VOORSTEL GECOORDINEERD ONDERZOEKPROGRAMMA ENERGIE-OPSLAG IN VLIEGWIELEN. Projectvoorbereidingsgroep "Vliegwielen" Geredigeerd door M

ESC-I

mei 1977

VOORSTEL GECOORDINEERD ONDERZOEKPROGRAMMA ENERGIE-OPSLAG IN VLIEGWIELEN Projectvoorbereidingsgroep "Vliegwielen" Geredigeerd door M. van Zanten

SUMMARY

A survey is given of technical and economic aspects of energy storage. It is concluded that application of mechanic and electric energy storage in the Netherlands is primarily restricted to electric power generation and to trans~ortation. For both applic~tions advanced batteries and flywheels turned out to be the main candidates for small to medium storage capacities. A comparison of flywheel systems and advanced hatteries shows that flywheels have a number of advantages, i.e. high round trip efficiency, large number of cycles, temperature independence, high discharge depth and (dis)charge speed. Moreover the industrial and scientific knowhow and competence in the Netherlands may favour an R&D programme on flywheels.

Based on this view the proposed programme consists of two lines of approach. The first line concerns the integration of a commercial flywheel system within 5 years at different places in the electric network system. The cost of this development is estimated at Hfl 17,000,000. The prograr~ne will be executed by several companies, including the electric power industry, and will be managed by ECN. The second line of approach concerns an advanced flywheel programme consisting of optimisation of flywheel design and materials. It also compri~es a systems analysis of the different aspects of energy storage in the Netherlands in relation to different conversion systems such as wind energy, total energy systems, combined heat and power supply, and solar energy. It is proposed to carry out the first phase of the development programme, for which Hfl 850,000 is required.

KEY WORDS:

ELECTRIC POWER ENERGY STORAGE FLYWHEELS LAND TRANSPORT NETHERLANDS POWER PLANT S RESEARCH PROGRAMS USES VEHICLES

-3-

SAMENVATTING

Uitgaande van algemene aspecten en doelstellingen van energie-opslag worden in hoofdstuk 2 van het voorstel de sectoren elektriciteitsvoorziening en transport als meest belangrijke toepassingsgebieden aangewezen. In de sector elektriciteitsvoorziening speelt de doelstelling energiebesparing bij toepassing van energie-opslag in het huidige produktie- en distributiesysteem een geringere rol dan in de sector transport. De betekenis van energie-opslag voor nieuwe ontwikkelingen in de eerstgenoemde sector, zoals de toepassing van gecombineerde warmte/ krachtinstallaties en van windenergie, kan echter van groot belang zijn voor de besparing van energiegrondstoffen. Zowel voor de sector elektriciteitsvoorziening als voor de sector transport bieden geavanceerde accu’s en vliegwielen de beste toepassingsmogelijkheden. Voor de transportsector is dit evident. Voor de elektriciteitsvoorziening volgt dit uit de overweging dat onder de huidige omstandigheden kleinere opslagcapaciteiten aantrekkelijker zijn dan grotere.

Bij de onderlinge vergelijking blijken vliegwielen een aantal voordelen te hebben ten opzichte van accu’s. Dit wordt in hoofdstuk 3 aangegeven. Voorts zijn op het terrein van vliegwielen en randapparatuur de benodigde competenties in belangrijke mate in ons land aanwezig. De industriëleen werkgelegenheidsaspecten leveren een gunstig beeld en er zijn speerpunttechnologie-aspecten aanwezig.

Een en ander leidt tot een in hoofdstuk 4 uitgewerkt voorstel voor een gefaseerd onderzoekprogramma, waaraan behalve door de industrie kan worden deelgenomen door instellingen voor onderzoek en wetenschappelijk onderwijs. In het onderzoekprogramma worden onderscheiden een onderzoeklijn die in 4 fasen, beslaande een periode van 5 jaren, kan leiden tot een commercieel stationair vliegwielsysteem geënt op grotendeels aanwezige technologische kennis en ervaring~ en een tweede onderzoeklijn die mede gebruik makend van de resultaten in de eerste lijn, gericht wordt op de ontwikkeling van meer geavanceerde vliegwielsystemen voor stationaire zowel als mobiele toepassingen. Voorgesteld wordt met de uitvoering van de eerste fase spoedig een aanvang te maken. De kosten voor deze eerste fase bedragen f 850.000. De uitvoering van de volgende fasen zal afhankelijk zijn van de uitkomsten van de eerste fase.

-5-

INHOUD pag. I. INLE IDING ......................................................... 7

2. DE BETEKENIS VAN ENERGIE-OPSLAG ................................... 2.1. Algemene aspecten en doelstellingen van energie-opslag ....... 2.2. Mogelijke toepassingsgebieden voor energie-opslag in Nederland en daarvoor in aanmerking komende systemen .............. 2.3. Economische beschouwingen over opslagsystemen in de elektriciteitsvoorziening ........................................ 2.4. Conclusies ................................................... 27

3. ~-LIEGWIELSYSTEMEN ................................................. 28 3.1. Inleiding .................................................... 28 3.2. Toepassingsgebieden .......................................... 28 3.3. Eigenschappen van vliegwielen ................................ 3.4. Lopend onderzoek aan vliegwielsystemen in het buitenland ..... 35 3.5. De wenselijkheid en mogelijkheid van onderzoek en ontwikkeling aan vliegwielsystemen ................................... 40 3.6. Aanvang vliegwielonderzoek op het gebied van stationalre toepassing ................................................... 3.7. Conclusies ................................................... 44

4. VOORSTEL VOOR ONDERZOEK EN FASERING ............................... 45 4.1. Doelstelling ................................................. 45 4~2. Opzet van het gefaseerde onderzoekprogramma .................. 45 4.3. Werkzaamheden, taakverdeling en kostenverdeling voor fase l.. 50 4.4. Projectbeheer ................................................ 51 4.5. Kostenraming voor de verschillende fasen van het onderzoekprogramma .....................................................

55

LITERATUUR ........................................................... 60 BIJLAGEN I. II.

Samenvatting EPRI-rapport ....................................... 62 De toepassingsmogelijkheden van een opslagsysteem in de keten van opwekking tot eindverbruik .................................. 82

III. Berekening van de kWh-kosten voor verschillende energie-opslagsystemen toe te passen in de elektriciteitsvoorziening .......... 104 IV. Korte beschrijving van opslagsystemen ........................... 113

-7-

1. Inleiding

In 1974 werd door Theyse een voorstudie gemaakt van de mogelijkheden die vliegwielen voor het opslaan van energie bieden. Deze voorstudie leidde in 1975 tot formulering van een onderzoekvoorstel van de hand van ir. F.H. Theyse getiteld "Vliegwielen voor Energie-opslag. Onderzoekvoorstellen, Budgetten en Tijdschema’s" gedateerd ]5 oktober 1975. Dit onderzoekvoorstel was tot stand gekomen in nauwe samenwerking met de gelnteresseerde industrieën V.M.F., UoC.N. en Holec en met het toenmalige R.C.N. Ook de N.V. KEMA was als ge~nteresseerde in de toepassing van stationaire energieopslagsystemen bereid als gesprekspartner op te treden. Op verzoek van de betrokken partijen werd het plan begin 1976 door RCN schetsmatig bij het Ministerie van Economische Zaken gelntroduceerd. Nadat het tevens door de Landelijke Stuurgroep voor Energie Onderzoek (LSEO) was beschouwd, bleek er behoefte aan een nadere uitwerking. Hierbij was in het bijzonder van belang de fundamentele vraag naar de potentiële betekenis van vliegwielsystemen in het beeld van de mogelijkheden van toepassing van energie-opslag in het algemeen. Ongeveer gelijktijdig met het hierover gevoerde overleg werd het Energie Studie Centrum (ESC) opgericht, dat onder meer tot taak heeft het energievoorzieningssysteem integraal te bestuderen.

Een en ander heeft de directie van ECN doen besluiten het ESC te verzoeken de leiding te nemen van de nadere uítwerking van een onderzoekvoorstel door een Projectvoorbereidingsgroep (PVG) Energie-opslag in Vliegwielsystemen.

De taakstelling van deze PVG, die op 26 oktober 1976 werd ingesteld, is geformuleerd als het rapporteren over

De mogelijke omvang van de toepassing van stationaire vliegwielsystemen voor energie-opslag, in Nederland en elders; dit aan de hand van een beschouwing van - de betekenis van energie-opslag in de elektriciteitsvoorziening - de betekenis van vliegwielen als opslagsysteem ten opzichte van andere opslagsystemen - de toepassingsmogelijkheden - bedrijfsvoering - van vliegwielsystemen - de kosten-batenverhouding van vliegwielsystemen voor de beschouwde toepassingen

-8-

2) De redenen om juist in Nederland een vliegwielproject ter hand te nemen; dit aan de hand van een beschonwing van - de hier aanwezige kennis en ervaring - het elders uitgevoerde onderzoek op dit gebied - de industriële baten en werkgelegenheidsaspecten

3) De opzet van het benodigde onderzoek in een eerste fase, met name een feasibility study; uitwerking van voorstellen voor - organisatie, taakverdeling en werkplannen voor de deelnemers met uitwerking van de doelstelling van fase | - vaststellen van optimale vorm en materiaalkeuze vliegwiel - vaststellen van in Nederland aanwezige bruikbare kennis en ervaring voor een optimaal geacht vliegwiel

4) Een kostenoverzicht van fase I~ waarin opgenomen de eventuele eigen inbreng van de deelnemers.

5) Een globaal werkplan en kostenoverzieht voor de volgende fasen.

Voor vervuiling van deze taak bleek het mogelijk naast het voorstel Theyse mede gebruik te maken van informatie uit de Verenigde Staten, samengebracht in,twee studies en op voorbereidend werk binnen ECN dat verricht was in het kader van het ESC-programma.

De samenstelling van de P.V.G. is de volgende: dr.ir. K.A. Nater

Energie Studie Centrum, voorzitter

ir. M. van Zanten

ECN, secretaris

dr.ir. A.L.M. Bongaarts EZ ir. H.J.G. Bongers

KEMA

drs. J. Bouman

VMF-FDO

ir. F.E.T. Kelling

UCN

ir. J. Lisser

Holec-Hazemeijer

ir. S. Pietersz ± ir. F.H. Theyse

LSEO-staf

~Theyse Energieberatung

ECN

-9-

Tijdens de werkzaamheden van de con~nissie hebben een aantal publieaties het licht gezien omtrent een nationaal programma voor energie-onderzoek, te weten het tweede interim rapport van de LSEO en mob.t, het LSEO-rapport de nota van de Raad van Advies voor het Wetenschapsbeleid (RAWB) en het rapport van de Interdepartementale werkgroep Energie. Tevens hebben de Ministers van Economische Zaken en voor het We~enschapsbeleid hun gezamenlijk standpnnt met betrekking tot de prioriteitstelling binnen dit programma en de financiering van het programma bekend gemaakt.

Zowel LSEO 111, ~21RAWB 131 als de Interdepartementale werkgroep ~4[ komen tot aanbevelingen omtrent onderzoek, ontwikkeling en demonstratie van energie-opslagsystemen. De betrokken ministers hebben aangekondigd boven de bestaande inspanning aan energie-onderzoek in de komende 5 jaar nog f ||5 miljoen ter beschikking te stellen, waarvan Y 25 miljoen voor conversie, transport en opslag.

Finaneiering van een eerste fase van het in dit rapport voorgestelde onderzoekprogra~mm ( f 850.O00)~zou gezien de energie-aspecten bij voorkeur uit laatstgenoemde f 25 miljoen moeten geschieden. Voorgesteld wordt financiering van eventueel volgende kostbaarder fasen vanwege het industriële karakter via een ontwikkelingscrediet te realiseren.

In de volgende hoofdstukken zet de Project Voorbereidings Groep uiteen ¯ in hoeverre ontwikkeling en demonstratie van energie-opslag in vliegwielen gewenst is. De hoofdstukken zijn als zelfstandige eenheden opgezet teneinde de leesbaarheid te bevordereno Hierdoor komen hier en daar doublures voor.

XExclusief bijdragen van de partners

-10-

2. De betekenis van energie-opslag

2.|. Algemene aspecten en doelstellingen van energie-opslag

In het algemeen heeft de vraag naar energie, zowel in de vorm van warmte als in de vorm van elektriciteit, een fluctuerend karakter. Bovendien is het aanbod van sommige energie-bronnen, zoals zonne- en windenergie, niet constant. In gevallen waarbij óf het aanbod óf de vraag variabel is, is het voor een betrouwbare energievoorziening noodzakelijk conversiesystemen te installeren die voldoende capaciteit hebben om aan de piek-vraag te kunnen voldoen. Het gevolg is een hoge en gedeeltelijk slecht renderende kapitaalsinvestering aangezien het systeem een groot deel van de tijd ver onder zijn capaciteit opereerto Dit laatste brengt bovendien veelal een verlaging van het eonversierendement mee, hetgeen kan neerkomen op een niet optimaal gebruik van energiedragers. In principe

kunnen verbruik van energiedragers en kapitaalinvesteringen

beperkt worden door de fluctuaties van de vraag te vereffenen en door met behulp van tussentijdse energie-opslag aan de piekvraag te voldoen.

In de elektriciteitsvoorziening wordt een aanzienlijk gedeelte van het gelnstalleerde vermogen alleen tijdens de piekuren gebruikt. Opslag betekent hier dat met mindergelnstalleerd vermogen kan worden volstaan en voorts dat het beschikbare vermogen beter kan worden benut° Dit laatste kan betekenen dat minder brandstof wordt verbruikt, mits het overall rendement van het opslagsysteem hoog is (zie 2.3.). Voorts kan door het gebruik van opslagsystemen in plaats van gasturbines voor elektriciteitsopwekking tijdens de piekuren een substitutie van brandstoffen plaats vinden.

Schaarse bronnen zoals olie en gas kunnen gedeeltelijk worden vervangen door bronnen die ruimer voor handen zijn zoals uranium en kolen. Deze laatste zijn in het algemeen minder flexibel in hun directe toepassing, maar met behulp van een opslagsysteem kan dit deels worden ondervangen. Ook in dit opzicht kan energie-opslag voordelen bieden.

In de transportsector is een aanzienlijke brandstofbesparing te realiseren door middel van hybride toepassingen. Hierbij wordt de verbrandingsmotor uitgerust met een energie-opslagsysteem, dat gebruikt wordt voor het opslaan van remenergie en het leveren van piekvermogens bij accelereren. Naast een rendementsverhoging van het systeem kunnen als voordelen worden genoemd dat met een kleinere verbrandingsmotor kan worden volstaan en minder milieu-hinder optreedt (minder uitlaatgassen en minder lawaai).

In gevallen waarbij de afvalwarmte van conversie-processen voor secundaire toepassingen gebruikt wordt, kan energie-opslag ook een belangr¤jke energiebesparende rol spelen. De economie van het systeem is immers veelal afhankelijk van de mogelijkheid het aanbod op de vraag af te stemmen door middel van opslag. Wanneer afvalwarmte moet worden opgeslagen om nuttig te kunnen worden gebruikt, levert het opslagsysteem de energie-besparing. Een dergelijk systeem is economisch aantrekkelijk wanneer de opbrengst van de bespaarde energie groter is dan de kapitaalslast, onderhoud en operatiekosten van het opslagsysteem. De opgeslagen energie kan als gratis worden beschouwd, wanneer zij anders verloren zou zijn gegaan.

