Opslagsystemen hernieuwbare energie zetten de wereld letterlijk in vuur en vlam

Auteur: Jim Day.

Vertaling: Jan Smelik.

Investeerders op het gebied van hernieuwbare energie hebben onvermoeibaar de mythe rondgebazuind dat mega-accu’s een gratis en gemakkelijke oplossing zouden zijn voor de hopeloze intermitterendheid van weersafhankelijke wind- en zonne-energie.

Het verhaal gaat dat reusachtige banken van lithium-ionaccu’s ‘gratis en overvloedig’ wind- en zonne-energie kunnen opslaan, wanneer de zon schijnt en de wind (precies goed) waait. Vervolgens kunnen deze monsteraccu’s, tegen nultarief voor stroomverbruikers, deze ‘groene’ stroom vrijgeven op elk moment dat bedrijven en huishoudens die nodig zouden hebben.

In 2017 verspilde Zuid-Australië, de Australische staat met de meeste windenergie, 150 miljoen dollar aan een van Elon Musk’s creaties, die deze staat gedurende 4 minuten van stroom zou voorzien wanneer de wind stopt met waaien en/of de zon ondergaat.

Reusachtige lithium-ion accu’s worden aangeprezen als het tegengif voor de chaos die inherent is aan het vertrouwen op zonneschijn en briesjes; ze brengen stabiliteit en veiligheid in een elektriciteitsnet als dat op het punt van instorten staat.

Maar er is niets ‘stabiel en veilig’ aan lithiumaccu’s, zoals eigenaars van Samsung mobiele telefoons pijnlijk goed weten, hebben lithiumaccu’s de nare gewoonte om spontaan te ontbranden. StopTheseThings kan zich nog goed herinneren hoe medepassagiers in het vliegtuig werden berispt omdat ze een Samsung 7 in hun zak hadden.

En er zijn genoeg incidenten geweest waarbij de lithiumaccu’s in elektrische auto’s van Tesla in vlammen zijn opgegaan. Nu moeten we ons zorgen maken over ontploffingen en brand in het elektriciteitsnet, en niet alleen over de enkele ontploffende Telsa S en Samsung 7.

Agressieve load-shifting kan brandgevaar accu’s vergroten

Onderzoekers van de alarmerende stroom van lithium-ionaccubranden in Zuid-Korea, die ernstige bezorgdheid hebben geuit over de veiligheid van accu-opslag, zeggen dat een van de hoofdoorzaken de praktijk is om dagelijks bijna de volledige laad- en ontlaadcapaciteit van de accu’s te gebruiken – een patroon dat ruwweg overeenkomt met plannen van Amerikaanse exploitanten om opslag te gebruiken om wind- en zonne-energieopwekking te verschuiven naar de avondperioden met piekvraag.

Vorig jaar hebben Zuid-Koreaanse overheidsfunctionarissen het gebruik van nieuwe lithium-ion accusystemen grotendeels stopgezet en er bij exploitanten op aangedrongen de exploitatie van bestaande systemen te beperken nadat er in anderhalf jaar tijd 23 accubranden waren uitgebroken. Veel eigenaars gingen echter door met hun activiteiten en de afgelopen maanden werden nog eens vijf accubranden gemeld in Zuid-Korea, dat de grootste markt voor stationaire accuopslag ter wereld was voordat de branden nieuwe installaties in de problemen brachten.

Het Zuid-Koreaanse ministerie van Handel, Industrie en Energie heeft in juni een maandenlang onderzoek naar de branden afgerond, waarvan de algemene conclusie was dat ze waren veroorzaakt door een reeks problemen, waaronder een gebrek aan bescherming tegen elektrische schokken, verkeerde installatiepraktijken en regelsystemen die niet compatibel waren met sommige componenten.

Meer in het algemeen echter verklaarden onderzoekers van DNV GL – een wereldwijd ingenieursbureau dat was gecontracteerd om de onderliggende oorzaak van een van de branden te onderzoeken – dat de in Zuid-Korea gangbare praktijk om de lithium-ionaccu’s dagelijks van bijna 0% naar 100% en terug, tot extreme slijtage van de systemen heeft geleid en een onderliggende oorzaak was van de defecten in de accucellen die de branden hebben doen ontstaan.

Dit harde cycluspatroon, dat gebruikelijk is in Zuid-Koreaanse opslagsystemen in combinatie met wind- en zonneparken om de output te verschuiven naar perioden met een grotere vraag, verschilt van de meeste accu’s die tot nu toe in de Verenigde Staten zijn gebruikt, waar ze voornamelijk worden gebruikt voor snel reagerende frequentieregelingen binnen een smallere en minder stressvolle bandbreedte.

“Als we die accu’s net zo agressief gaan cyclen als in Korea, zullen we waarschijnlijk vergelijkbare uitvalpercentages zien,” vertelde George Garabandic, DNV GL’s leider energieopslag voor de regio Azië-Pacific, aan The Energy Daily. “Het valt te verwachten dat een hogere belasting zal resulteren in hogere niveaus van willekeurige componentstoringen. In andere, meer ontwikkelde markten voor energieopslagsystemen leveren de accu’s diensten die vergelijkbaar zijn met frequentieregeling, en is de componentspanning relatief milder.”

