Long duration energy storage: hoe we stroom weken kunnen bewaren
Stel je een zonnepark voor op een stralende dag in juni. Er wordt dan vaak veel meer stroom opgewekt dan Nederland op dat moment nodig heeft. Diezelfde stroom is een paar maanden later, tijdens een grijze, windstille week in december, juist schaars. Dat gat tussen een overschot in de zomer en een tekort in de winter noemen we wel het seizoensprobleem van duurzame energie. Long duration energy storage (LDES), oftewel langdurige energieopslag, is de verzamelnaam voor technologieën die dat gat moeten dichten door stroom niet voor uren, maar voor dagen, weken of zelfs maanden te bewaren.
Een handige vergelijking is die met geld beheren. De batterij in een elektrische auto of aan de muur van je huis is als een portemonnee: handig voor dagelijkse uitgaven, maar snel weer leeg. LDES-systemen zijn eerder een spaarrekening: minder geschikt voor het moment zelf, maar bedoeld om grote hoeveelheden energie voor langere tijd veilig weg te zetten. Dat is nodig omdat zon en wind, hoe onmisbaar ook voor een schone energievoorziening, niet gegarandeerd op elk moment evenveel opleveren als we verbruiken.
Wat is het precies?
Er bestaat niet één technologie die "long duration energy storage" heet; het is een label voor uiteenlopende systemen die aan dezelfde eis voldoen. Meestal wordt gesproken van LDES als een systeem minstens acht tot tien uur achtereen stroom kan leveren op vol vermogen, en vaak veel langer. Ter vergelijking: de lithium-ion accu's die nu in de meeste grote batterijparken staan, zijn doorgaans ontworpen om twee tot vier uur vol te leveren.
Om te snappen waarom dat verschil bestaat, helpt het om opslag in twee onderdelen te knippen: vermogen (hoe snel je kunt op- en ontladen, gemeten in megawatt) en capaciteit (hoeveel energie je in totaal kunt opslaan, gemeten in megawattuur). Bij lithium-ion batterijen stijgen de kosten van extra capaciteit ongeveer even hard mee als die van extra vermogen, simpelweg omdat je meer cellen nodig hebt. Bij veel LDES-technieken ligt dat anders: de dure onderdelen, zoals turbines of vaten, zijn er maar één keer, terwijl het opslagmedium zelf — lucht, water, gesmolten zout, ijzer — relatief goedkoop is. Daardoor kan het voordeliger worden om juist heel lang te kunnen opslaan, ook al reageert het systeem trager.
Grofweg vallen de technieken in een paar families uiteen. Mechanische opslag is de oudste en grootste categorie: bij pumped hydro (waterkrachtopslag) wordt water tijdens overschotten omhoog gepompt naar een stuwmeer en later weer naar beneden gelaten door turbines. Compressed air energy storage (CAES) perst lucht samen in ondergrondse holtes of grote vaten, om die later te laten expanderen door een turbine. Bij gravity storage worden zware blokken met kranen omhoog gehesen en later gecontroleerd laten zakken, waarbij de zwaartekracht een generator aandrijft.
Thermische opslag zet elektriciteit om in warmte, bijvoorbeeld door gesmolten zout, hete stenen of grafietblokken te verhitten. Die warmte kan later weer stroom opwekken, of rechtstreeks worden ingezet als industriële proceswarmte. Bij chemische opslag gaat het onder meer om flow batteries, waarbij energie zit opgeslagen in tanks met vloeistof, en om ijzer-luchtbatterijen die ijzer laten roesten en dat proces later weer omkeren. Tot slot is er waterstofopslag: stroom wordt via elektrolyse omgezet in waterstofgas, dat wordt opgeslagen en later weer via een brandstofcel of gasturbine stroom levert. Dat kan in principe maanden overbruggen, maar gaat gepaard met flink energieverlies bij elke omzetting.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een elektriciteitsnet dat grotendeels of volledig op zon en wind draait, zonder dat het licht uitgaat zodra de zon niet schijnt of de wind niet waait. Zonder langdurige opslag moeten netbeheerders bij tekorten terugvallen op gas- of kolencentrales, of moeten zonneparken en windparken bij een overschot juist worden afgeschakeld — iets wat curtailment heet en in de praktijk al vaker voorkomt naarmate er meer zon en wind op het net komt.
Daarnaast kan LDES helpen om dure uitbreidingen van het elektriciteitsnet uit te stellen, doordat opslag lokaal pieken en dalen opvangt in plaats van dat alles via nieuwe kabels moet worden getransporteerd. Voor de industrie is thermische opslag interessant omdat fabrieken vaak continu hoge temperaturen nodig hebben, iets waar batterijen op zichzelf niet goed voor geschikt zijn.
Kosten spelen een grote rol in de ambities. Het Amerikaanse ministerie van Energie lanceerde in 2021 het initiatief "Long Duration Storage Shot", met als doel om binnen tien jaar de kosten van opslagsystemen die tien uur of langer stroom kunnen leveren met negentig procent te verlagen. Dat geeft een indicatie van hoe duur en onvolwassen veel van deze technieken nu nog zijn in vergelijking met de gehoopte toekomst.