De toepassingsmo~elijkheden van ener~ie-opslag zijn niet beperkt tot de elektriciteitsbedrijven, transport en industrie. Opslag van elektriciteit, mechanische energie of warmte (ook bijvoorbeeld uit zonne-energie) ter plaatse van het eindgebruik, zoals i~ woningen en gebouwen, behoort eveneens tot de mogelijkheden.

uit deze summiere opsomming van de toepassingsmogelijkheden van opslagsystemen volgen de voornaamste beweegredenen om energie-opslag toe te passen: a. een vermindering van het primaire ener~ieverbruik b. een besparing op kapitaalsinvesteringen c. vermindering van milieuproblemen d. een vervanging van schaarse bronnen door ruimer aanwezige bronnen e. een betere regelbaarheid van het bediende systeem

-12-

2.2. Mogelijke toepassingsgebieden voor energieopslag in Nederland en daarvoor in aanmerking komende systemen

Voor een aantal toepassingsgebieden zouden bepaalde opslagsystemen belangrijke voordelen op kunnen leveren bij grootscheepse toepassing. De volgende indeling is gekozen teneinde te illustreren dat de waarde van een zeer algemene beschouwing van alle mogelijkheden van energie-opslag beperkt is:

Toepassingsgebied

In principe in aanmerking komende opslagsystemen~

a) elektriciteitsvoorziening

- gec0mprimeerde lucht supergeleidende magneten~ eenheden met grote opslagpumped storage capaciteit thermische opslag

i ~-vlieg~ielen waterstof ] I

b) transportsector

per eenheid kleine opslagcapaciteit met de mogelijkheid tot modulaire uitbouw

-- aceuWs - vliegwielen - waterstof uit a

c) proceswarmte en ruimteverwarmingi - thermische opslag

In de sector elektriciteitsvoorziening gaat het enerzijds om de economie van een gesloten systeem met weinig beïnvloeding van buitenaf, met of zonder opslag; een opslagsysteem is overzichtelijk en snel in te voeren, indien het technisch voorhanden is. Anderszijds zullen de betekenis en de mogelijkheden van energie-opslag moeten worden geanalyseerd met betrekking tot toepassingen voor kernenergie, windenergie, zonne-energie, warmte/kraehtopwekking en total energysystemen. De mogelijke aansluitingen met reeds lopende onderzoekprogramma’s en toekomstige ontwikkelingen op bovengenoemde gebieden zullen moeten worden bezien. ~Zie Bijlage I en Iii voor kostenkarakteristieken en Bijlage IV voor specifieke technische karakteristieken van opslagsystemen.

-13-

Het aandeel van de sector elektriciteitsvoorziening bedraagt 20% van het totale nationale primaire energieverbruik; voor de transportsector is dit aandeel |1,5%. De beschouwingen over toepas~ingsmogelijkheden en wenselijkheid van energie-opslag zullen in dit rapport beperkt blijven tot deze sectoren.

De opslagsystemen die voor de transportseetor zijn genoemd, komen alle drie tevens in aanmerking voor de sector elektriciteitsvoorziening. Waterstof als opslagmedium voor elektriciteit (via electrolyse van water) zou een mogelijk substituut voor de gangbare vloeibare motorbrandstoffen kunnen zijn. Vliegwielen en accu’s kunnen een besparing op het gebruik van motorbrandstof leveren van tientallen procenten (15[, ~II, ~21). Dit komt overeen met een besparing op primair energieverbruik van 2,5 à 5%, d.w.z, bij het huidige nederlandse energieverbruik 20 x |015 Joules à 40 x 1015 Joules per jaar. Van bijzonder belang is dat deze besparing tot uiting komt in een vermindering van het primair olieverbruik, met als gevolg minder afhankelijkheid van de politieke factoren, die de import van olie kunnen bepalen. Bij stijgende olieprijzen kan deze energiebesparing snel een economische besparing worden. Evident in deze sector zijn ook milieufactoren (vermindering van uitlaatgassen en lawaai) hetgeen vooral van belang is bij stadsverkeer. Op dit terrein wordt in opdracht van de overheid reeds een aantal facetten onderzocht door de nederlandse industrie. Volgens de PVG sluiten de mogelijkheden van hybride toepassingen van energie-opslag hierbij goed aan.

De eerste fase van de ontwikkeling van opslagsystemen voor de transportsector moet volgens de PVG gelijk lopen met de ontwikkeling van een stationair systeem. Wanneer het verloop gunstig is, dient de ontwikkeling van deze opslagsystemen voor de transportsector autonoom te worden opgezet dan wel voortgezet. Dit vormt het belangrijkste argument voor een sterke beperking van de volgende beschouwingen tot de sector elektriciteito Hoewel in deze laatste sector het energiebesparingsaspect vooralsnog een minder beduidende rol speelt, is de structuur van het toepassingsgebied meer geschikt voor een introductie tot de ontwikkeling van de betrokken opslagsystemen.

-14-

Het onderzoek zal echter resultaten opleveren die direct bruikbaar zijn voor de ontwikkeling van mobiele systemen met groot energiebesparingseffect. Overigens dient er hier reeds op te worden gewezen dat energie-aspecten niet de enige criteria kunnen en mogen zijn voor ontwikkeling van opslagsystemen in ons land. Ook aanwezige wetenschappelijke en technische competenties, milieu-aspecten en industriële ontwikkeling, met inbegrip van exportkansen en werkgelegenheid spelen hierin een rol. In het volgende zal achtereenvolgens worden gerapporteerd over een amerikaanse studie met betrekking tot energie-opslag in de elektriciteitsvoorziening, de interpretatie van de amerikaanse resultaten, en de conclusies die daaruit zijn getrokken ten aanzien van benodigd onderzoek en ontwikkeling aan energie-opslagsystemen in Nederland.

2.3° Economische beschouwingen over opslagsystemen in de elektriciteitsvoorziening

2.3.|. Algemeen

Elektriciteitsbedrijven vormen een potentieel grote markt voor opslagsystemeno De redenen waarom elektriciteitsproducenten geïnteresseerd zijn in opslagsystemen kunnen in drie categorieën worden ingedeeld: economie, milieu en betrouwbaarheid van levering. Door toepassing van elektriciteitsopslag kunnen de investeringskosten voor toekomstige capaciteitsuitbreidingen beperkt worden en bovendien het opwekkingsrendement hoger zijn. Mogelijk kan dus goedkoper elektriciteit geproduceerd en energie bespaard worden. Verscheidene opslagsystemen die thans bestudeerd worden, zouden een verlaging van milieu-belasting ten gevolge kunnen hebben in vergelijking tot primaire produktie-systemen, die thans gebruikelijk zijn. De verhoging van de betrouwbaarheid van levering door toepassing van opslagsystemen is gelegen in de vermindering van belastingsvariaties waardoor opwekeenheden minder vaak voor onderhoudsdoeleinden uit bedrijf genomen dienen te worden, en voorts in een verbetering van de netkwaliteit.

-15-

2.3.2. De EPRl-studie

In opdracht van ERDA en EPRI werd door Public Service Electric and Gas Company (Newark, New Jersey) een uitvoerige vergelijkende studie gemaakt van opslagsystemen ~8~. De beschouwde systemen zijn: - wateropslag (pumped storage) - gecomprimeerde lucht - thermische opslag door middel van stoom - thermische opslag door middel van olie - batterijen van loodaccu’s - batterijen van geavanceerde accu’s - vliegwielen - opslag van waterstof - supergeleidende magneten

Toepassing van deze systemen werd alleen ten behoeve van de elektriciteitsopwekking beschouwd. Op basis van een statistische analyse werden een aantal representatieve amerikaanse elektriciteitscentrales geselecteerd. De beschikbaarheid van off-peak energie werd bepaald alsmede de distributie van deze energie over een dagelijkse, een wekelijkse en een seizoencycluso Op deze basis werd de inzetbaarheid van bovenstaande kandidaat-opslagsystemen bepaald. Voorts werden de opslagtechnologieën, de stand van zaken van de technologieën en hierop gebaseerd de termijn, waarop de opslagsystemen beschikbaar zouden kunnen zijn, bepaald. Belangrijk in dit geheel is de verwachte economisch optimale systeemgrootte van de opslagsystemen die eveneens werd bepaald. Bij sommige systemen wordt de economisch optimale systeemgrootte hoofdzakelijk bepaald door de vermogens-(MW-) afhankelijke componenteno Bij andere systemen zoals accu’s en vliegwielen wordt deze systeemgrootte bepaald door de capaciteits-(MWh-) afhankelijke componenten. Zo hebben "pumped storage" en gecomprimeerde lucht een economische systeemgrootte in het gebied van 200-2000 MW; batterijen en vliegwielen in het gebied van 10-50 MWh en supergeleidende magneten in de orde van 10000 MWh. In bijlage I is een samenvatting van de EPRI-studie gegeven. De belangrijkste conclusies van deze amerikaanse studie worden hier weergegeven.

~Voor de definitie van het begrip "economisch optimale systeemgrootte", zie pag. 105.

-16-

- Met een opslagrendement van 75% kan door opslagsystemen in weekcyclus ongeveer 5% van de jaarlijkse elektriciteitsbehoefte in de V.S. geleverd worden.

- Gebaseerd op een dagcyclus en een opslagrendement van 75% is dit percentage 3% van de jaarlijkse elektriciteitsbehoefte. Het vermogen van de opslagsystemen bedraagt dan ongeveer 12% van het totaal gelnstalleerd vermogen.

- Verpompte wateropslag (ondergronds), gecomprimeerde lucht en thermische opslag, gelntegreerd met een elektriciteitscentrale zijn nu realiseerbaar en economisch aantrekkelijk voor belasting volgend bedrijf en intermediair bedrijf

- In de toekomst kunnen geavanceerde accu’s aantrekkelijk worden, voor dezelfde toepassingsgebieden.

- Vliegwielsystemen zijn in het algemeen gesproken te duur voor deze toepassingsgebieden, met uitzondering van speciale toepassingen, waarbij een hoog vermogen en een kleine opslagcapaciteit wordt gevraagd.

2.3.3. De nederlandse situatie: visie op toepassing, optimale opslagcapaciteit en kosten per KWh

In bijlage II worden de toepassingsmogelijkheden van een opslagsysteem in Nederland beschreven. Voor het bepalen van de invloed van een opslagsysteem op het vereiste thermische produktievermogen en op het rendement van de produktie blijkt het zinvol onderscheid te maken tussen: a. Afvlakking van de morgen- en avondpiek t.o0v, het middagdal (piekscheren)~ b. Afvlakking van de dagpieken t.o.v, het nachtdal c. Volledige afvlakking van het weekpatroon In het geval b zou een verbetering van het opwekrendement van I à 1,5% gerealiseerd kunnen worden. Dit komt overeen met 0,2 à 0,3% van het totale nationale primair brandstofverbruiko Gebaseerd op getallen van 1975 ~71 zou dit een bespa~ing van 1,565 x |015 Joules à 2,348 x 1015 Joules inhouden. ~Deze toepassing is door EPRI niet bestudeerd.

-17-

Hiertegenover staan echter verliezen in het opslagsysteem die nader zullen moeten worden bepaald. Voorts wordt in bijlage II iets gezegd over de plaatsing van een opslagsysteem op verschillende punten in het net. Afhankelijk hiervan zal geverifieerd moeten worden in hoeverre een verbetering van de netkwaliteit kan worden verkregen en in welke mate economische besparingen in centrale-, transport- en distributienetwerkcapaciteit met inherente energiebesparing verkregen kunnen worden. Het zal duidelijk zijn dat de economisch optimale capaciteit van een opslagsysteem het gebied van de toepassingen zal bepalen. Grote opslagcapaciteiten zijn het best bij de centrale te installeren; zeer grote opslagcapaciteiten (>1000 MWh)in Nederland waarschijnlijk bij het koppelnet. Kleinere opslagcapaciteiten hebben het voordeel dat zij zowel centraal als decentraal kunnen worden geplaatst. De investering ineens is kleiner, de flexibiliteit in de toepassing groter. Een geleidelijke uitbouw van het opslags~steem is mogelijk.

Systemen met kleine opslagcapaciteit lenen zich goed voor "piekscheren", het afvlakken van meerdere pieken en het opvullen van dalen kleiner dan de dag/nacht cyclus. Dit piekscheren wordt in de EPRl-studie niet beschouwd. Het geheel of grotendeels afvlakken van de belastingscurve van een elektricïteítsvoorzieningssysteem wordt terecht gezien als een ideaal. Energie-opslagsystemen zouden hiertoe bij uitstek kunnen bijdragen. In beschouwingen over opslagsystemen wordt daarom ook aandacht besteed aan opslag in een dagcyclus of zelfs een weekcyclus. Daarvan uitgaande kan weliswaar een conclusie worden getrokken over het al of niet toepasbaar zijn van een opslagsysteem onder bepaalde aannamen voor diverse kostenfactoren, maar er ontstaat geen inzicht in de mogelijke toepasbaarheid onder andere dan de aangenomen omstandigheden. De betekenis van energie-opslag voor stationaire toepassingen neemt toe naarmate de verhouding tussen het voor piek-opvang ge~nstalleerd vermogen en de hierdoor geleverde energie toeneemt. Rabenhorst ~91 noemt voorbeelden van plaatsen in de V.S. waar 25% van het gelnstalleerd vermogen op jaarbasis slechts 4% van de totale energie levert. Ook voor ons land zal de besparing op piekvermogen en de verbetering van de netkwaliteit de inzet van opslagsystemen met kortere cyclusduur aantrekkelijk kunnen maken.

-18-

In het volgende zal daarom eerst worden aangegeven dat de toepassing bij kortere cyclusduur gunstige voorwaarden voor de introductie van opslagsystemen schept, waarna aan de hand van de EPRI-gegevens een vergelijking van de betrokken opslagsystemen voor deze toepassing zal worden uitgevoerd.

