Zoutcavernes en gasvelden voor duurzame energieopslag?

Zoutcavernes en gasvelden voor duurzame energieopslag?

In 2050 moet de energievoorziening in Nederland volledig uit duurzame energiebronnen bestaan, voornamelijk door zon- en windproductie. Uit een eerste analyse is op te maken dat er reeds in 2030 ongeveer 12 TWh opslag nodig is alleen al voor de elektriciteitsvoorziening in perioden met weinig opwek. Opslagcapaciteit van deze omvang heeft Nederland niet tot haar beschikking. Wél bezit Nederland enorme gasvelden waarmee dit probleem in één keer op te lossen is, mits we deze kunnen inzetten als grootschalige strategische energieopslag.

Dit artikel is geschreven door Michiel Geurds en Marcel de Nes en verscheen in augustus 2020 in Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.

Volgens de doelstellingen van de Europese Unie en Nederland moet ons land in 2050 volledig klimaatneutraal van energie voorzien worden. Dit houdt in dat er dan alleen CO 2-neutrale energie wordt opgewekt. Dit houdt onder andere een ambitieuze overstap in van de productie van elektriciteit door gebruik van fossiele brandstoffen (zoals aardgas, olie en steenkolen) naar volledig groene energie (zoals wind- en zonne-energie). De voornaamste uitdaging van het afhankelijk zijn van wind- en zonne-energie is dat we te maken hebben met perioden waarbij er nauwelijks zon en wind is, terwijl er op dat moment wel vraag is naar energie. Vraag en aanbod kunnen uit de pas lopen en dat geeft een onacceptabele onbalans in ons energienet. Om het probleem van onbalans op te lossen, is het noodzakelijk dat we energie-opslag integreren in een duurzaam energiesysteem. In dit artikel geven we aan hoe groot deze opslag zal moeten zijn en welke mogelijkheden Nederland heeft om deze duurzame energie op te slaan. We laten zien dat onze gasvelden wel eens de sleutel tot succes zouden kunnen zijn.

De opslagbehoefte van Nederland in 2030

De opslagcapaciteit, die een opslagsysteem moet hebben om Nederland het hele jaar door van elektriciteit te kunnen voorzien, is groot en vergelijkbaar met de capaciteit van de accu’s van ongeveer 120 miljoen Tesla’s. Bij de berekening van de benodigde opslagcapaciteit gaat men uit van een energiescenario voor 2030¹ waarin alleen elektriciteitsvraag en -aanbod door opslag op elkaar zijn afgestemd. De andere energiedragers zoals kolen, olie en gas zijn in dit scenario buiten beschouwing gelaten. Uitgaande van de totale voorspelde elektriciteitsvraag voor het jaar 2030 van 101 TWh (364 PJ)² die wordt opgewekt door zonnepanelen (17 GW) en windturbines (24 GW), resulteert dit in een benodigde opslagcapaciteit van 12 TWh (terawattuur). In het bepalen van deze opslagcapaciteit spelen perioden van lage productie en de mate van indirect gebruik van energie een grote rol.

Dunkelflaute

Een lange periode waarin het windstil is en de zon nauwelijks schijnt noemt men de Dunkelflaute. Een Duitse term waarin Dunkelheit (duisternis) en Windflaute (windluwte) zijn samengevoegd. Het aantal en de duur van deze periodes varieert van jaar tot jaar. Figuur 1 geeft een voorbeeld met de duurzame productie van Duitsland in januari 2017. Deze toont meerdere periodes van lage opwek waarbij de langste tien dagen aanhoudt. Het toekomstige energiesysteem moet zulke periodes jaarrond kunnen overbruggen. Door te rekenen met een virtuele accu resulteert dit in een benodigde opslagcapaciteit van 12 TWh voor de Nederlandse elektriciteitsvoorziening in 2030.

Indirect gebruik van energie

Als Nederland in haar volledige elektriciteitsbehoefte wil voorzien uit zon en wind, zijn er momenten dat er meer geproduceerd wordt dan dat er gebruikt wordt. De overproductie zal opgeslagen worden voor momenten met een te lage productie. Op die momenten wordt de levering van elektriciteit aangevuld vanuit het opslagsysteem: de indirecte levering. In het energiesysteem van 2030 wordt wel 41% van de energie indirect geleverd. Door opslagverliezen is daarom aanvullende wind- en zonne-energie nodig voor alle indirect geleverde energie. Figuur 2 geeft een overzicht
van de directe en indirecte energiestromen. Hierin is een opslag van 12 TWh opgenomen met een opslagrendement van 64%.