Voorbeelden uit de praktijk
Pumped hydro is verreweg de meest bewezen vorm van langdurige opslag. De Bath County Pumped Storage Station in de Amerikaanse staat Virginia, operationeel sinds 1985, geldt met een vermogen van ongeveer drie gigawatt als een van de grootste opslagfaciliteiten ter wereld. Het laat zien dat het basisprincipe van langdurige opslag al decennia werkt, zij het met de beperking dat je een geschikt hoogteverschil en veel water nodig hebt.
Form Energy uit de Verenigde Staten ontwikkelt ijzer-luchtbatterijen die zijn ontworpen om ongeveer honderd uur achtereen stroom te leveren, veel langer dan gangbare lithium-ion systemen. Het bedrijf begon in 2023 met de bouw van een project bij Cambridge, Minnesota, in samenwerking met energiecoöperatie Great River Energy, en bouwt een productiefabriek op het terrein van een voormalige staalfabriek in Weirton, West Virginia, aangekondigd in 2022.
Het Canadese Hydrostor exploiteert sinds 2019 een demonstratiefaciliteit voor advanced compressed air energy storage in Goderich, Ontario, waarbij samengeperste lucht in een ondergrondse holte wordt opgeslagen. Grotere vervolgprojecten zijn in ontwikkeling in Australië, bij Broken Hill, en in Californië.
Energy Vault, bekend van torens waarin zware blokken door kranen worden opgetild en neergelaten, bracht in 2023 een commercieel gravity-opslagsysteem in gebruik in Rudong, China, met een capaciteit van enkele tientallen megawattuur. Het Britse Highview Power draait sinds 2018 een proeffabriek voor liquid air energy storage bij Manchester, waarbij lucht wordt afgekoeld tot ongeveer min 196 graden Celsius totdat die vloeibaar wordt, om later weer te laten verdampen en een turbine aan te drijven; een grotere fabriek is gepland in Carrington, in de buurt van Manchester.
Hoe ver is de techniek?
Pumped hydro is volwassen en levert wereldwijd verreweg het grootste deel van alle opgeslagen energiecapaciteit, maar is geografisch beperkt: je hebt een geschikt landschap met hoogteverschil nodig, en nieuwe projecten stuiten vaak op lange vergunningstrajecten en weerstand vanwege het landschap. De nieuwere LDES-technieken, zoals ijzer-luchtbatterijen, gravity storage en liquid air, bevinden zich grotendeels nog in de fase van demonstratieprojecten of de allereerste commerciële installaties. Ze zijn dus wel technisch bewezen op kleinere schaal, maar nog niet op de massale schaal die nodig is om een substantieel deel van het elektriciteitsnet te ondersteunen.
Een eerlijk knelpunt is de zogeheten round-trip efficiency: het percentage van de ingestopte energie dat je er later weer als bruikbare stroom uithaalt. Lithium-ion batterijen halen doorgaans rond de negentig procent, terwijl veel LDES-technieken, vooral waterstof en sommige vormen van thermische opslag, daar duidelijk onder blijven. Voor toepassingen waar het vooral gaat om zekerheid van levering over langere tijd, is dat een acceptabele afweging; voor dagelijks gebruik is het dat vaak niet.
Een ander obstakel is niet technisch maar economisch: in de meeste elektriciteitsmarkten bestaat nog geen duidelijk verdienmodel voor een installatie die maar een paar keer per jaar wordt ingezet, tijdens langdurige periodes van tekort. Investeerders en beleidsmakers zoeken naar nieuwe marktmechanismen en subsidievormen om dat op te lossen. Branchecoalities zoals de LDES Council schatten dat er tot 2040 wereldwijd duizenden miljarden dollars aan investeringen nodig zijn om voldoende langdurige opslag te bouwen, al zijn dat modelmatige schattingen met de nodige onzekerheid.
Wie werken eraan?
Naast gevestigde waterkrachtbouwers zijn het vooral gespecialiseerde start-ups die de nieuwere LDES-technieken ontwikkelen: Form Energy en ESS Inc (beide met ijzer-gebaseerde batterijen), Hydrostor (samengeperste lucht), Energy Vault (zwaartekrachtopslag), Highview Power (vloeibare lucht) en Rondo Energy (thermische batterijen voor industriële warmte). Onderzoeksinstituten zoals het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL), Pacific Northwest National Laboratory en het Electric Power Research Institute (EPRI) doen fundamenteel en toegepast onderzoek naar kosten, levensduur en netintegratie.
Op beleidsniveau trekt de Verenigde Staten met het Long Duration Storage Shot-programma van het ministerie van Energie sinds 2021 fors de kar, terwijl de Europese Unie via Horizon Europe onderzoek en demonstratieprojecten meefinanciert. China investeert op grote schaal in zowel traditionele pumped hydro als compressed air-projecten, vaak met steun van de staat. De LDES Council, opgericht in 2021 rond de VN-klimaattop COP26, is een internationale coalitie van bedrijven — waaronder techniekleveranciers, grondstoffenbedrijven en investeerders zoals Breakthrough Energy — die samen met adviesbureau McKinsey rapporten publiceert over kosten en opschaling van de sector.