Kosten-batenanalyse en optimale opslagcapaciteit

In een voor de PVG uitgevoerde studie over de grondslag van de economische beschouwing van vliegwielen en andere energie-opslagsystemen ~]01 wordt een aanzet gegeven tot een kosten-baten analyse. De potentiële betekenis van opslagsystemen (vliegwielen en batterijen) voor brandstofbesparing in de vervoerssector is alom erkend en is hier dan ook niet in het geding. De beschouwing beperkt zich dan ook tot het toepassen van opslagsystemen in de elektriciteitsvoorziening, en wel de mate van mogelijk afvlakken van de dagbelastingscurve van een centrale of van de curve van de totale belasting in Nederland. In deze berekeningen worden de kosten van opslag vergeleken met de investeringsbesparing die voortvloeit uit een verlaging van het te installeren vermogen. Hierbij wordt nog geen rekening gehouden met een eventuele besparing op primaire brandstoffen ten gevolge van een betere benutting van aanwezige opwekcapaciteito Typerend voor het systeem is dat een grotere afvlakking niet automatisch tot een grotere besparing leidt. Bij het afvlakken van een kleine piek zullen eerst de netto baten stijgen tot een optimum wordt bereikt waarbij deze netto baten maximaal zijn. Bij verdere afvlakking zal de toename van de kosten die van de baten overschrijden zodat vanaf een bepaalde opslagcapaciteit de netto besparingen negatief worden. Het resultaat van de berekeningen geeft aan dat met het kostenniveau van de thans beschikbare opslagsystemen toch reeds een besparing kan worden gerealiseerd. De optimale tijdsduur van de af te scheren pieken is te berekenen en hieruit is dan het vermogen en de capaciteit van het opslagsysteem te bepalen. Voor deze eerste benadering vindt men opslagcapaciteiten in het gebied van ]0-25 MWh, overeenkomend met een vermogen van 40-]00 MW. Dit komt overeen met 4 à ]0% van het vermogen van een centrale van ]000 MW. De orde van grootte van deze opslagcapaciteiten blijkt goed overeen te stemmen met de op pag. 23 genoemde economisch optimale systeemgrootte van batterijen en vliegwielen.

-19-

In de bedoelde studie ~1()~ wordt voorts de invloed van het rendement genoemd. Een energiebesparing kan voortvloeien uit de rendementsverbetering die het gevolg is van het afscheren van de piek. Daar staat tegenover dat verliezen kunnen optreden als het rendement van het opslagsysteem belangrijk kleiner is dan I. Verdergaande berekeningen zijn gebaseerd op een rendementsverbetering van ! respectievelijk 2% bij een opslagcapaciteit van 10%. Hierbij is verondersteld dat de rendementsverbetering lineair oploopt met de grootte van het opslagsysteem. Dan geldt dat het rendement van het opslagsysteem in het eerste geval groter dan 79% en in het tweede geval groter dan 65% moet zijn opdat brandstofbesparing kan worden bereikt. Voor zover dit thans te overzien is, zal dit met name voor vliegwielsystemen het geval zijn mits de opslagduur beperkt is.

Vervolgens worden in de studie 1101 nog een aantal mogelijke baten opgesomd die op dit moment nog nauwelijks te kwantificeren zijn, zoals het beter volgen van snelle belastingswisselingen, een positief effect op de levensduur van de centrale, netstabilisatie, spanningsregeling, energie-absorptie bij storingen en pendelreductie. De conclusie van het artikel wordt hier overgenomen: "Het is niet realistisch de economische merites van opslagsystemen in het algemeen te beoordelen op basis van de zeer hoge kosten bij totale afvlakking van de dagbelastingscurve. Enerzijds treedt bij een veel geringere afvlakking een kostenoptimum op, terwijl anderzijds, uit het oogpunt van brandstofbesparing, het aanbeveling kan verdienen op een gegeven moment de extra kosten verbonden aan een situatie met grotere energie-opslag te aanvaarden. In dit laatste geval is een hoog opslagrendement vereist. Ten gevolge van prijsontwikkelingen zal het kostenoptimum kunnen verschuiven naar grotere opslagsystemen. Het hier gepresenteerde kostenmodel leert, dat een opslagsysteem als het wordt ingevoerd in het produktiesysteem van elektrisehe energie, een soort omgekeerde "economy of scale" vertoont: onder de huidige omstandigheden zijn kleine systemen voordeliger dan grote, en het is dus mogelijk met een bescheiden opslagsysteem de basis te leggen voor verdere technologische ontwikkelingen".

-20-

Op basis van het voorgaande kan worden geconcludeerd dat op korte en middellange termijn bij stationaire toepassing eenheden met kleine opslagcapaciteit in Nederland voordelen hebben boven eenheden met grote opslagcapaciteit. In aanmerking hiervoor komen geavanceerde accu’s en vliegwielen. Op langere termijn is het mogelijk dat stijgende brandstofkosten een grotere opslagcapaciteit aantrekkelijk maken. Hiervoor kan dan ook gedacht worden aan andere opslagsystemen. Deze komen echter niet in aanmerking voor algemene toepassing in ons land wegens hun gebondenheid aan geografische of geologische omstandigheden die slechts lokaal voorkomen (pompopslag, gecomprimeerde lucht of stoom) of omdat zij vooreerst nog niet beschikbaar zijn (supergeleidende magneten). Wel moet erop worden gewezen dat wanneer de economische eenheidsgrootte van die systemen zeer omvangrijk is de integratie in het net een probleem kan zijn.

Het is ook mogelijk, indien de kosten van accu’s en vliegwielen omlaag gebracht worde~om een grotere opslagcapaciteit met deze systemen te realiseren. Zowel accu- als vliegwielsystemen

zijn in kleine stappen op te bouwen.

Voorts kunnen technologische verbeteringen nog gemakkelijk in een schaalvergroting worden opgenomen. In dit laatste geval kan er bij vliegwielen wegens het hoge opslagrendement sprake zijn van energiebesparing.

-21-

Vergelijking van de kosten van I kWh uit opslag bij piekscheren In het EPRI-rapport worden de investeringskosten opgesplitst in een opslaggedeelte Cs, uitgedrukt in $ per kWh te leveren energie en een produktiegedeelte Cp, uitgedrukt in $ per KW opgesteld vermogen.~ De bedragen zijn voor apparatuur inclusief installeringskosten met een toeslag voor onvoorzien, maar zijn exclusief eventuele rentekosten tijdens constructie. Eventuele bedrijfs- en onderhoudskosten zijn niet opgenomen. Een overzicht van de investeringskosten omgerekend naar guldens met 15 = f 2,50, alsmede van de in het rapport berekende technische karakteristieken zoals toepassingstermijn, meest economische opslagcapaciteit, levensduur, cyclusrendement en bouwtijd zijn verzameld in tabel 2.|. Met behulp van de gegevens in deze tabel is een kostenvergelijking uitgevoerd voor opslagsystemen in het toepassingsgebied dat niet in de EPRI-studie is beschouwd, n.l. het piekscheren.

In de tabel is te zien dat voor een viertal opslagsystemen de meest economische opslagcapaciteit ligt in het gebied 10-50 MWh (resp. MW). Deze systemen zijn: loodbatterijen, geavanceerde batterijen, vliegwielen en waterstof. Opslagsystemen met een dergelijke capaciteit zijn het meest geschikt voor: a. Het afvlakken van meerdere "kleine" belastingpieken per etmaal. Het opslagsysteem is centraal opgesteld. b. Decentrale opstelling bijv. bij een onderstation of distributiestation. Naarmate het opslagsysteem verder van de centrale af en dichter bij de verbruikers aan het net gekoppeld wordt, zal de frequentie van de belastingpieken toenemen. De hier uitgevoerde kostenvergelijking zal alleen geval a. betreffen, omdat voor geval b geheel andere besparingsfactoren een - overigens ook zeer belangrijke - rol spelen, met name in transport en distributie. Verondersteld worden meerdere pieken per etmaal. De pieken worden sinusvormig aangenomen met een amplitude van 100 MW en een cyclusduur van 2 uur (zie figuur 2.1.). Voor een variabel aantal pieken n (n = |; 2; 3; 4; 5; 6) per etmaal worden nu bepaald de kosten van | kWh geleverd door het opslagsysteem. Dat gebeurt op basis van de amerikaanse investeringskosten uit tabel 2.1. en de kosten van toegevoerde energie (Voor de berekening zie bijlage III).

~dollars 1975

-22-

De resultaten zijn verzameld in figuur ~~ In deze figuur zijn vertiFcenten ~ caal de kosten Ko in L ~ ~ uitgezet geleverd door het opslagsysteem en horizontaal het aantal pieken en dalen per etmaal.

Samenvattend kan het volgende worden geconcludeerd: Uit figuur2~volgt dat vliegwielen gemiddeld iets goedkoper zijn dan loodbatterijen en iets duurder dan geavanceerde batterijen. De gebieden raken e.q. overlappen elkaar. De gebruikte gegevens zijn uiteraard in verschillende mate gebaseerd op werkelijke ervaring. Ze zijn dan ook moeilijk vergelijkbaar en men moet dan ook voorzichtig zijn met het trekken vsn vèrgaande conclusies. Ook zijn nog verschuivingen van de curves denkhaar t.g.v, verdere ontwikkeling van prijzen en technische prestaties. Op basis van in Nederland reeds opgedane kennis en ervaring is bijv. een cyclusrendement voor vliegwielen van meer dan 90% mogelijk bij kortere opslagtijden. Als de kostenberekeningen voor vliegwielen met dit ~etal worden uitgevoerd, dan blijken de kostenranges voor vliegwielen en die van geavanceerde batterijen elkaar te overlappen. Een andere opmerking die van belang is ten aanzien van het hanteren van de berekende cijfers is, dat de kosten per kWh wel gehanteerd kunnen worden ter vergelijking van systemen onder overigens geheel identieke omstandigheden, maar niets zeggen over de economische aantrekkelijkheid van het systeem als zodanig. Dit laatste blijkt wel uit de op pagina 18~e.v. gegeven kosten-batenanalyse waarin overigens relatief hoge investeringskosten voor een vliegwielsysteem zijn gehanteerd op basis van thans te realiseren technologie. In figuur2.~is hiervoor een EPRI-schattlng gebruikt, gebaseerd op in 1985 te verwaehten investeringskosten voor vliegwielsystemen, die reeds aanzienlijk gunstiger uitkomt. In de Rockwell-studie ~111 wordt nog sterker rekening gehouden met in de toekomst te bereiken verlagingen van de investeringskosten voor vliegwielen, in tegenstelling tot die van andere opslagsystemen. Dit leidt tot de conclusie dat geavanceerde vliegwielen en geavanceerde aceu’s moeten worden beschouwd voor toepassíng in de betrokken sectoren.

Tabel 2,1.

Volgens EPRlLrapport te verwachten kostenkarakteristieken van energie-opslagsystemen 18[

Termijn

Huidig

Vóór 1985

Opslagsysteem

Investeringskosten ($uldens af~eleid van dollars 1975) G (f/kW) p

20-25

11,33

60

3-12

75-175

25-30

10,78

65-75

5-12

375- 625

63- 75

25-30

10,78

65=75

5=12

175- 200

5-10" 10-20

19,6 13,1

60-75

2- 3

70-80

2- 3

20-25

~i,33

70-85

2- 3

10-25

12,3

40-50

2- 3

20-30

I1,0

70-85

8-12

50- 200 MW

375- 625

50- 200

5- 30

50 PB~h

150- 175

165-275 50-150

10- 50 MWh

165- 190

250-750

Waterstof

20- 50 MW

1250-2150

Supergeleidende magneten

> 10000 MWh

1985-2000

20-

CyclusBouwtijd rendement % jaren

8-12

250- 530

50 F~qh

%

70-75

Gecomprimeerde 200-2000 MW lucht

20-

jaren

10,09

225- 400

/stoom Thermisch

C (f/kWh) s

50

200-2000 ~q

Pumped Storage

Batterije~l°°d ~eavanc

Na 2000

Economisch optim~ le systeemgroot~ (MW of MWh)

125- 150

~Zie 2.3.2. voor het begrip economisch optimale systeemgrootte

75-350

-24-

10000

9000

8000

7000

t=2h

6 000

5 000

~ 000

3000

2 000

1000

2

~,

6

8

10 |2 1,~ 16 18 20 22 2,~ h

Figuur 2.LCurve met de hoogste dagbelasting van het landelijke elektriciteitsnet in ]975 (enigszins gestileerd)°

-25-

’WATERSTOF

gEAVANCEEP~E ACCU’S

AANTAL PIEKEN EN DALEN PER ETMAAL Figuur ~~Kostengegevens voor opslagcapaciteiten van 20-50 berekend op basis van gegevens uit EPRl-studie ~8~

-26-

2.3.4. Vergelijking van vliegwielen met accu’s

Uit het voorgaande is gebleken dat voor de nederlandse omstandigheden geavanceerde accu’s en vliegwielen zowel voor toepassing in de transportsector als voor toepassing in de elektriciteitsvoorziening het eerst in aanmerking zullen komen. Alvorens te besluiten tot de wenselijkheid van onderzoek en ontwikkeling met betrekking tot beide systemen, is

het nuttig na te gaan hoe de specifieke

eigenschappen ervan zich ten opzichte van elkaar verhouden. De voordelen van vliegwielen ten opzichte van accu’s komen tot uiting in de volgende gebieden, uitgewerkt in hoofdstuk 3: - hoger cyclusrendement (van klem tot klem) bij korte opslagtijden - grotere ontlaaddiepte - grotere laad- en ontlaadsnelheid - langere levensduur - geringere volumebehoefte - minder onderhoud - bedrijf onafhankelijk van de omgevingstemperatuur - milieu-vriendelijk - groter aantal gebruikscycli

De nadelen van vliegwielen t.o.v, accu’s zijn: - hogere eisen ten aanzien van veiligheid - beperkingen ten aanzien van lange opslagtijden

Op basis van het bovenstaandeblijken vliegwielen een aantal voordelen t.o.v, accu’s te hebben. Ten aanzien van de nadelen kan worden gesteld, dat met name gebaseerd op nederlandse kennis en ervaring, een en ander snel en efficiënt kan worden opgelost. Het is opmerkelijk, dat wereldwijd vele malen meer geld wordt uitgegeven aan onderzoek en ontwikkeling met betrekking tot elektrochemische opslag dan aan vliegwielonderzoek. Dit is naar de mening van de PVG te verklaren uit het verschil in karakter van beide onderzoekterreinen. Accu’s vormen sinds lang een min of meer eigen "discipline" waarin vooruitgang is geboekt met het systeem als geheel en een redelijk zicht bestaat op de nog op te lossen problemen. Vliegwielen vormen daarentegen een onderwerp dat diverse technologieën omvat, waarin juist in de laatste tientallen jaren een grote vooruitgang is geboekt.

-27-

De combinatie van bestaande geavanceerde ontwikkelingen op het gebied van materialen, lagering, vacuüm en elektrische apparatuur geeft theoretisch en praktisch reeds resultaten, die te gemakkelijk als ongeloofwaardig worden afgeschilderd.

2.4. Conclusies

De meest toegankelijke toepassingsgebieden voor energie-opslag in Nederland op korte en middellange termijn vormen de sectoren elektriciteit en transport. De betekenis voor de elektriciteitsvoorziening komt tot uiting in een vermindering van het opgestelde vermogen, een mogelijke substitutie van energiegrondstoffen en voorts een verbetering van de betrouwbaarheid van levering. De betekenis voor de transportsector komt tot uiting in een besparing op primaire brandstoffen, een vermindering van het motorvermogen en een schoner milieu. In beide sectoren spelen geavanceerde accu’s en vliegwielen een rol. Voor de transportsector is dit evident. Voor de elektriciteitssector volgt dit uit beschouwingen die resulteren in de stelling dat onder de huidige omstandigheden kleinere opslagcapaciteiten aantrekkelijker zijn dan grote, terwijl systemen met grote eenheidscapaciteit weinig mogelijkheden in ons land hebben. Bij een vergelijking van geavanceerde accu’s en vliegwielen blijken vliegwielen een aantal voordelen te hebben ten opzichte van accu’s. Op grond van het voorgaande wordt geconcludeerd dat een verificatie van de vliegwieleigenschappen d.m.v, een richtontwerp wenselijk is, bij positief resultaat gevolgd door onderzoek en ontwikkeling, mede gericht op kostenverlaging. In de volgende hoofdstukken zal worden aangegeven wat deze verificatie inhoudt.