Beschikbare ruimte in Nederland voor grootschalige opslag

Opslagsystemen met een capaciteit van 12 TWh voor de elektriciteitsvoorziening zijn niet ruim voorhanden. Zo hebben de grootste batterijsystemen ter wereld opslagcapaciteiten tot 100 MWh. Het grootste opslagsysteem ter wereld gerealiseerd door het oppompen van water (pumped hydro storage) heeft een opslagcapaciteit van ruim 100 GWh. Dit is nog altijd een factor honderd tot duizend te laag. Hierbij komt dat de fysieke ruimte in Nederland beperkt is. Nederland beschikt echter wel over gasvelden en zoutcavernes die mogelijk ingezet kunnen worden voor elektriciteitsopslag.

Gasvelden

Gasvelden zijn poreuze lagen in de ondergrond met een gasdichte laag erop (cap rock). Hier heeft aardgas zich kunnen vormen en ophopen. De gasvelden in de Nederlandse ondergrond zijn goed in kaart gebracht (figuur 3). Zo heeft Nederland ruim driehonderd gasvelden met elk hun specifieke volume en druk. De gasvolumes worden uitgedrukt in billion cubic meters (BCM) met kleine velden van 0,25 BCM tot het Slochterenveld van wel 2900 BCM. Het gasveld van Grijpskerk wordt al gebruikt voor opslag van aardgas en heeft een indicatief gasvolume van 10 BCM.

Zoutcavernes

Vooral in het noorden en oosten van Nederland komen ondergrondse zoutlagen (figuur 3) voor van soms wel honderden meters dik. Om zout te winnen, wordt er water in deze lagen gespoten. Vervolgens wordt het opgeloste zout samen met het injectiewater opgepompt. Bij de winning van dit steenzout ontstaan enorme ondergrondse cavernes (zoutkoepels), die zijn gevuld met pekelwater. In heel Nederland zijn er zo tientallen zoutcavernes ontstaan door zoutwinning met een typisch geometrisch volume van één miljoen kubieke meter. Door opslag onder druk resulteert dit in een opslagcapaciteit van 0,2 – 0,3 BCM. Daarmee zijn zoutcavernes goed geschikt voor opslag van gassen. Dit gebeurt veelvuldig, bijvoorbeeld bij de gasopslag in Zuidwending.

Inzet van gasvelden en zoutcavernes voor energieopslag

Zowel gasvelden als zoutcavernes kunnen worden ingezet voor energieopslag door opslag van duurzame gassen uit power-to-gas (P2G) of door deze te gebruiken als drukbuffer – compressed energy storage (CES).

Power-to-gas

Er is tegenwoordig veel aandacht voor power-to-gas als technologie om zon- en windenergie op te slaan. Hierbij wordt door middel van elektrolyse op een duurzame manier waterstof gemaakt uit elektriciteit en water. Waterstof kan met koolstofdioxide verder omgevormd worden tot methaan. Waterstof en methaan zijn dan de gasvormige energiedragers die opgeslagen kunnen worden in zoutcavernes of gasvelden. Omgekeerd kan het waterstof of methaan via een brandstofcel of gascentrale elektriciteit produceren.

Voordeel van P2G bij opslag in zoutcavernes of gasvelden is dat dit een enorme opslagcapaciteit heeft, afhankelijk van de druk en het toegestane werkvolume. Zo heeft de opslag van waterstof in één zoutcaverne een capaciteit van wel 250 GWh in de vorm van waterstof. Gasvelden hebben een veel groter opslagvolume in vergelijking tot zoutcavernes. Ook is de energiedichtheid van methaan veel hoger dan dat van waterstof. Zo heeft een enkel gasveld als dat van Grijpskerk een capaciteit van zeker 20 TWh in aardgas/methaan. Zowel zoutcavernes als gasvelden worden al ingezet voor opslag van aardgas.

Nadeel van P2G is het lage rendement van stroom terug naar stroom. Het rendement hangt af van de elektrolysestap (power to hydrogen) en de terugconversie van waterstof naar elektriciteit (hydrogen to power). Elektrolyse heeft daarbij een rendement van 63%. Terugconversie met een efficiënte gascentrale of brandstofcel kan met 60% rendement. Exclusief opslag resulteert dit in een efficiënte van 37%. Bij conversie van waterstof naar methaan is een extra conversiestap nodig met een rendement van 80%. In dat geval is het rendement 30%, exclusief opslag en de benodigde CO2-afvangtechnologie.

Compressed energy storage

Bij compressed energy storage (CES) wordt elektriciteit gebruikt om een gasvormig medium te comprimeren, waarna dit gas onder druk wordt opgeslagen in een zoutcaverne of gasveld. Bij een tekort aan elektriciteit wordt het gas uit het reservoir geëxpandeerd via expansieturbines waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Gas warmt op bij compressie. Deze warmte wordt opgeslagen en weer gebruikt om het gas bij expansie te verwarmen (zie figuur 1).

