Thermische energieopslag

De noodzaak om meer gebruik te maken van hernieuwbare energie komt regelmatig naar voren in onze strijd tegen klimaatverandering. De laatste COP28-overeenkomst heeft dit duidelijk geformuleerd door op te roepen tot een verdrievoudiging van de capaciteit voor hernieuwbare energie en een verdubbeling van de verbeteringen op het gebied van energie-efficiëntie tegen 2030. Het is een gedurfde, maar noodzakelijke ambitie om ook maar enigszins in de buurt te komen van het bereiken van ‘netto nul’-doelstellingen binnen het benodigde tijdsbestek.

Thermische energieopslag (TES) en andere vormen van langdurige energieopslag (LDES) zijn twee veelbelovende manieren om het potentieel van een evoluerende situatie te maximaliseren.

Het is duidelijk dat we methoden van TES moeten invoeren als we op weg willen naar een duurzamere toekomst. En, naarmate technologieën zich ontwikkelen om aan deze vraag te voldoen, is het de moeite waard om na te denken over de bredere impact die deze opties op ons milieu kunnen hebben, naast factoren als kapitaalkosten, efficiëntie en energieproductie. We bekijken hieronder twee alternatieven en enkele van deze kwesties.

Tegenwoordig zijn de meest voorkomende vormen van energieopslag voor warmte thermische opslag via de opslag van voelbare en latente warmte met behulp van materialen met faseverandering (PCM's) en thermochemische opslag. Elektrochemische opslagopties zijn onderverdeeld in twee categorieën: condensatoren en batterijen. Hoewel condensatoren een hoger rendement en een langere levensduur bieden in vergelijking met batterijen, vervoeren ze in vergelijking veel minder lading per eenheid per massa.

Batterijen zijn ook het onderwerp geweest van veel onderzoek naar hun gebruik in energieopslagsystemen, inclusief integratie met systemen voor hernieuwbare technologie.

Lithium-ijzerfosfaatbatterijen (LIPB) zijn het onderwerp geweest van verschillende onderzoeken naar het gebruik ervan, zoals in windmolenparken om energie op te slaan voor gebruik wanneer het niet waait. Hun efficiëntie verbetert drastisch wanneer meer dan één batterij wordt gebruikt, waardoor volledige laad- en ontlaadcycli mogelijk worden.

Andere onderzoeken hebben zich gericht op het verbeteren van hun efficiëntie, bijvoorbeeld door hun bedrijfstemperatuur te regelen met behulp van warmtematten, of hebben gekeken naar hun impact op het milieu door middel van levenscyclusanalyses (LCA's).

Door gebruik te maken van de huidige literatuur over LIPB's naast ons model en bestaande studies voor de SteamBattery, wilden we de milieu-impact van deze twee oplossingen voor energieopslag vergelijken. Er waren enkele beperkingen door de grenzen die door de LIPB-studies waren gesteld, met name een benadering die enkel kijkt naar grondstof tot eindproduct en die geen rekening houdt met hun transport of verwijdering aan het einde van hun levensduur.

Eens de randvoorwaarden waren vastgelegd, kon een reeks vergelijkende milieueffecten worden beoordeeld. Vanwege verschillen in de gebruikte modellen tussen het LIPB-onderzoek en dat voor de SteamBattery, vonden we dat 10 van de 18 in het LIPB-onderzoek een directe vergelijking mogelijk maakten.

Broeikasgassen:

Deze zijn het meest relevant voor de gevolgen van klimaatverandering en worden gemeten in kg kooldioxide-equivalent. Uit de resultaten blijkt dat de SteamBattery gedurende zijn hele levensduur 8,58 kg/1000 kWh opgeslagen energie uitstoot, terwijl de LIPB gedurende zijn hele levensduur 16,10/1000 kWh uitstoot. In feite heeft de SteamBattery de helft van de CO2-uitstoot van de LIPB gedurende zijn hele levensduur.

Effect op ecosystemen:

We hebben zes milieueffectcategorieën onderzocht, waaronder die voor ecotoxiciteit en eutrofiëring in mariene en zoetwateromgevingen, plus verzuring en ecotoxiciteit op het land. Voor zowel zoetwater- als mariene omgevingen bleek de SteamBattery 95% minder belastend te zijn in vergelijking met de LIPB. Dit was grotendeels te wijten aan het kathodeplaat fabricageproces dat nodig is voor de LIPB.
Als we kijken naar de aardse invloeden, ontstaat een ander beeld. De zwaveldioxideproductie van de SteamBattery was 83% lager dan die van de LIPB. Het dichloorbenzeenequivalent was echter hoger dan het LIPB. Bij nader onderzoek, waarbij de impact van beide producten in de verschillende milieucategorieën werd bekeken, werd geconcludeerd dat dit eerder een gebied voor potentiële verbetering was dan een ernstige tekortkoming.

De beoordeling benadrukte verder de verminderde impact van SteamBattery op natuurlijke hulpbronnen, zoals fossiele brandstoffen en water. Met name de hoogste milieubelasting werd voornamelijk geassocieerd met de LIPB, vooral in mariene en zoetwaterecotoxiciteit, terwijl de grootste impact van de SteamBattery aanzienlijk lager was in terrestrische ecotoxiciteit.

Naarmate de behoefte aan duurzame stoomsystemen toeneemt, is er een duidelijke noodzaak om meer te overwegen dan alleen het vermijden van fossiele brandstoffen. De veerkracht en toekomst van de planeet hangen af van een heleboel andere factoren, met milieuoverwegingen hoog op de lijst.

Deze eerste studie toont aan dat er altijd een meer holistisch overzicht van mogelijke opties moet worden overwogen voordat er definitieve beslissingen worden genomen.