-28-

3. Vliegwielsystemen

3.1. Inleiding In het voorgaande is aangegeven dat een beter inzicht moet worden verkregen in de ontwikkelingsmogelijkheden van vliegwielsystemen voor energie-opslag in de sectoren elektriciteitsvoorziening en transport. De negatieve conclusies van de EPRI-studie met betrekking tot de toepassing in de elektriciteitssector zijn gebaseerd op de economie bij toepassing met langere cyclusduur. De hierop in hoofdstuk 2 geleverde kritiek en de eerder bereikte conclusie dat de transportsector grotere mogelijkheden voor energiebesparing inhoudt, vinden ondersteuning in een ander amerikaans rapport, hetgeen aanleiding geeft de toepassingsmogelijkheden van vliegwielen in het kort afzonderlijk te belichten. Omdat een beoordeling hiervan dient te berusten op bekendheid met de reeds beschikbare technologie en de elders gevolgde ontwikkelingslijnen, wordt vervolgens ingegaan op de eigenschappen en reeds lopend onderzoek. Tenslotte is aangegeven waarom onderzoek op dit gebied in ons land mogelijk en wenselijk is en hoe daarmee een aanvang kan worden gemaakt.

3.2. Toepassingsgebieden

In opdracht van ERDA werd in ]975 door Rockwell International Space Division een studie uitgevoerd getiteld "Economic and Technical Feasibility Study for Energy Storage Flywheels" I]11. In deze studie wordt gesproken over meer dan 200 toepassingen. De nadruk ligt echter op toepassingsgebieden in de transportsector en in de elektriciteitsvoorziening vanwege de reëel aanwezige mogelijkheden tot besparing op primaire brandstoffen (voornamelijk olie) en besparingen op de investeringskosten van energie-omzettingen.

a. Toepassingen in de transportsector Hierbij wordt in hoofdzaak gedacht aan beperking van systeemverliezen door de invloed van veranderingen in de processnelheid te verminderen. Dit geldt met name voor motorvoertuigen. Het brandstofverbruik van de verschillende categorieën transportvoertuigen wordt voor een zeer groot gedeelte bepaald door de eisen, die het maximaal te installeren motorvermogen definiëren.

-29-

Bij personenwagens, bussen en ook andere voertuigen wordt het motorvermogen hoofdzakelijk bepaald door het vermogen nodig voor snel optrekken. Het aantal land- en watervoertuigen dat werd beschouwd in verband met mogelijke vliegwieltoepassingen, werd in de Rockwell-studie bewust beperkt op grond van twee belangrijke overwegingen. Ten eerste werden alleen die voertuigen beschouwd, waarbij mogelijkheden aanwezig zijn tot besparing op primaire brandstoffen. Ten tweede werd aangenomen dat de beschouwde vliegwieltoepassingen in stadsbussen en bestelauto’s ook geschikt zijn voor andere voertuigtypen met ongeveer gelijke karakteristieken. Besehouwd werden vliegwielsystemen die volledig de verbrandingsmotor kunnen vervangen en systemen die toegevoegd worden aan de verbrandingsmotor teneinde het rendement te verhogen. Bij deze laatste groep wordt gesproken van hybride toepassingen. De voertuigen zijn uitgerust met een klassieke verbrandingsmotor en een klein vliegwiel met een opslagcapaciteit tussen 0,5 en 2 kWh. Het vliegwiel wordt dan gebruikt voor het leveren van piekvermogens en eventueel voor de opslag van energie die anders bij het afremmen verloren gaat (zgn. regeneratief remmen). Op deze wijze kan men de verbrandingsmotor onder optimale condities laten werken. Op basis van studies is de verwachting gegrond, dat door recuperatief remmen en optrekken het brandstofverbruik met circa 25% kan worden verlaagd (I 5~~ [ll~)- Andere mogelijkheden die worden bestudeerd zijn : o~a. bestelwagens voor stadsverkeer, met grotere vliegwielen (cap. 10 ~ot 30 kWh) en metrotreinstellen die eveneens gebruik maken van recuperatief remmen Uitgaande van bovenstaande overwegingen en gebruik makende van lopend onderzoek op het gebied van vliegwielsystemen en voorts studies over mogelijke besparingen op primaire brandstoffen worden door Rockwell de volgende toepassingen nader onderzocht: - een 1,8 tons stadsbestelauto, aangedreven door een vliegwiel, met een bereik van 60 mijl - een hybride aandrijving voor een 4-persoons auto - een 2-persoons mini-auto, aangedreven door een gecombineerd accuvliegwielsysteem, met een bereik van 50 mijl

-30-

b. Toepassingen in de elektriciteitsvoorzienin~ Door Rockwell zijn een aantal functies beschouwd die een vliegwielsysteem in de elektriciteitsvoorziening kan vervullen; behalve energie-opslag zijn dat netstabilisatie, spanningsregeling, verbetering ~an de werking en de karakteristieken van de opwekapparatuur, energieabsorptie bij storingen en pendelreductie. De opslagfunctie is hierbij de belangrijkste gebleken in verband met de mogelijke besparing op primaire brandstoffen. Vliegwielen bleken het meest geschikt voor dagelijkse opslagtijden in de orde van enige uren. Vliegwielen met een energiedichtheid groter dan 80 Wh/kg zouden dan goedkoper kunnen worden dan gasturbines bij een dergelijke gebruikstijd van enige uren per dag. Tevens wordt door Rockwell geconcludeerd dat vliegwielen een zeer belangrijke toepassing kunnen hebben bij distributie-onderstations. Dit kan aanzienlijke besparingen geven op de kosten van transport en distributie.

c. Andere toepassingen Volgens de Rockwell-studie zijn vliegwieltoepassingen in de industrie en in woningen uit kostenoogpunt voorlopig nog niet rendabel. Opgemerkt moet worden dat in de literatuur nog geen melding wordt gemaakt van de toepassing van opslagsystemen in combinatie met warmte/ krachtopwekking. Indien men opwekkingseenheden dicht bij de verbruiker plaatst, kunnen transportverliezen gereduceerd worden en door combinatie met stadsverwarming is het dan mogelijk de energieverliezen aanmerkelijk te beperken. De afstemming van de produktie van elektriciteit en warmte op de wisselende behoefte daaraan vormt een knelpunt. Met name het terugvoeden van overcapaciteit elektriciteit naar het net is niet aantrekkelijk; opslag van elektriciteit zou een goed alternatief kunnen zijn. Een voordeel is ook dat variaties in het elektriciteitsverbruik door de aanwezigheid van een buffer goed kunnen worden opgevangen. Hiermee wordt regeltechnisch gezien een verbetering van de werking van de opwekkingseenheid bereikt. Bovendien kan de installatie eenvoudiger worden uitgevoerd. Gezien het karakter van de opslag ligt hier mogelijk een belangrijke toepassing voor vliegwielen, die nader bestudeerd moet worden.

-31-

Vliegwielen worden ook van belang geacht in systemen met een sterk wisselende energieproduktie, zoals windmolens of zonne-energiesystemen. In het voorstel voor de 2e fase van het Nationaal Programma Windenergie wordt het wenselijk geacht aandacht te besteden aan het opslagsysteem. In hoeverre vliegwielen hiervoor in aanmerking zouden kunnen komen, moet eveneens nader worden onderzocht.

3.3. Eigenschappen van vliegwielen

Energie-opslag in de vorm van kinetische energie van een roterende massa is reeds in gebruik sinds het begin van de industriële revolutie. De technologische vorderingen op het gebied van roterende systemen, materialen met hoge treksterkte, lager- en hoogvacuümtechniek, vooral gedurende de laatste dertig jaar, houden beloften in voor langere opslagtijden en grotere opslagcapaciteiten. De toepassing van moderne elektrische systemen zal bijdragen aan het bereiken van hoge rendementen. De integratie van deze technologische vorderingen in een geavanceerd vliegwielsysteem is nog niet serieus ter hand genomen.

De specifieke eigenschappen van vliegwielen komen tot uiting in: - Hoge laad- en ontlaadsnelheid. Deze wordt in hoofdzaak bepaald door het vermogen van de motor-generator. De eigenschap van vliegwielen, om gedurende een gegeven tijd een bijzonder hoog vermogen te leveren, betekent dat een elektrisch net door de aanwezigheid van vliegwielen no-break karakteristieken krijgt, terwijl inschakelstoten kunnen worden opgevangen en piekstromen kunnen worden beperkt. De voordelen van dergelijke eigenschappen voor de opwekkingseenheden en het net zijn moeilijk nauwkeurig te kwantificeren, maar worden algemeen van groot belang geacht. Bij toepassing in de vervoerssector is het voordeel van deze eigenschap evident.

- Aantal gebruikscycli en levensduur. Ten opzichte van accu’s bieden vliegwielen hierin voordeleno

De vermoeiingseigenschappen kunnen een beperking

van het aantal gebruikscycli inhouden. In de literatuur ~11~ wordt gesproken over 105 - 2o106 cycli.

-32-

- Ontlaaddiepte. Ligt voor vliegwielen in principe gunstig ten opzichte van concurrerende systemen zoals accu’s. Dit bevordert de flexibiliteit in de bedrijfsvoering.

- Cyclusrendement en opslagtijden. Het cyclusrendement van vliegwielen is hoog bij een korte opslagduur. Bij opslagtijden tot een dag is dit rendement het hoogst van alle opslagsystemen ~|31. Bij langere opslagtijden neemt het rendement echter snel af ten gevolge van wrijvingsverliezen. De verliezen die bij opslag in vliegwielen een rol spelen zijn: a. Conversieverliezen, die ontstaan bij de omzetting van elektrische in mechanische energie en omgekeerd. Het is reeds mogelijk door toepassing van moderne aandrijf- en conversiesystemen deze verliezen zeer laag te houden (| à 2%). b. Wrijvingsverliezen, die zijn opgebouwd uit lagerverliezen en gaswrijvingsverliezen binnen de behuizing. De lagerverliezen zijn afhankelijk van het toegepaste type lager (hydrodynamische, permanentmagnetische of elektromagnetische lagering). Deze verliezen beperken de opslagduur. De ontwikkeling van contactloze elektromagnetische lageringen is van dien aard dat in de toekomst opslagtijden in de orde van enige maanden mogelijk worden geacht ~14[. De gaswrijvingsverliezen worden geminimaliseerd door het vacuüm, waarin de vliegwielen draaien, zo hoog mogelijk te maken. In het geval van een vacuüm van 10-ó torr zijn deze verliezen ten opzichte van de andere te verwaarlozen. De levering van hoog-vacuümapparatuur is in diverse branches reeds gemeengoed.

- Toepasbare opslagcapaciteit. De opslagcapaciteit van een vliegwiel kan sterk uiteenlopen, geheel afhankelijk van de gewenste toepassing. Hieruit volgt dat de ontwikkeling kan gaan in de richting van grote vliegwiel-units, terwijl tevens systemen, opgebouwd uit kleinere vliegwielen, op hun merites zullen moeten worden beoordeeld.

- Veiligheid en milieu. De beveiliging van vliegwielen en omgeving stelt speciale eisen aan de hehuizing en aan grond en gebouwen. Deze problemen zijn goed te overzien en de economische consequenties lijken gering in verhouding tot andere kostenfactoren.

-33-

Vliegwielsystemen kunnen bij kamertemperatuur worden bedreven en zijn milieuvriendelijk doordat de toepassing geen koelwater vergt, geen geluidsoverlast optreedt en geen schadelijke afvoergassen worden geproduceerd.

- Energiedichtheid. De energie-inhoud van een vliegwiel kan worden beschouwd per volume-eenheid en per gewichtseenheid. De energie-inhoud van een vliegwiel per eenheid van volume wordt uitsluitend bepaald door de vorm van het vliegwiel, de toelaatbare materiaalspanning en de constante van Poisson. De invloed van laatstgenoemde constante is echter gezien de kleine variaties te verwaarlozen Il1~, 1131,

De energie-inhoud van een vliegwiel per eenheid van massa wordt bepaald door de vorm en de toelaatbare specifieke sterkte (d.w.z. spanning gedeeld door dichtheid). Zowel het volume als de massa van een vliegwiel zullen beperkingen hebben. De kosten van fabricage en bewerking van een materiaal tot vliegwiel nemen in het algemeen toe met het volume, zodat men veelal zal streven naar minimale afmetingen. De eisen te stellen aan lagering en beveiliging beperken de massa van het vliegwiel. De energiedichtheden van vliegwielen met ideale geometrie liggen voor isotrope materialen in de orde van 100 Wh/kg, voor vezels en composietmaterialen in de orde van 150 à |70 Wh/kg. De praktisch haalbare energiedichtheid voor een materiaal zal echter mede worden bepaald door de mogelijkheden om dit materiaal tot een vliegwiel te verwerken.

De vorm van het vliegwiel, te kiezen met het oog op een hoge energiedichtheid komt tot uiting in een vormfactor K (0 ~ K ~ I), die zo groot mogelijk moet zijn. De (theoretische) vorm met K = ! is een zgn. lavalschijf, waarin de sterkte van het gebruikte materiaal maximaal wordt benut; maar de buitendiameter van de schijf is oneindig groot. In de praktijk moet men genoegen nemen met een gemodificeerde lavalschijf, waarvan K ~ 0,8 - 0,9. Een vorm die op praktische gronden goed tot vliegwiel kan worden verwerkt is een dunwandige cilindrische pijp. Hiervan is K = 0,5. In tegenstelling tot de gemodificeerde lavalschijf, die alleen van isotrope materialen gemaakt kan worden, kunnen cilindrische pijpen zowel uit metaal als uit vezels goed gefabriceerd worden.

-34-

De wisselwerking tussen vormoptimalisatie en verwerkbaarheid van het materiaal tot vliegwiel is van doorslaggevend belango De systeemoptimalisatie zal afhangen van de relatie tussen vorm, energiedichtheid en kosten.

- Kosten van vliegwielen. Uit de bovengenoemde factoren volgt dat naast materiaalkosten ook fabrieagekosten in sterke mate materiaalkeuze en uiteindelijke vormgeving zullen bepalen.

De kosten van lagering, demping, behuizing, aandrijving en conversie enz. komen hier nog bij. In de voor de P.V.G. uitgevoerde studie over de grondslag van een economische beschouwing van vliegwielen en andere opslagsystemen wordt een kosten-batenverhouding bepaald van vliegwielen voor stationaire toepassingen (zie hoofdstuk 2.3.3., pag. 18 e.v.).