Voordeel van CES is het hogere rendement. Zo heeft opslag met lucht in een zoutcaverne een opslagrendement van wel 64%. Het rendement van CES bij toepassing op gasvelden hangt onder andere af van de compressie- en expansie-installatie en de eigenschappen van het veld. Zo geeft tabel 1 een overzicht van de energieverliezen bij toepassing van CES op een gunstig gasveld. Dit resulteert in een totaal rendement van 55% bij toepassing van lucht en 36% bij toepassing van stikstof als opslagmedium.

Nadeel daarbij is dat de toepassing van CES op zoutcavernes een beperkte capaciteit heeft van 1 – 2 GWh per caverne. Vanwege het veel grotere volume heeft de toepassing op een geschikt gasveld een grotere capaciteit. Zo kan in een veld gelijk aan dat van Grijpskerk 340 GWh opgeslagen worden. Nadeel bij toepassing op gasvelden is weer dat men nog beperkt is tot de inzet van stikstof als medium. Dit omdat er nog niks bekend is over de risico’s bij toepassing van lucht in gasvelden. Lucht is reactief wat mogelijk tot reacties in het verlaten gasveld kan leiden. De injectie van stikstof in gasvelden is daarbij beschikbare technologie. Productie van stikstof is energie-intensief wat het rendement tot 36% beperkt.

Bij toepassing van CES is het goed functioneren van de warmteopslag essentieel om het gas te verwarmen bij expansie. Hoge-temperatuuropslag (HTO) is een techniek waarbij heet water voor langere tijd wordt opgeslagen in het natuurlijke poriënvolume van bodemlagen, zoals zand of zandsteen. HTO is een bewezen technologie die op veel plaatsen succesvol is toegepast. Voor temperaturen boven de 100 °C is de technologie nog niet vaak toegepast. Dit is misschien wel de grootste uitdaging voor toepassing van CES. Bij onvoldoende opslagcapaciteit of temperatuur van de warmteopslag daalt het cyclusrendement van het gehele CES-systeem.

Kennis en ervaringen

Met de opslag van aardgas in gasvelden en zoutcavernes is veel ervaring. Zo slaat men onder andere al aardgas op in zoutcavernes bij Zuidwending en in het gasveld van Grijpskerk. Ook zijn er vergevorderde plannen voor opslag van waterstof uit P2G in zoutcavernes. De toepassing van CES is nog niet eerder toegepast in deze vorm. Alle daarvoor benodigde technologieën zijn echter beschikbaar. Met name de toepassing van CES op gasvelden behoeft extra onderzoek. Zo is het niet zeker of opslag van lucht in (lege) gasvelden wel mogelijk is en of grootschalige hoge-temperatuurwarmteopslag in de ondergrond haalbaar is. Een zoutcaverne heeft een kleiner volume en de toepassing van lucht in een zoutcaverne is mogelijk. De toepassing van CES op een zoutcaverne kan daarmee een ideale eerste pilot zijn waarbij er tegelijkertijd onderzoek gedaan wordt naar de toepassing van CES op gasvelden. Het moge duidelijk zijn dat opslag in gasvelden en zoutcavernes enkel mogelijk is zolang het positief bijdraagt aan maatschappij en omgeving.

Dankwoord

Onze dank gaat uit naar collega’s die dagelijks met allerlei onderzoeken en consultancy-opdrachten aan het werk zijn om de energietransitie op een breed vlak mogelijk te maken. Met plezier hebben we samengewerkt in dit artikel met: Josha van der Beek, Maarten van Blijderveen, Emma Gerritse, Peter Laagland en Martijn Leseman.

REFERENTIES
1 De Nationale Energieverkenning 2017, www.pbl.nl/publicaties/nationale-energieverkenning-2017.
2 Finaal elektriciteitsverbruik, overig elektriciteitsverbruik en totaal elektriciteitsverbruik, NEV2017 (ECN, PBL, CBS, RVO), figuur 3.4.
3 Nationaal Actieplan Energieopslag en Conversie, FME & Energy Storage NL (2019).
4 Ondergrondse Opslag in Nederland; Technische verkenning, TNO (2018).
5 www.qirion.nl/artikel/verkenning-naar-grootschalige-opslag-van-duurzaam-opgewekte-energie-gasvelden.
6 Assessment of underground energy storage potential to support the energy transition in the Netherlands: www.nlog.nl/sites/default/files/2019-08/juez_larre_et_al_2019_fb_st_july.pdf.