Samengeperste luchtopslag: energie bewaren in ondergrondse luchtbellen
Stel je een reusachtige fietspomp voor, maar dan omgekeerd: in plaats van dat jij kracht zet om lucht in een band te persen, gebruikt een elektriciteitscentrale overtollige stroom om lucht samen te persen en op te slaan in een enorme ondergrondse holte. Wanneer er later juist te weinig stroom is, laat je die perslucht weer ontsnappen door een turbine, die daarmee opnieuw elektriciteit opwekt. Dat is in de kern samengeperste luchtopslag, in het Engels compressed air energy storage of CAES.
Het idee bestaat al decennia, maar krijgt nieuwe aandacht nu er steeds meer stroom uit zon en wind komt. Die bronnen leveren niet altijd op het moment dat wij ze nodig hebben: op een winderige zondagmiddag is er soms een overschot, terwijl op een stille winteravond juist tekorten dreigen. Samengeperste luchtopslag is een van de manieren om dat probleem op te lossen door energie voor uren tot dagen vast te houden, in plaats van alleen de paar uur die een batterij doorgaans aankan.
Wat is het precies?
Het proces bestaat grofweg uit drie stappen. Eerst wordt lucht met een compressor onder hoge druk gebracht, vaak tientallen keren de normale luchtdruk. Vervolgens wordt die perslucht opgeslagen in een afgesloten ruimte: meestal een uitgeholde zoutkoepel diep in de ondergrond, soms een leeg gasveld, een verlaten mijngang of speciaal gebouwde stalen tanks. Als er weer elektriciteit nodig is, laat men de lucht gecontroleerd ontsnappen door een turbine, die de bewegingsenergie omzet in stroom, net als bij een gascentrale.
Een lastig natuurkundig detail zit in de temperatuur. Lucht die je samenperst, warmt sterk op; lucht die uitzet, koelt juist sterk af. Bij de oudste ontwerpen, "diabatische" CAES genoemd, laat men die compressiewarmte gewoon ontsnappen naar de omgeving en verbrandt men later aardgas om de lucht weer op te warmen voordat ze de turbine ingaat. Dat werkt, maar kost brandstof en stoot CO2 uit. Nieuwere ontwerpen proberen die warmte juist vast te houden en later te hergebruiken: bij "adiabatische" systemen wordt de compressiewarmte apart opgeslagen in bijvoorbeeld verhitte stenen of gesmolten zout, en bij "isotherme" systemen probeert men de temperatuur tijdens het hele proces zo constant mogelijk te houden met water als warmtebuffer. Beide varianten hebben als doel om zonder aardgas te kunnen werken en meer van de oorspronkelijk ingestopte energie terug te winnen.
Een variant die inmiddels op praktijkschaal wordt getest, gebruikt water om de druk in de ondergrondse opslag constant te houden: naarmate er lucht wordt weggehaald, stroomt er water de holte in, en omgekeerd. Dat maakt het systeem efficiënter en flexibeler, en dit soort ontwerpen wordt vaak "advanced CAES" genoemd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is grootschalige, langdurige energieopslag voor het elektriciteitsnet. Batterijen, met name lithium-ion, zijn uitstekend voor opslag van enkele uren, maar worden relatief duur en materiaalintensief naarmate je ze inzet voor opslag van een hele dag of langer. Samengeperste luchtopslag mikt juist op die langere tijdschalen: van pakweg vier uur tot meerdere dagen, wat aansluit bij periodes van weinig zon of wind.
Daarnaast speelt materiaalonafhankelijkheid mee. Waar batterijen lithium, kobalt of nikkel nodig hebben, bestaat een CAES-installatie grotendeels uit staal, beton en... lucht. Voor landen zonder geschikte bergen voor pumped hydro storage (waterkrachtopslag, waarbij water omhoog wordt gepompt en later weer naar beneden stroomt door een turbine) is samengeperste luchtopslag soms de enige grootschalige, mechanische opslagoptie die past bij de lokale ondergrond, zoals zoutlagen die in delen van Noord-Europa en Noord-Amerika volop aanwezig zijn.
Tot slot hoopt men met deze techniek pieken en dalen in het net beter op te vangen zonder dat fossiele piekcentrales hoeven aan te springen, en zo de overstap naar een net met veel meer duurzame stroom te vergemakkelijken.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste commerciële CAES-installatie ter wereld staat in Huntorf, Duitsland, en draait sinds 1978. De centrale, met een vermogen van 290 megawatt, gebruikt twee uitgeholde zoutcavernes en werd oorspronkelijk gebouwd om kerncentrales te helpen bij snelle vraagpieken.