Aangetoond wordt dat in geval van investeringskosten van vliegwielen in de orde van f 2000 per kWh een toepassing voor 24-uurs load-leveling onder de huidige omstandigheden economisch niet aantrekkelijk is. Voor kleinere opslagcapaciteiten ontstaat daarentegen een gunstig beeld. Voor een nadere begrenzing van de "plaatsen" in de keren van elektriciteitsproduktie tot consument, waar de toepassing van een energie-opslagsysteem voordelen biedt, is een generalisering nodig. Als eerste stap is een optimalisatie gezocht van de kosten en besparingen ten gevolge van vervanging van elektriciteitsproduktiecapaciteit (c.q. verder in de keten ook capaciteit van transport- en distributieinstallaties) door opslagcapaciteit. Hiermee wordt een algemene aanwijzing gegeven over de toepassingsmogelijkheden. Voor een nauwkeurige evaluatie van de praktische toepassingen van een opslagsysteem, ook ten opzichte van andere systemen, spelen uiteraard verschillende specifieke factoren een rol, waarbij het aantal gebruikscycli per dag en de rendementen in het systeem in het geding komen.

De kostengegevens die in bovenstaand rapport voor vliegwielsystemen worden gebruikt, berusten op een nauwkeurige calculatie van vliegwielen randapparatuur, opgesteld op basis van de huidige technologie. Deze calculatieresultaten werden ontleend aan het rapport "Vliegwielen voor energie-opslag, een korte technische verkenning"; onderzoekvoorstel, budgetten en tijdschema’s, door ir. F.H. Theyse in samenwerking met de industrie opgesteld en aangeboden aan de directies van ECN, UCN en VMF (niet gepubliceerd).

-35-

De in de literatuur gevonden kostenschattingen voor vliegwielen en andere opslagsystemen zijn meestal veel lager. Dit komt omdat men werkt met in de toekomst te verwachten kosten voor materialen en hun verwerkbaarheid tot optimale vliegwielvormen. In de EPRl-studie ~81 worden kosten voor een vliegwielsysteem met een opslagcapaciteit van I0-50 MWh gegeven, die meer dan 2 maal zo laag liggen als die welke gebruikt zijn in bovengenoemde PVG-studie.

Uitgaande van de toepassingsgebieden en de eigenschappen van vliegwielen en de in 3.5. beschreven competenties voor de nederlandse omstandigheden, zal in hoofdstuk 4 worden ingegaan op de onderwerpen waarover en de richting waarin het onderzoek zich zou moeten uitstrekken.

3.4. Lopend onderzoek aan vliegwielsystemen in het buitenland

uit het verleden zijn reeds een aantal toepassingen van energie-opslag in vliegwielen bekend. Sinds de ontwikkeling en het gebruik van de pottenbakkersìchijf zijn vliegwielen op bescheiden schaal voor velerlei specifieke toepassingen gebruikt° Een van de eerste commerciële toepassingen werd gerealiseerd in de Oerlikon gyrobnssen, die in de vijftiger jaren in Zwitserland en de belgische Kongo in gebruik waren. Het vliegwfel met een diameter van 1,5 m werd op toeren gebracht op de halteplaatsen die ongeveer | km van elkaar verwijderd waren. Met de opgeslagen energie werd een generator aangedreven die gekoppeld was met de motor die de achterwielen aandreef. Bij deze toepassing werd reeds gebruik gemaakt van regeneratief remmen~ d.w.z, dat de remenergie weer in het vliegwiel werd opgeslagen I|6~. Op dit ogenblik is in het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in WestDuitsland een vliegwiel in gebruik met een diameter van 2°90 m, een hoogte van 3.90 m en een gewicht van 223 ton° Het laden duurt 20 minuten terwij! het ontladen in 15 seconden kan geschieden [|7I. De energiedichtheden van deze toepassingen zijn laag, ongeveer 5 Wh/kg, een verbetering met een factor 5 à 10 lijkt mogelijk, zowel door toepassíng van isotrope- als van vezelmaterialen en andere verbeteringen in systeemcomponenten.

-36-

Op verschillende plaatsen in de V.S. worden op het ogenblik onderzoekingen gedaan op het gebied van vliegwielsystemen of componenten daarvan. Op het gebied van de transporttoepassingen worden twee projecten gefinancierd door de Urban Mass Transit Administration (UMTA), een afdeling van het amerikaanse Ministerie van Transport. Bij het eerste project ontwikkelt de Garrett corporation het vliegwielsysteem, waarmee inmiddels twee treinstellen van de metro van New York zijn uitgerust. De bedoeling is dat op korte termijn een dergelijk vliegwielsysteem ook in stadsbussen wordt ingebouwd. Bij de uitvoering van dit programma wordt gebruik gemaakt van bestaande technologieën teneinde binnen 2 jaar resultaten te verkrijgen die inzicht geven in: - de mate van vermindering van brandstofverbruik - de prestatiekarakteristieken ten opzichte van de dieselbus en de trolleybus - de positieve invloed op het milieu - levensduur en kosten in vergelijking met die van gebruikelijke voertuigen Bij het tweede project wordt aan een vliegwielsysteem gewerkt door Lockheed Missiles en Space Co. Met prototypen van dit systeem zijn twee trolleybussen in San Francisco uitgerust. De vliegwielen zijn waarschijnlijk gemaakt van AISI 4340-staal, dat blijkens een Lockheed-studie van Lawson I181 m.b.t, een aantal isotrope materialen de meest aantrekkelijke combinatie heeft van energie-dichtheid, vermogensdichtheid en levensduur in verband met vermoeiingseigenschappen.

Andere onderzoek- en ontwikkelingsprogramma’s worden gefinancierd door de Energy Research and Development Administration (ERDA). Uit de Rockwellstudie I11[ blijkt dat de huidige experimenten betrekking hebben op vliegwielsystemen die zijn uitgerust met metalen rotoren. Het ontwikkelingspotentieel van deze materialen wordt echter beperkt door de specifieke sterkte en door de vermoeiingseigenschappen. Deze laatste beperken het aantal toelaatbare energiewisselingen en de hoeveelheid opgeslagen energie. De vorderingen op metaalkundig gebied zijn echter te bescheiden om in de nabije toekomst veel hogere energiedichtheden dan~00Wh/kg te realiseren. Op een termijn van 3 tot 5 jaar verwacht men vliegwielprototypen uit vezelmaterialen te ontwikkelen die een energiedichtheid hebben die 2

maal zo groot is als die van metalen rotoren.

-37-

Het nationale programma van de ERDA, dat met de feasibility-studie van |975 is begonnen, wordt voortgezet met onderzoek en ontwikkeling op het gebied van rotorconfiguratie, materialen en lagers. Voor |977 worden drie programma’s in de transportsector uitgevoerd, alle drie hybride vliegwielsystemen ~19]. Deze systemen variëren van een kleine afhankelijkheid van het vliegwiel tot een vrijwel volledige vliegwielaandrijving. Het eerste concept behelst een regeneratief remsysteem. Het tweede is een vliegwielsysteem met een capaciteit van 50% van het totale aandrijfsysteem van verbrandingsmotor plus vliegwiel. De motor werkt onder optimale eondities wat betreft brandstofverbruik en levensduur. Het derde concept wordt een volledig door een vliegwiel aangedreven voertuig, zodat men niet meer van hybride toepassing kan spreken.

EILDA is voorts sterk ge~nteresseerd in vliegwielsystemen toegepast in de elektriciteitsvoorziening. Om de hogere verliezen die bij langere opslagtijden ontstaan te reduceren, wordt aan de universiteit van Virginia gewerkt aan een magnetisch ophangsysteem. Op deze wijze wordt een contactloze lagering gerealiseerdo Experimenten wijzen uit dat een vliegwiel van 50 kg draaiend onder een vacuüm van |0 5 torr per dag slechts I omw/min langzamer gaat draaien t.g.v,

optredende verliezen ~141. Deze contactloze

lagering is met name van betekenis voor stationaire toepassingen, omdat de vliegwielinstallaties op een vaste plaats worden gemonteerd. Voor mobiele toepassingen, waarbij de beweging van het voertuig ook van invloed is op het vliegwielsysteem, komt deze lagering niet in aanmerking, maar is daar ook minder belangrijk vanwege de korte opslagtijden. Op het gebied van vormgeving en materialen wordt door het Lawrence Livermore Laboratorium gewerkt aan geavanceerde composiet vliegwielen, die thans gerealiseerd zijm met e~n energiedichtheid van 20-40 Wh/kg en naar verwachting binnen 5 jaar te verbeteren zijn tot 60-80 Wh/kg en binnen |0 jaar tot 120-140 Wh/kg. EPd)A besteedt dit jaar ongeveer | miljoen dollar aan bovenstaande activiteiten. De amerikaanse federale regering besteedt dit jaar in totaal |0 miljoen dollar aan vliegwielonderzoek. Dmvangrijk werk wordt al sinds jaren verricht door Rabenhorst van het Applied Physics Laboratory van de John Hopkins University ~9~, 1201, ]211, [221, ~23~. Naast een vliegwiel opgebouwd uit dunne draden die tot een soort borstelvorm worden samen~esteld, wordt daar ook gewerkt aan zgn. pseudo-isotrope geometrieën. De materialen die volgens Rabenhorst de meeste toekomst hebben, zijn Kevlar 29, Kevlar 49, ~lasvezel, bamboe en hout.

-38-

Betreffende de stand van zaken van het vliegwielonderzoek in Europa is de P.V.Go het volgende bekend: Uit de informatie-uitwisseling in het kader van CIIEST-energie (subcomité voor energie-onderzoek van het Comité de Recherche Scientifique et Technique van de Europese Gemeenschappen) te Brussel blijkt dat in de EEG-landen nog geen sprake is van nationale progrsmìma’s op het gebied van vliegwielontwikkeling. Alleen in Italië is een budgetvoorstel ingediend voor een driejaríg progran~na zowel voor stationaire als mobiele toepassingen. Er is niets bekend over een eventuele uitvoering van een dergelijk onderzoekprogramma. In het algemeen acht het subcomité belangrijke vorderingen aannemelijk binnen een periode van 5 â ]0 jaar.

Aan verschillende duitse universiteiten en technische hogesoholen wordt in samenwerking met de industrie en onderzoekeentra op verschillende pleatsen aan onderzoek en ontwikkeling gewerkt. Onder leiding van het Institut für Elektrische Maschinen, Antrieben und Bahnen van de T.U. Braunschweig is een prototype vliegwiel gemaakt van kunstvezels, ingebouwd in een bus in combinatie met een accu. Verder onderzoek moet leiden naar langere opslagtijden en dus een toepassing van een vliegwiel alleen (zonder accu). In de Bondsrepubliek wordt bij M.A.N. Neue Technologie onderzoek gedaan met betrekking tot toepassingsmogelijkheden van vliegwielinstallaties. Het BM!~T is de opdrachtgever van deze studie, die in eerste instantie het karakter heeft van een kosten- en rentabiliteitsvergelijking van verschillende opslagsystemen. Verdergaand technisch onderzoek geeft aan dat op korte termijn staalsoorten met hoge treksterkte en overige bestaande technologieën in aanmerking komen. Uit het oogpunt van een economische energiehuishouding liggen specifieke toepassingen op het gebied van piekvereffening bij de elektriciteitsvoorziening alsook bij treinen en trams, die vaak optrekken en remmen. Om een en ander nader te onderzoeken, is een vliegwielsysteem gelnstalleerd bij een tunneltraject (lang 3 km, helling 7%) van de metro in Stuttgart. Het vliegwielsysteem slaat de remenergie op van de dalende treinstellen, om die toe te voeren aan de treinen die de helling op rijden. Op basis van de resultaten zal het tevens mogelijk zijn een nauwkeurige economische analyse te maken van een stationair vliegwielsysteemo

-39-

In Frankrijk wordt door Aérospatiale onderzoek en ontwikkeling aan vliegwielsystemen gedaan in opdracht ~an European Space Agency (ESA) en COMSAT (de vliegwielen worden ontwikkeld voor speciale toepassingen in satellieten). Het belangrijkste aspect is het onderzoek aan een contacloze lagering door middel van permanente magneten. Hierdoor zijn hogere snelheden mogelijk zonder grote lagerverliezeno Aérospatiale heeft 2 vliegwielen ontwikkeld, beiden met een diameter van 35 cm en een hoogte van + 20 cm. Het toerental is respo 7700 en 24000 omw/min. Beide wielen worden aangedreven door een br~shless d°c. motor en hebben een magnetische lagering, Het franse Directoraat-Generaal voor wetenschappelijk en technisch onderzoek heeft 350.000 Fr francs beschikbaar gesteld voor een evaluatie van mogelijke toepassingen.

In Nederland is een grote hoeveelheid kennis en ervaring aanwezig die snel en direct voor de ontwikkeling van vliegwielsystemen kan worden gebruikt. Hierop wordt in 3.5. nader ingegaan. Reeds lopend onderzoek aan belangrijke componenten voor vliegwielsystemen zal daar ook worden vermeld.

-40-

3.5. De wenselijkheid en mogelijkheid van onderzoek en ontwikkeling op het gebied van vliegwielsystemen

Voor Nederland zal energiebesparing van toenemend belang worden naarmate meer brandstoffen moeten worden ge~mporteerd en de prijs daarvan stijgt. Hieraan gekoppeld is de sociaal-economische noodzaak een voldoende aantal geavanceerde produkten voor binnenlands gebruik en export beschikbaar te hebben. Geavanceerde vliegwielsystemen vormen in verband met hun kwaliteitseisen een produkt dat een bijdrage in het behoud van hoogwaardige werkgelegenheid zou kunnen geven. Geavanceerde vliegwielen, bestemd voor de opslag van energie, zijn technisch hoogwaardige produkten met een relatief hoge~toegevoegde waarde. De kwaliteit van de betrokken arbeidsplaatsen is vergelijkbaar met die in de nederlandse metaalverwerkende industrie. Het te investeren vermogen per arbeidsplaats zal iets hoger zijn dan het huidige gemiddelde i.v.m, de veronderstelde produktie in grote series. Het hovengenoemde produkt past dan zeer goed in de nederlandse industriële ontwikkeling, waarin een hoge scholingsgraad en hoge arbeidskosten belangrijke factoren zijn°

De technologische haalbaarheid van geavanceerde vliegwielsystemen is verzekerd. Het tijdstip waarop vliegwielen rendabel kunnen worden ingezet, is echter afhankelijk van ontwikkelingen van de energieprijs, de ontwikkeling van goedkopere systemen, de hieruit mede af te leiden opslagkosten en de wijze waarop vliegwielsystemen in het net geïntegreerd zullen worden. Op dit moment sluit de bij de industrie aanwezige kennis en management-ervaring goed aan bij de kennis en ervaring, nodig voor ontwikkeling en fabricage van vliegwielsystemen. Opgemerkt dient echter te worden dat deze kennis sterk aan veroudering onderhevig is, zodat van de huidige situatie gebruik moet worden gemaakt om in concurrentie met het buitenland te kunnen treden.