Als die beoordeling juist is, kan dat een probleem worden voor de ontwikkelaars van accu’s voor nutsbedrijven in de VS, die in toenemende mate accu’s koppelen aan zonne-energie en de mogelijkheid aanprijzen om overdag op te laden als de zon schijnt en die energie vervolgens in de late namiddag en ’s avonds weer te ontladen – een cyclus die meer lijkt op het patroon in Zuid-Korea waar de tientallen branden zijn uitgebroken. De meeste branden die in Korea worden onderzocht, vonden plaats in faciliteiten die samen met hernieuwbare bronnen werden gebruikt, aldus Koreaanse media.

Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) meldden in 2017 dat accu’s die dagelijks worden gebruikt voor dergelijke toepassingen op nutsschaal in zeven jaar versleten zijn, zelfs als de ontladingsdiepte (OD) wordt beperkt tot 74 procent. Accu’s zullen in 10 jaar verslijten als de OD verder wordt beperkt tot slechts 54 procent, volgens de schattingen van NREL.

Gezien de versnelde degradatie en de kans op brand die gepaard gaat met diep ontladen, beperken Amerikaanse accuexploitanten de ontladingsdiepte vaak strikt, maar dat kan het vermogen van het systeem om hernieuwbare energie over te hevelen naar perioden met een grote vraag, zoals geadverteerd, ernstig beperken. Accudeskundigen benadrukken ook dat er manieren zijn om het risico van brand te beperken, zelfs met agressievere cycli, die de industrie snel ontwikkelt en toepast.

Het risico van accubranden kwam afgelopen april aan het licht toen een explosie in de McMicken-accufaciliteit van Arizona Public Service nabij Phoenix verscheidene brandweerlieden naar het ziekenhuis stuurde. De regelgevende instanties in Arizona waren vervolgens verbaasd te vernemen dat een brand in 2014 ook het accuopslagsysteem van APS in Mt. Elden had verwoest.

De oorzaak van de McMicken-brand wordt nog onderzocht, maar ondertussen heeft APS plannen opgeschort om 850 megawatt aan accuopslag te implementeren – wat het grootste accuopslaginitiatief van het land was – totdat het nutsbedrijf kan achterhalen wat er is gebeurd.

Lithium-ion-accu’s kunnen een verhoogd brandrisico met zich meebrengen, deels als gevolg van een fenomeen dat “thermische runaway” wordt genoemd, waarbij excessieve hitte in de accu meer hitte kan veroorzaken die vervolgens cascadebranden in aangrenzende accucellen kan veroorzaken, volgens een risicobeoordeling van accu’s die is opgesteld door de verzekeringsgroep AIG.

Uit de brandende accu’s komen ook het uiterst giftige fluorwaterstofzuur, cyanide en andere gassen vrij die bij ontbranding kunnen exploderen, wat bij de McMicken-brand lijkt te zijn gebeurd, volgens een voorlopig rapport van APS van 5 november.

Hoewel de kans dat een individuele accucel het begeeft en brand veroorzaakt uiterst klein is, merkte Garabandic van DNV GL op dat grote accuopslagsystemen het equivalent van 10 miljoen of meer lithium-ioncellen kunnen hebben, samengepakt in een kleine ruimte.

“Eén cel van die 10 miljoen zal het begeven en als we in dergelijke omstandigheden geen adequate veiligheidsmaatregelen treffen, zal een cascade-effect zeker leiden tot een brand op grote schaal,” zei hij. “Het ontbreken van dergelijke veiligheidsmaatregelen is de belangrijkste reden geweest waarom de ongevallen in Korea zulke catastrofale gevolgen hadden; en als gevolg daarvan is de hele Koreaanse ESS-industrie tot stilstand gekomen.”

Om de veiligheid te vergroten, moeten accubeheerders erkennen dat een individuele cel op een gegeven moment waarschijnlijk defect zal raken, en daarom gebruik maken van monitoringanalyses om cellen die risico’s opleveren te vervangen voordat ze defect raken, aldus Garabandic. Daarnaast moeten ontwikkelaars “alle technische en operationele maatregelen nemen om het cascade-effect van defecten te voorkomen en de schade tot een redelijk niveau te beperken”, zei hij.

Deze maatregelen omvatten barrières tussen cellen om cascadebranden te voorkomen, adequate controle- en bewakingssystemen en een goede ventilatie van potentieel explosieve gassen, samen met systemen die een brandende accucel snel met water kunnen blussen, wat contra-intuïtief de beste manier blijkt te zijn om een accubrand te blussen.

Accudeskundigen hebben gemeld dat er reeds verschillende technologieën bestaan die het brandrisico van lithium-ionaccu’s doeltreffend verminderen en dat de veiligheid in de nog jonge opslagindustrie zal verbeteren naarmate deze technologieën worden opgeschaald en in de fabricage- en installatieprocessen worden geïntegreerd.

Koreaanse accufabrikanten LG Chem en Samsung hebben onlangs overeenstemming bereikt met nieuw ontwikkelde internationale normen voor brandpreventie van accu’s, en de U.S. Energy Storage Association heeft vorig jaar richtlijnen gepubliceerd voor beste praktijken om brandrisico’s te verminderen in een poging om iets te doen aan wat een ernstige bedreiging voor de snelgroeiende industrie aan het worden is.

Verscheidene accufabrikanten prijzen ook verschillende chemische samenstellingen aan als inherent veiliger alternatieven voor traditionele lithium-ionaccu’s. Onder hen zijn Sonnen, SimpliPhi en de Chinese accugigant Contemporary Amperex Technology, die lithium-ijzerfosfaataccu’s op de markt brengen waarvan ze zeggen dat ze minder snel vlam vatten en minder giftig zijn als ze toch vlam vatten.

***

Bron: IHS Markit