In de Verenigde Staten volgde in 1991 de centrale bij McIntosh, Alabama, met 110 megawatt vermogen. Deze installatie voegde een zogeheten recuperator toe, een warmtewisselaar die uitlaatwarmte hergebruikt, waardoor er ongeveer 25 procent minder aardgas nodig is dan bij Huntorf.
Het Canadese bedrijf Hydrostor bouwde in Goderich, Ontario een demonstratie-installatie die perslucht combineert met een waterkolom om de druk constant te houden, een voorbeeld van advanced CAES. Op basis van die ervaring ontwikkelt Hydrostor het veel grotere Willow Rock Energy Storage Center in Kern County, Californië, aangekondigd in 2023, dat moet uitgroeien tot honderden megawatts vermogen met meerdere uren opslagcapaciteit.
In Duitsland werkte energiebedrijf RWE tussen 2010 en 2013 aan het ADELE-project in Staßfurt, bedoeld als eerste grootschalige adiabatische CAES-centrale zonder aardgasgebruik. Het project bereikte de planningsfase maar is nooit gebouwd, onder meer door tegenvallende financiering en veranderende marktomstandigheden.
Dichter bij huis ontwikkelt het Ierse bedrijf Corre Energy een CAES-project bij Zuidwending, Groningen, waar al bestaande zoutcavernes van gasopslagbedrijf EnergyStock worden gebruikt. Het project moet gebruikmaken van de specifieke Nederlandse zoutlagen in de ondergrond om meerdere honderden megawatts aan langdurige opslag te leveren.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnologie is niet nieuw: Huntorf draait inmiddels bijna vijftig jaar en McIntosh ruim dertig jaar, dus de betrouwbaarheid van het kernprincipe staat vast. Toch zijn er wereldwijd nog altijd maar een handvol commerciële CAES-centrales operationeel, wat aangeeft dat brede opschaling tot nu toe achterbleef bij de verwachtingen uit de jaren negentig.
De nieuwere, aardgasvrije varianten zoals adiabatische en advanced CAES bevinden zich nog vooral in de demonstratie- en vroege commerciële fase. Hydrostors installatie in Goderich draait op relatief kleine schaal, en grotere projecten zoals Willow Rock moeten nog aantonen dat het concept ook op megawattschaal betrouwbaar en betaalbaar werkt. Het Australische Broken Hill-project van Hydrostor werd na aanhoudende vertragingen stopgezet, wat laat zien dat vergunningen, financiering en lokale geologie nog altijd grote hobbels kunnen vormen.
Belangrijke technische knelpunten blijven het rendement en de locatie-eisen. Diabatische CAES haalt doorgaans een round-trip-rendement (het percentage van de ingestopte energie dat je er later weer als stroom uithaalt) van ongeveer 40 tot 55 procent, mede door het gasverbruik. Adiabatische en advanced ontwerpen mikken op 60 tot 70 procent, vergelijkbaar met pumped hydro, maar nog altijd lager dan de 85 tot 95 procent van moderne batterijen. Daarnaast is niet elke ondergrond geschikt: je hebt stabiele zoutcavernes, poreuze gesteentelagen of kunstmatige tanks nodig, wat de keuze van locaties beperkt en de aanlegtijd kan oprekken tot vele jaren.
Wie werken eraan?
Hydrostor uit Canada geldt momenteel als een van de meest actieve ontwikkelaars van advanced CAES, met projecten in Noord-Amerika en eerder ook Australië. In Europa is Corre Energy, met wortels in Ierland, bezig met zoutcaverneprojecten in onder meer Nederland en Duitsland. RWE bracht met het ADELE-project vroege kennis over adiabatische opslag in huis, ook al werd dat specifieke project niet gerealiseerd. Ook het Britse Storelectric en het Amerikaanse Apex CAES ontwikkelen projecten of technologie op dit gebied.
Op onderzoeksniveau volgen instanties als het Amerikaanse Pacific Northwest National Laboratory en Duitse onderzoeksinstituten als Fraunhofer de ontwikkelingen op de voet en publiceren technische analyses. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) brengt de wereldwijde stand van langdurige energieopslag, inclusief CAES, periodiek in kaart. In Nederland volgen kennisinstellingen als TNO de ontwikkelingen rond ondergrondse energieopslag, mede vanwege de aanwezige zoutlagen en de ervaring met ondergrondse gasopslag.