De technische kennis en ervaring, specifiek van belang voor de ontwikkeling van vliegwielsystemen, is bij de nederlandse industrie aanwezig op het gebied van:

-41-

- hoogtoerige machines - lagering en demping - elektrische aandrijving en elektro-mechanische conversie met een zeer hoog rendement - elektro-magnetische lagering - materialenkennis - fabrieagetechnieken - vacuümtechniek - beveiligingssystemen - regelsystemen

Door de ontwikkeling van ultracentrifuges voor uraniumverrijking beschikt N.V. Ultracentrifuge Nederland (UCN) over een complete kennis en ervaring op het gebied van hoogtoerige apparaten, de daarbij behorende aandrijvingssystemen, en een grote kennis van de daarmee samenhangende fabricagetechniek speciaal voor het geval van buisvormige rotoren. Deze kennis en ervaring maakt het mogelijk een vlíegwielontwikkeling in Nederland snel van de grond te brengen. Rekening houdend met de verwachting dat een dergelijke ontwikkeling zich echter ook op andere materialen en vormen zou richten, dient de kennis van andere partijen eveneens te worden ingebracht.

Het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) heeft in het verleden als Reactor Centrum Nederland (RCN) in opdracht van UCN en buitenlandse instanties vee! onderzoek uitgevoerd op het gebied van de betrokken apparatuur, bijvoorbeeld de elektrische aandrijving. Daaruit is een groot pakket octrooien en know-how ontstaan waarbij ECN de eigenaar is van de toepassing van deze know-how voor andere gebieden dan isotoopverrijking. Dientengevolge is ECN een aangewezen partner voor een onderzoek- en ontwikkelingsprogramma op dit gebied. Ook wijz~de huidige taken van ECN met betrekking tot het beheer van landelijke energie-onderzoekprogranm~a’s op een functie in die zin voor het vliegwielonderzoek. Ook van de kennis van andere nederlandse industrieën dient gebruik te worden gemaakt. In dit verband kan erop worden gewezen, dat VM~ vanaf het eerste begin intensief bij de ontwikkeling van ultracentrifuges betrokken is geweest. Bij de overgang van de ontwikkelingsfase naar de produktiefase is het zwaartepunt van de VI~ inbreng mede verschoven. Toegeleverd naar de UC-produktie in Alme!o werd o.m. het produktiemanagement en de produktie-know-how, en ten behoeve van de produktie werden assemblage- en meetmschines ontworpen en gebouwd.

Daaren~oven heeft VYíF-Stork, als producent van stoomturbines, compressoren, ketelvoedingswaterpompen en roterende apparaten voor de chemische industrie (en bovendien voormalig producent van gasturbines) een hoeveelheíd specifieke ontwerp-, materiaal- en fabricage know-how, die van directe betekenís is voor de ontwikkeling van vliegwielen. Deze know-how kan vooral in combinatie met de UC-ervaring met succes ingezet worden bij de ontwikkeling van vliegwielvormen zoals de lavalschijfrotor. Verder dient te worden opgemerkt dat de VMF-interesse niet alleen ligt in de toelevering van componenten voor centrales, maar bovendien ín de totaal-leverantie van diesel-elektrische centrales en total-energy systemen waarbíj o.a. load-levelíng een aspect is dat in directe relatie staat tot de evaluatie van de betekenis van vliegwielen. De mechanisch-elektrische conversie, de motor-generator en de gelijkstroomwisselstroom-conversie zullen zeer belangrijke onderdelen van de totaalontwikkeling vormen. In verband hiermee is het van belang dat ook het Holecconcern zijn kennis en ervaring op dit gebied kan inzetten. Het Holec-concern is sinds 1963 betrokken bij het UC-project. Hierdoor is in dit concern ervaring aanwezig in de volgende gebieden: - ontwerp en produktie van statoren voor bedrijf in vacuüm - conversie van 50 Hz draaistroom in draaistroom met variabele frequentie tot 1200 Hz zowel m.b.v, roterende als statische omvormers - gedrag van omvormers met motorische belasting - bewaking en signalering van een groot aantal elektrísche grootheden m.b.v, mini-computers

Voor wat betreft eventueel noodzakelijke materiaalontwikkelingen zijn aangewezen plaatsen het Metaalinstituut TNO, KRITNO, tezamen met TN0-IWECO, de afdeling Fysica van de Rijksuniversiteit Groningen met zijn materiaalgroep en het Fysisch laboratorium van de afdeling Technische Natuurkunde van de Rijksuniversiteit Utrecht, Aan deze laatste universiteit wordt een onderzoek gedaan aan metaallegeríngen met zeer hoge treksterkte, die o.a, voor vliegwielen in aanmerking kunnen komen. Het onderzoek wordt mede gefinancierd door ZWO in het kader van de EGO-beleidsruimte. De maximale hoeveelheid energie die in een vliegwiel kan worden opgeslagen, is evenredig met de grootste in het vliegwiel toelaatbare spanning zodat men bij voorkeur sterke materialen toepast.

-43-

Hiervoor in aanmerking komen de zogenaamde amorfe metalen of metallische glazen, metaallegeringen die dankzij hun glasachtige structuur een zeer hoge treksterkte bezitten. Deze structuur is te verkrijgen door het materiaal zeer snel uit vloeibare fase af te koelen. Dit heeft tot gevolgd dat het materiaal alleen in draad- of lintvorm te verkrijgen is. Onlangs is in het laboratorium een begin gemaakt met het onderzoek naar mechanische eigenschappen van deze materialen. Onderzocht worden: treksterkte, vermoeiingseigenschappen, kruipeígenschappen, eventuele spanningsgeïnduceerde kristallisatie. Alleen die materialen zullen worden onderzocht die eventuee! commercieel toepasbaar zijn, hetgeen neerkomt op legeringen op ijzerbasis.

De Vakgroep Vezeltechniek van de Afdeling der Werktuigbouwknnde van de TH Delft heeft in het verleden, in.everle~ met RCN, onderzoek verricht aan het centrifugaal vervaardigen van vezelversterkte kunststoffen drukvaten. Tevens is er know-how verkregen op het gebied van filament winding. Er wordt een drie-assig te besturen wikkelbank ontworpen en vervaardigd. Het, mogelijk in combinatie, toepassen van deze centrifuge- en wikkeltechnologieën voor het vervaardigen van een vliegwiel bevindt zich in een oriënterende fase.

In samenwerking met deze Vakgroep Vezeltechniek wordt aan de Afdeling Elektrotechniek gewerkt aan de ontwikkeling van een vliegwielsysteem met een opslagcapaciteit van 10 kWh en een vermogen van 10 kW. Het opslagsysteem wordt ontwikkeld voor gebruik in combinatie met kleine energievoorzieningssystemen, welke werken met een energievraag en energieaanbod variërend in grootte. Om een opslagtijd van één of meer etmalen mogelijk te maken is het noodzakelijk de eigen verliezen van het opslagsysteem te beperken. Hiertoe wordt het vliegwiel voorzien van een magnetische lagering. Het vliegwiel is mechanisch gekoppeld met een elektrische machine. Voor deze machine wordt een elektrische omzetter gebouwd welke geschikt dient te zijn om de machine te kunnen laten werken als motor dan wel als generator met variërende toerentallen. Deze omzetter moet zorgen voor een optimale koppeling tussen het opslagsysteem, de elektrische energiebron en de verbruiker. In verband met een veilige bedrijfsvoering wordt het systeem voorzien van een elektronisohe bewakingo Een opstelling, waarin reeds ontwikkelde subsystemen zullen worden getest, wordt gebouwd.

-44-

De potentiële gebruikers moet in een prograrmna als het onderhavige een zeer belangrijke rol worden toegekend. Het is evident, dat bij de ontwikkeling van vliegwielen voor stationaire toepassing SEP/KEMA de aangewezen partner is. Hierbij wordt niet aan een direct aandeel in het ontwikkelingswerk gedacht, maar aan het geven van basisinformatie voor en de begeleiding van het ontwikkelingswerk en de beproeving in nauwe relatie met de toepassing indien deze fase in het onderzoek inderdaad wordt bereikt.

Zodra de R&D heeft geleid tot de principiële verificatie van de verwachte eigenschappen, zullen één of meer partners uit de gebruikerssector voor mobiele toepassingen worden gezocht teneinde de ontwikkeling voor deze sector te kunnen voorbereiden.

3.6. Aanvang vliegwielonderzoek op het gebied van stationaire toepassing

In het voorgaande is herhaaldelijk gesteld dat de transportsector het belangrijkste potentiële toepassingsgebied is. Toch wordt om praktische redenen aanbevolen te starten met onderzoek en ontwikkeling in connectie met elektriciteitsvoorziening: - de structuur van het toepassingsgebied is overzichtelijk en de potentielk gebruikers zijn goed georganiseerd - de benodigde gegevens zijn daardoor gemakkelijk te verkrijgen; in de transportsector is eerst nog statistische gegevensverzameling nodig - een verificatie van vliegwieleigeuschappen is veel eenvoudigerdan in het geval van mobiele systemen die extra problemen, ook op het gebied van veiligheid, met zich mee brengen. Het is daarom raadzaam eerst ervaring op te doen met stationaire toepassingen, waarbij tegelijkertijd een beter inzicht wordt verkregen in het toepassingsbereik in de elektriciteitsvoorziening. Op basis van de verkregen resultaten kan dan het onderzoek tot mobiele toepassingen worden uitgebreid. In een vroeg stadium moet echter tevens worden begonnen met de verzameling van benodigde gegevens en criteria voor toepassing in de transportsector. Vliegwiel R en D kan dan op het juiste moment worden uitgebouwd in deze veelbelovende richting.

-44a-

In dit stadium ziet de P.V.G. dit echter als een afzonderlijke opgave, die een nader overleg met de daartoe in aanmerking komende uitvoerders en gebruikersorganisaties noodzakelijk maakt. Een en ander dient door het projectbeheersteam te worden uitgewerkt.

3.7. Conclusies met betrekking tot toekomstig onderzoek in Nederland

Juist in Nederland is onderzoek en ontwikkeling op het gebied van vliegwielsystemen aan te bevelen omdat: - een eigen inspanning wenselijk is uit een oogpunt van besparing op primaire brandstoffen en zorg voor het milieu - de benodigde competenties, deels zelfs in unieke mate, aanwezig zijn - de industriële- en werkgelegenheidsaspecten een gunstig beeld opleveren en concurrentie met het buitenland mogelijk is gezien de stand van de ontwikkeling aldaar - speerpunttechnologie-aspecten aanwezig zijn - het een betaalbare ontwikkeling betreft, hetgeen overigens samenwerking met het buitenland niet uitsluit

Een en ander zal slechts in zijn volle omvang gelden bij een snelle start van een onderzoek- en ontwikkelingsprogramma.

4. Voorstel voor onderzoek en fasering

4.1. Doelstellin$

Doel van het voorliggende onderzoekprogramma is: Het vaststellen van de potentiële betekenis van energie-opslag in vliegwielen voor de nederlandse elektriclteitsvoorziening en de transportsector. Deze potentiële betekenis zal worden afgeleid uit de mogelijkheden een betere benutting van prlmaire energiedragers te bereiken, gekoppeld aan een aantal positieve milieufactoren; voorts een besparing op kapitaalinvesteringen en een betere regelbaarheid van het bediende systeem.

Een en ander kan geschieden gebruik makende van de kennis en ervaring die de nederlandse industrie reeds bezit, verder bevorderen zij de opbouw van verdergaande technische kennis en ervaring, maken het mogelijk dat deze industrie een aandeel verwerft in de markt van vliegwielen en andere opslagsystemen in de energievoorziening.

De verwachting bestaat

dat hiermee hoogwaardige arbeidsplaatsen in de nederlandse kapitaalgoederenindustrie behouden kunnen worden en de betalingsbalans gunstig kan worden be[nvloed.

Deze doelstelling kan worden bereikt door in opdracht van de nederlandse overheid een ge[ntegreerd onderzoekprogramma uit te voeren, waarin naast de industrie wordt deelgenomen door instellingen voor onderzoek en wetenschappelijk onderwijs.

4.2. Opzet van het gefaseerde onderzoekprograrmna

Het onderzoekprogramma strekt zich uit over een periode van 5 jaar, met een verdeling in fasen, waarbij na elke fase de zin van continuering wordt beschouwd. Met een fase wordt een vastgestelde termijn bedoeld waarbinnen onderzoekresultaten worden bereikt, die de kennis op een gewenst hoger niveau brengen en die een evaluatie van de betekenis van energie-opslag in vliegwielen met een hogere graad van nauwkeurigheid mogelijk maken. Aan het einde van iedere fase wordt het totale systeem van opslag- en toepassingsmogelijkheden alsmede de daarmee samenhangende maatschappelijke belangen geëvalueerd.

-46Aan de hand van deze evaluatie wordt besloten of verder werk zinvol is; zoja, dan worden de deel-onderzoeken voor volgende fasen gedeflnieerdo

Voor het onderzoekprogramma is het onderscheid tussen de stationaire toepassing van energievliegwielen en de eventuele mobiele toepassing van belang. Voor de stationaire toepassing is de feasibility study het snelste uit te werken.

Zoals in hoofstuk 3 uiteengezet is, hebben vliegwielen per eenheid een kleine opslagcapaciteit. Dit biedt de mogelijkheid verbeteringen aan het systeem, alsmede meer geavanceerde ontwikkelingen in een verdere schaalvergro~ng op te nemen. Het bovenstaande, gekoppeld aan het feit dat bij deze ontwikkeling een eerste serie prototypen zeer snel kan worden gerealiseerd, plelt voor een onderzoekprogramma dat volgens 2 parallelle lijnen zal verlopen: |. Uitgaande van de grote ervaring die in de nederlandse industrie voorhanden is op het gebied van ultra-centrifuges en randapparatuur, is het mogelijk door middel van een zeer beperkte studiefase een ontwerp en kostenraming van een eerste serie prototypen op te stellen. Hiermee is het project snel van de grond te brengen, hetgeen een gunstige concurrentiepositie van de nederlandse industrie ten goede komt. 2. In een breder opgezette studiefase met betrekking tot de betekenis van energie-opslag in vliegwielen zal onderzoek en ontwikkeling (technisch en economisch) noodzakelijk zijn ten aanzien van: - Voor- en nadelen van verhoging van de hoeveelheid energie per massa - Voor- en nadelen van vezels en composietmaterialen ten opzichte van isotrope materialen. Behalve de materialen sec spelen uiteraard ook de ver~erkbaarheid van deze geavanceerde materialen tot vliegwielen een rol, de produktietechnieken, de termijn waarop een en ander toepasbaar is en de kosten. - Optimalisatie van mogelijke vliegwielgeometrieën, afhankelijk van materiaal toepassingen en kosten. In figuur ~Lis globaal de tijdplanning aangegeven voor de ontwikkeling van stationaire vlíegwlelinstallaties voor energie-opslag volgens bovengenoemde lijnen. De interactie tussen de onderzoekslijnen | en 2 moet zodanig zijn, dat resultaten uit de ene lijn direct worden ingebracht in het progran~na volgens de andere lijn.

