beïnvloeden.
Bovendien is het succes van Carnot-batterijen in een volledig hernieuwbaar energiesysteem afhankelijk van het bereiken van een levelized cost of storage (LCOS) die concurrerend is met andere energiebronnen. Uit een ander onderzoek bleek dat een LCOS van minder dan 66,2 euro per MWh nodig zou zijn om dergelijke batterijen een zinvolle bijdrage te laten leveren aan een scenario met 100 procent hernieuwbare energie, op voorwaarde dat de gasprijzen laag blijven.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