-47-

Het onderzoekprogramma volgens de eerste lijn heeft onderstaande indeling:

Fase |: Technische en economische "feasibility-study", tijdsduur ½ jaar. In deze fase worden algemene toepassingsstudies verricht voor het gebruik van vliegwiel-opslaginstallaties in de keten van de elektriciteitsopwekking, elektriciteittransport en distributie. De integratie van een vliegwielsysteem in het net en de aanpassing daaraan op korte termijn vormen in deze fase het essentiële aspect. Voor deze toepassing zal een optimaliseringsstudie worden uitgevoerd, uitgaande van de specifiek in Nederland aanwezige kennis en ervaring op het gebied van snel-roterende machines en randapparatuur die direct kunnen worden ingezet. Op basis van materiaal- en fabricagegevens zal een voorontwerp en kostenraming van rotor, lagerconstructie, aandrijving/generator, behuizing e.d. worden gemaakt. De fase eindigt met dit gedetailleerde voorontwerp en een kostenraming van een test-prototype, dat in het net kan worden geïntegreerd. De kosten voor deze fase bedragen ~ f 600.000~ voor de eerste lijn. Het resultaat geeft een inzicht in de haalbaarheid van de stationaire toepassing indien aan bepaalde criteria wordt voldaan. Op grond hiervan wordt besloten tot eventuele experimentele uitvoering in fase 2. De resultaten worden tevens ingebracht in de tweede lijn.

Fase 2: De conclusies van fase I worden, indien zij daartoe aanleiding geven, geverifieerd aan de hand van experimenten en gedetailleerde theoretische beschouwingen. Genoemd kan worden: - benodigd materiaal- en fabricage-onderzoek - mechanische beproeving van prototypen - elektrische beproeving - fabricage van proefmodellen

iln guldens 1977, exclusief de ECN werkzaamheden, die binnen het raam van de ECN-begroting vallen.

-48-

Het is de bedoeling dat een eerste serie proefmodellen van een vliegwielsysteem volgens het ontwerp uit fase I een jaar na het begin van fase 2 in bedrijf wordt gesteld. Een met deze proefmodellen opgebouwde proefbatterij zal via een conversieketen gekoppeld worden aan het net. De proefbatterij zal in het begin uit enkele machines bestaan, maar worden uitgebouwd tot enkele tientallen machines, die-een energie van enkele honderden kilowatt-uren kunnen opslaan. Kosten f 8.300.000;

tijdsduur 2 jaar.

De resultaten komen ten goede aan de ontwikkeling van het programma in de tweede lijn. Ook na deze tweede fase kan er aanleiding zijn tot volledige ombuiging in die richting.

Fase 3: In fase 3 wordt op basis van de beproevingsresultaten en het parallelle onderzoek in de tweede lijn, wanneer dezedaartoe aanleiding geven, de definitieve constructie en technische specificatie voor een i~d~s~~e~l prototype vastgelegd. Alle intussen voortdurend verfijnde kostengegevens worden gebundeld, de functíonele en bedrijfspecificaties worden opgesteld, tezamen met de definitie van een bedrijfsvoeringsplan. Valt in deze fase het besluit een industriële proefbatterij te bouwen, dan dienen de bestellingen daarvoor te worden geplaatst. Deze fase van het programma duurt ongeveer een half jaar. Kosten f 1.400.000.

Fase 4: Van de machine, die uit de gedetailleerde industriële ontwerpen naar voren komt,

wordt in fase 4 een pilot-installatie gebouwd

en in nauwe samenwerking met de toekomstige gebruikers bedreven. Hierbij valt de nadruk op bedrijfsfilosofie en duurkarakteristieken. Daarbij wordt ook de optimale gebruiksmethodiek uitgetest, waarvoor een dergelijke meermachine-installatie van het industriële prototype gekoppeld aan het net moet worden bedreven. De duur van deze fase wordt op ongeveer 2 jaar geschat, terwijl de kosten f 7.100.000 zouden belopen.

Het is duidelijk dat voor de eerste lijn in de experimentele fasen 2 en 4, een hoger budget nodig is dan in de studiefasen I en 3.

-49-

Samenvattend kan worden gesteld, dat op basis van het programma in deze lijn in 5 jaar een uitgetest industrieel prototype beschikbaar kan zijn, tegen een investering in dit onderzoek van ruim f 17.000.000

(guldens 1977).

Dergelijke kosten zullen, zoals vooropgesteld, slechts worden gemaakt wanneer in alle fasen de verwachtingen worden vervuld. Een ontwikkeling in 5 jaar zal slechts mogelijk zijn wanneer daarbij zeer dicht tegen een bestaande technologie aangeleund kan worden. Dit is voor cilindervormige vliegwielen het geval. Voor de ontwikkeling van een lavalschijftype vliegwiel zal de duur van het totale programma zeker 3 jaar langer zijn; voor geavanceerde vliegwielen wellicht nog langer.

De ontwikkeling van een cilindervormig vliegwiel is niet interessant als in de eerste stadia van het onderzoek reeds komt vast te staan dat energieopslag met andere vliegwielvormen tegen aanmerkelijk lagere kosten valt te verwezenlijken. Ook de voor mobiele toepassingen te definiëren specificaties kunnen aanleiding hiertoe zijn. Dit zal volgen uit de resultaten van het tweede lijnprogramma. Voor dit laatste zijn evenwel de fasen I en 2 van de eerste lijn onontbeerlijk. De basis van de ontwikkelde technologie is ook direct voor mobiele toepassing van betekenis. Toch zullen de technische specificaties bij de ontwikkeling van de mobiele vliegwielopslag van geheel andere aard zijn ten gevolge van de bewegingen die bij voertuigen optreden. In dit stadium lijkt het raadzaam de formulering daarvan te laten wachten tot in de eerste fase van het programma inderdaad met de aanwezige competenties een verantwoorde uitgangspositie is verkregen die in het overleg met de op dit gebied nog te structureren gebruikersvertegenwoordiging kan worden gebruikt.

-50-

Het onderzoekprogramma volgens de tweede lijn is een prograrm~a voor langere termijn waarbij het doel is om geavanceerde vliegwielsystemen te ontwikkelen voor stationaire, mobiele en eventuele andere toepassingen.

Fase |: Tijdsduur ½ jaar; Kosten f 250.000 Op basis van een systeemstudie zal een optimalisatie plaats vinden van de parameters die een vliegwielsysteem bepalen. Deze fase heeft als resultaat dat een definitie kan worden gegeven van de meestbelovende richting(en) waarin de ontwikkeling van vliegwielsystemen op langere termijn dient te gaan. Dit afhankelijk van vorm, energiekental, kosten en tijdschaal. Gezien het belang van de mobiele toepassingen zullen in fase | ook reeds voorbereidingen moeten worden getroffen om dit gebied te kunnen betreden. Voorts zullen aanbevelingen worden gedaan met betrekking tot het eventueel inschakelen van andere bedrijven en onderzoekinstellingen dan de in fase I van de eerste lijn genoemde partners.

Fase 2 e.v.: Uitgaande van de in fase ! aanbevolen onderzoeksrichting(en) en voorts op grond van de resultaten van de eerste lijn, zal het programma van fase 2 en voor de volgende fasen moeten worden opgesteldo

4.3. Werkzaamheden, taakverdeling en kostenverdeling voor fase |

De werkzaamheden volgens de eerste lijn worden beschreven in tabel 4.|. De werkzaamheden volgens de tweede lijn worden in tabel 4.2. vermeld.

Zin guldens |977, exclusief de ECN werkzaamheden, die binnen het raam van de ECN-begroting vallen.

-51-

4.4. Projectbeheer

Fase | heeft het karakter van een feasibility studie. De subsidie-aanvraag zal door ECN, zulks op verzoek van de industriële deelnemers, worden opgesteld en gericht aan het Ministerie van Economische Zaken. De groep beveelt de volgende opzet aan, die aansluit bij reeds opgedane ervaringen. De uitvoering van het vliegwielproject wordt opgedragen door het Ministerie van Economische Zaken, waarbij namens dit ministerie het beheer en de coördinatie van het project zullen worden uitgevoerd door het Bureau Energie Onderzoek Projecten van het ECN. ECN, UCN, KEMA, Holeo, FDO voor VMF zullen worden betrokken bij de uitvoering van de verschillende onderdelen van het project.

4.4.]. Samenwerkingscontracten

De werkzaamheden zullen worden omschreven en vastgesteld in samenwerkingscontracten, af te sluiten tussen ECN/BEOP als projectbeheerder aan de ene zijde en ieder van de organisaties, belast met een deel van de uitvoering van het project, aan de andere zijde. In deze contracten zullen regelingen worden getroffen m.b.t. - aard en omvang van de werkzaamheden - projectbeheer - kosten, kostenverantwoording en kostenvergoeding - rapportage en kennisoverdracht - eigendom van goederen - octrooirechten en industrieel eigendom - aansprakelijkheid en vrijwaring - beëindiging Getracht zal worden, in overleg met de contractanten één basisovereenkomst op te stellen m.b.t, alle algemene punten en de voor iedere contractant specifieke aspecten als bijlage(n) aan het contract toe te voegen. BEOP is belast met het toezicht op de naleving van de samenwerkingscontracten.

-52-

4.4.2. ECN-aandeel in de uitvoering

Voor zover de werkzaamheden binnen HCN vallen, verplicht ECN zich jegens de gezamenlijke partners in het programma, de haar toebedeelde taken op de gebruikelijke wijze in werkplannen en begrotingen voor de komende jaren op te nemen en in uitvoering te brengen. Deze werkplannen en begrotingen worden jaarlijks door het HCN-bestuur, waarin het Ministerie van EZ is vertegenwoordigd, goedgekeurd. Ten aanzien van de door ECN uit te voeren werkzaamheden ziet het BEOP erop toe, dat deze passen in de doelstelling van het vliegwielproject en overeenstenm~en met de vastgestelde taakverdeling.

4.4.3. Aandeel industrie

Het aandeel van de industrie in de uitvoering van het nederlands vliegwielonderzoek wordt enerzijds beïnvloed door haar actuele specifieke kennis en wordt anderzijds bepaald door de doelstelling van het project om de industrie in staat te stellen eigen geavanceerde kennis en ervaring op te bouwen ten aanzien van toekomstige energiesystemen. De industriële activiteiten zullen ondergebracht worden in de in 4.4.~. genoemde samenwerkingsovereenkomsten.

4.4.4. Aandeel KEMA

Het aandeel van de KEMA in de uitvoering van het nederlands vliegwielonderzoek komt tot uiting in het belang van de gebruikerszijde. De activiteiten zullen eveneens worden ondergebracht in de in 4.4.1. genoemde samenwerkingsovereenkomsten.

4.4.5. Financiering van het project

De kosten van de ECN-werkzaamheden vallen binnen het raam van de ECN-begroting. De activiteiten, welke bij andere partijen worden ondergebracht, zullen door EZ via ECN worden gesubsidiëerd. Daarnaast wordt de mogelijkheid open gehouden dat de partners een ondersteunende bijdrage aan het project kunnen leveren uit eigen middelen.

-53-

4°4.6. Manasement gereedscha~pen

De uitvoering van een gecompliceerd technisch ontwikkelingsproject door instellingen met een verschillend karakter en een verschillende belangstelling maken het noodzakelijk, dat vanaf het begin de middelen tot het behouden van overzicht en het voeren van een goed projectbeheer worden ingebouwd. Daartoe wordt het project in eerste instantie ingedeeld in een aantal opvolgende fasen, waar nodig gescheiden door duidelijke beslissingspunten of mijlpalen. De verdeling van de werkzaamheden vereist een nauwkeurige, uit de definitie van het totale systeem afgeleide, specificatie van de deelsystemen, uit te besteden bij de contractanteno Bedoelde speeificaties moeten een functioneel karakter hebben, d.w.z, aangeven wat er van de deelsystemen wordt verwacht en waaraan ze moeten voldoen en niet hoe ze moeten worden uitgevoerd of ingericht. Met de uitvoerende partijen zullen bij het afsluiten van de centracten regelingen worden getroffen m.b.t, het verstrekken van de voor het projectbeheer belangrijke informatie zoals: - globale kosten- en netwerkplanning voor de gehele projectduur - kosten- en netwerkplanning in detail voor onderhanden en eerstkomende fase - kosten- en netwerkplanning in hoofdzaken voor de daarop volgende fase - wijzigingen in de netwerkplanning - financiële rapportage - organisatie van de uitvoering en inzet van bemanning - gegevens, van belang voor het beoordelen van de kwaliteit van de uitvoering - gegevens m.b.t, resultaten, deelresultaten, wijzigingen in uitvoering en/of specificaties Op deze wijze kan worden bereikt dat een effectief projeetbeheer kan worden gevoerd t.a.v.: - organisatie van de uitvoering - tijdschema’s - kosten - kwaliteit van de werkzaamheden - informatieverwerking uitgaande van goed bepaalde specificaties voor het gehele project, de deelsystemen en onderdelen daarvan.

-54-

4.4.7. Organisatie

De interne organisatie van het project zal als volgt worden opgezet:

a. Het ECN draagt de uiteindelijke verantwoordelijkheid van het project als geheel t.a.v, de opdrachtgever, het Ministerie van Economische Zaken. b. Voor wat betreft de bij de uitvoering van het project betrokken stanties wordt onderscheid gemaakt in twee categorieën: - contractanten, bij wie, onder de in 4.4.1. bedoelde samenwerkingscontracten, een aantal werkzaamheden worden ondergebracht, welke in een bepaald ~ijdsbestek en tegen vergoeding van overeengekomen kosten, zullen worden uitgevoerd - partners, tevens contractanten, waaronder te verstaan die instanties, die naast de uitvoering van hun werkzaamheden, zoals ondergebracht in de in 4.4.|. bedoelde samenwerkingscontrac~en, verantwoordelijkheid nemen voor één of meer deelsystemen voor de gehele looptijd van het project, op grond hiervan bereid zijn eventueel een eigen inbreng in het project te leveren en te accepteren, dat de belangen van het project als geheel prevaleren boven de belangen van het door de partner uit te voeren aandeel in het project. Er wordt een Stuurgroep gevormd waarin de partners vertegenwoordigd zijn door beleidsverantwoordelijke functionarissen. De Stuurgroep wordt voorgezeten door een lid van de ECN-Directie. ECN verplicht zich tot overleg in deze Stuurgroep over alle zaken met betrekking tot het beleid van het project. Indien geen overeenstemming kan worden bereikt, beslist het ECN. Het secretariaat van de Stuurgroep wordt verzorgd door BEOP. Er zal een projectgroep worden gevormd, waarin alle contractanten vertegenwoordigd zijn door één projectleider, die aan de zijde van de deelnemende partij belast is met de uitvoering van de werkzaamheden. In deze projectgroep zal regelmatig en veelvuldig overleg plaats vinden over de uitvoering, de kwaliteit en de voortgang ~an het werk, waarbij vooral de onderlinge afste~ing van de werkpakketten en het beheer van de grensvlakken daartussen, de aandacht zal hebben. De projectgroep vergadert o.l.v, het BEOP.

e. Alle uitvoerende partijen rapporteren aan BEOP, vanwaaruit de rapportage aan het Ministerie van EZ wordt verzorgd. Dit geldt zowel voor de voortgang als voor de financiële rapportage.

-55-

4.5. Kostenramingvoor de verschillende fasen van het onderzoekprogramma

Voor het gehele project volgens de eerste lijn moet worden gedacht aan een looptijd van 5 jaar. Een tijd- en kostenraming kan op dit moment dan ook slechts globaal zijn. Alleen de aangegeven kosten voor de eerste fase zijn gebaseerd op een gedetailleerd inzicht in de uit te voeren werkzaamheden en de bijbehorende kosten. Voor de volgende fasen moeten de ramingen van tijd en kosten in een later stadium definitief worden gemaakt. Het programma volgens de tweede lijn is alleen voor fase I geraamd. Voor de duur van fase 2 en voor de daaropvolgende fasen 3 en 4 is in het huidige voorstel nog geen post voor lavalschijf en geavanceerde vliegwielen opgenomen, omdat op dit moment de gegevens ontbreken om uitspraken te kunnen doen over uiteindelijke tijdsduur en totale kosten van dat pro-

In tabel4.~is de kostenraming voor het programma volgens de eerste lijn aangegeven op jaarbasis, verdeeld over de looptijd van het project. Tevens wordt in deze tabel het aantal manjaren aangegeven, eveneens verdeeld over de looptijd van het project.

JAAR 1

eerste lijn:

FASE_I, i--

JAAR 2

’

FASEJ 2

JAAR 3

FASE ] j

lavalschijf en ~efiní~ie richting geavanceerde vliegw.ontwerpen ~.onde~z.

JAAR 7

JAAR

FASE 4 --.~ FASE_

-3 ,~J bouw en bedrijf pílotplant

FASE 2 op basis van de in fase ! aanbevolen onderzoeksrichtingen en op grond van de resultaten van de eerste lijn, wordt een programma uitgevoerd

~eavanqo liegw.~ Figuur 4.1.

JAAR 6

I

!

vooron~ experimenten ~proefbedrijf const~ cil. vormig werp J prototypen vliegwiel aan ~van een serie~indusJ prototypen afgeleid van U.C. jtrieel[ type’r°t°technologie J ~pr°t°~l ~ tweede lijn:

JAAR 5

JAAR 4

- ~ A FASE 3 EN AANVANG FASE 4 ~ ~ ~ ~

Ontwikkeling van vliegwielen voor stationaire toepassingen De interactie tussen de onderzoeklijnen ! en 2 moet zodanig zijn dat resultaten uit de ene lijn direct worden ingebracht in het prograrmma volgens de andere lijn.

Tabel 4.1. Vliegwielwerkzaamheden

Fase |

volgens de eerste lijn.

Activiteit

verantw. organisatie

kosten in aantal guldens maHjaren 1977

- inzetbaarheidsstudie vliegwielsysteem; aanpassing aan het net

KEMA

- vormoptimalisatie en richtontwerp prototype vliegwielsysteem

ECN~

- aandrijving

ECN~

- aandrijving/conversie

Tijdsduur ½ jaar.

Omschrijving

260000

Vaststellen van de eisen waaraan een vliegwielsysteem moet voldoen. Bepaling van de mogelijke plaatsen in de keten van centrale naar verbruiker. Bepaling opslagcapaciteit. Globale bepaling van besparingen ten aanzien van brandstof en opwekkingscapaeiteit. Globale kwantificering van andere functies van een vliegwielsysteem, zoals netstabilisatie, cos ~ verbetering enz.

172500

Voorlopig ontwerp van dunwandige rotor, lagering en demperconstructie, behuizing en montage-eisen van een systeem

0,25

43120

Ontwerp van een hysteresis motor/generator systeem

Holec

i

172500

Ontwerp van een brushless DC motor/generatorsysteem en van een conversiesysteem

- behuizing, beveiliging eisen grond en gebouwen

VMF/FDO

0,5

86250

Uitwerking van functies van de behuizing. Beveiliging van het systeem zelf en van de omgeving. B~paling van de eisen t.a.v, de opstelling. Bepaling van de eisen waaraan grond en gebouwen moeten voldoen.

- voorlopig ontwerp van een compleet systeem

V~/;DO

0,5

86250

4,75

820620

Voorontwerp van een compleet vliegwielsysteem inclo randapparatuur en gekoppeld aan het net. Analyse van randvoorwaarden en hulpdiensten, die een storingsvrij bedrijf van een gelntegreerd systeem mogelijk maken.

Totalen

1,5

~Kostenanalyse als onderopdracht uit te voeren door UCN.

Tabel 4.2. Vliegwielwerkzaamheden

Fase |

volgens de tweede lijn.

Activiteit

verantWo organisatie

aantal guldens manjaren

Tijdsduur ½ jaar.

kosten in

Omschrijving

1977

- gedetailleerde systeemstudie energie-opslag in vliegwielen

ECN

0,4

69000

Analyse van de betekenis van energie-opslag in vliegwielen voor mogelijke toepassingsgebieden in Nederland

- integratie van lopend vliegwielonderzoek in Nederland

ECN

0,I

17250

De mogelijkheden nagaan om reeds lopend vliegwielonderzoek in het project te integreren

- voorbereiding werkzaamheden mobiele toepassingen en andere toepassingen

ECN

0,25

43|30

Het structureren van de gebruikersvertegenwoordiging op het gebied van mobiele toepassingen. Bepaling van een verantwoorde uitgangspositie en definitie van het mobiele vliegwielprograrmna. Evaluatie van andere toepassingsgebieden van vliegwielen en onderzoektermijnen

- vormoptimalisatie en richtontwerp laval schij f

- vormoptimalisatie geavanceerde vliegwielen

Totalen

VM~/F~O

ECN

|72500

Voor mogelijke uitvoeriïgsvormen Van schijfvormige rotoren de relatie vaststellen tussen vorm, energiekental en kosten. Vaststellen van de termijn, waarop het bovenstaande te realiseren is.

0,2 ECN 0,2 FDO 0,3 Hole

|20750

Als functie van kosten en tijdschaal definiëren van een geavanceerde onderzoekslijn voor vliegwielen en randapparatuur

3,35

422630

I

-59-

Tabel 4.3. Globale kostenraming voor de eerste lijn in f 1000 (prijsniyeau 1977)

JAAR 1 v.a. 1-10-~

Activiteit

- Vorm optimalisatie

JAAR 2

JAAR 3

JAAR 4

JAAR 5

86

- Ontwerp + costing test prototype 0 & C rotor 0 & C lagers en dempers

130 130

86 86

78 78

- 0 & C Aandrijving/generator Brushless D.C. Motor Hysteresis motor Electronica

158 170 180

I00 95 178

142 137 42

172

100 100 100

- O & C Behuizing Onderst. Fabricage-ontwikkeling Hulpdiensten

516 83

1294

776 42

1294

4O

1294 72

- Mechanische Beproeving

201

604

675

613

215

- Electrische Beproeving

36

330

467

221

440

- Toepassingsstudie Opslag eleetr, energie Centrale Batterij Decentraal bij onderstatìon Decentraal bij verbruikers - Aanpassing aan Net en Centrale

36

’172,5

132,5 86

- Keuze Type - Bouw + Bedrijf Proefbatterij en Totalen

2253

36

47

36

47

47

47

88

47

72

36

1438

1150

1150

1150

4251

3902

3278

3731

Totaal programma Aantal manjaren

17415 12

15

15

II

13

-60LITERATUUR Energie ~976; 2e Interimrapport van de Landelijke Stuurgroep voor Energie Onderzoek. Den Haag, Staatsuitg., |976.

[2[

Programma in hoofdlijnen; Nationaal Programma voor Energie-onderzoek ~976. Den Haag, Staatsuitg., |976.

[3[

Raad van Advies voor het wetenschapsbeleid. Advies inzake het Nationaal Prograrmna voor Energie-onderzoek |976. Den Haag, Staatsuitg., ]976.

141

Ministerie van Economische Zaken. Rapport van de interdepartementale werk~roep energie inzake het nationaal programma energie-onderzoek ]976. Den Haag, Staatsuitg., |976.

Theyse, F.H. Energiebesparing en vliegwielen, Atoomenergie, |8 (|976), 282.

Centraal Bureau voor de Statistiek. De nederlandse Energiehuishouding, No 4, 1975.

171

Elektriciteit in Nederland/1975; uitgave van Directie Arnhemse instellingen van de nederlandse elektriciteitsbedrijven.

181

Assessment of energy storage systems suitable for use by electric utilities, EPRI EM-264/ERDA E (||-]) - 250|. Vol I, II (|976).

19

Rabenhorst, D.W. ECN-colloquium Fly Wheels, d.d. 2| september |976. Mondelinge informatie.

Boer et al, A.A. de Vlieg~ielen en andere energie-opslags~stemen. Energiespectrum ! (|977), |58.

Economic and technical feasibility study for energy storage flywheels. ERDA 76-65 (|975).

Em~ens, W.C. en S. Radelaar, Energie-opslag in vliegwielen, De Ingenieur, 88 (1976), 943.

-61-

Kalhammer, F.R. en T.R. Schneider, Annual Review of Energy, Vol. I. Palo Alto, California, National Science Foundation 1976, 311.

Dann, R.T. The Revolution in Flywheels, Machine Design, 4--5 (1973), 130.

[15[

Thalhammer, T. Enkele algemene aspecten van energie-opslag, De Ingenieur, 86 (1974), 871.

1161

The Oerlikon Electrogyro, Automobile Engineer, 4-5 (1955), 559.

Vau, G. Einsatz von Schwungrädern für die Energiespeicherung, VDI-Berichte 223, Düsseldorf, VDI, 1974, 87.

Lawson, L.J. Design and testing of high energy-density flywheels for applieation to flywheel/heat engine hybrid vehicle drives. Proc. Intersoc. Energy Conv. En.gin. Conf., Boston (1971), I142.

Energy storage systems, Program Approval Document FY 1977, Washington, ERDA, 1976.

Rabenhorst, D.W. New concepts in mechanical energy storage. Proc. Intersoc. Energy Conv. Engin. Conf., Las Vegas (1970), 295.

Rabenhorst, D.W. Use of flywheels for energy storage, Energy Sources ~ (1975), 251.

~221

Rabenhorst, D.W. Potential applications of the superflywheel, Proc. Intersoc. Energy Conv. Engin. Conf., Boston (1971), I118.

Stein, C. Critical Materials Problems in Energy Production, New York, Academic Press, Inc., 1976, 805.

-62VOORSTEL ONDERZOEKPROCRAMMA "ENERGIE-OPSLAG IN VLIEGWIELEN"

BIJLAGE I Samenvatting van : "An Assessment of Energy Storage Systems suitable for use by electric utilities", EPRI, EM-264/ERDA E (|I-I) - 2501. Vol. I, II (1976) ]81, t.b.v. "PVG Vliegwielen".

Enkele conclusies van de EPRI-studie

- Met een opslagrendement van 75% kan door opslagsystemen ongeveer 5% van de elektriciteitsbehoefte in de V.S. geleverd worden (wekelijkse cyclus). - Voor een dagcyclus is dit percentage 3%. De bijbehorende opslagcapaciteit hiervoor is maximaal |2% van de jaarlijkse piek-vraag. - Gepompte wateropslag (ondergronds), gecomprimeerde lucht en thermische opslag, ge~ntegreerd met een elektriciteitscentrale, zijn nu realiseerbaar en economisch aantrekkelijk voor piek- en midden-last. - In de toekomst kunnen geavanceerde batterijen aantrekkelijk worden, vooral voor piekbelasting, - ¥1iegwielsystemen blijken over het algemeen onaantrekkelijk te zijn i.v.m, de hoge investeríngskosten, behalve in enkele gevallen waarbij een groot vermogen bij een kleine opslagcapacíteit gewenst is. - Het veiligheidsaspect van vliegwielen stelt hoge eisen aan de constructie van de ruimte waarin de installatie opgesteld staat.

Inleiding In opdracht van ERDA en EPRI werd door de Public Service Electric and Gas Company (Newark, New Jersey) een uitvoerige vergelijkende studie gemaakt van opslagsystemen. De beschouwde systemen zijn: wateropslag, thermi~che olie-opslag, thermísche stoomopslag, gecomprimeerde lucht, de conventiohele loodaccu, advanced batteries, waterstof, vliegwielen en supergeleidende magneten. Toepassing van deze systemen werd alleen t.b.v, de elektriciteitsopwekking beschouwd. Deze samenvatting is geen samenvatting in de gewoonlijke zin van het woord, maar geeft alleen de conclusies aan die voor de "PVG Vliegwielen" van belang zijn.

-63-

Definitie "on-peak" en "off-peak"

Om de potentiële mogelijkheden van energie-opslag te evalueren, werd voor een aantal, voor de situatie in de V.S. representatieve elektriciteitscentrales de belasting per uur geanalyseerd op een jaarlijkse, seizoens, wekelijkse en dagelijkse basis. Hierbij worden de termen "off-peak" en "on-peak" energie gelntroduceerd. Off-peak energie is de elektriciteit die opgewekt kan worden door grondlast-capaciteit tijdens perioden van lage belastinggraden. On-peak energie is de elektriciteit die niet kan worden geleverd door grondlast-capaciteit, maar door middenlast- of pieklast-eenheden (Zie Appendix |A).

Potentiële mogelijkheden voor opslag

De verhouding on-peak/off-peak energie hangt af van de relatieve grootte van de basislastcapaciteit t.o.v, de piek- en minimum vraag. De optimale situatie voor maximale opslag (|00% conversie) wordt verkregen wanneer de basislast-capaciteit de vraagkromme zodanig doorsnijdt dat de totale off-peak energie gelijk is aan de totale on-peak energie. In de figuur van Appendix IB wordt e.e.a, grafisch voor de amerikaanse situatie weergegeven. Uit deze figuur is te zien dat voor een systeem met een jaarlijkse belastingsgraad van ca. 60% de maximale theoretische hoeveelheid on-peak energie die door off-peak energie geleverd kan worden ongeveer |0% bedraagt van de totale jaarlijkse produktie. De praktische limiet ligt lager omdat een zeker percentage (in de V.S. 30%) van de theoretische limiet onbruikbaar is doordat een deel van het vraagpatroon gedurende het jaar hier consistent is. Zo komt men voor de V.S. tot het volgende beeld voor de potentiële on-peak energielevering door opslag, rekening houdend met het conversierendement van het opslagsysteem, opgesplitst naar een wekelijkse- en dagelijkse opslagcyclus:

conversie rendement

praktische jaarlijks$ limiet (week-cyclus)-

praktische jaarlijkse limiet (dag-cyclus)-

|00%

7

4

75%

5

3

50%

3,5

2

~Percentage van de totale opgewekte energie

-64-

Van een week-cyclus wordt gesproken wanneer de geproduceerde off-peak elektriciteit gedurende zeven dagen per week (dus inclusief zaterdag en zondag) wordt gebruikt voor on-peak elektriciteit gedurende de werkdagen. In een dagcyclus wordt alleen de off-peak elektriciteit, gegenereerd tijdens de voorgaande nacht, gebruikt voor on-peak levering op de dag. Een derde vorm van opslag, ook wel "peak-shaving" genoemd, nol. het vereffenen van kleine wisselingen van de vraag tijdens de periode van maximale belasting, werd niet door deze studie behandeld.

Investeringskosten van opslagsyste~en

Het rapport geeft in hoofdstuk 3 een uitvoerige beschrijving van de beschouwde opslagsystemen (zie Appendix 2). De investeringskosten worden opgesplitst in een opsla~gedeelte (C), S

uitgedrukt in $ per kWh te leveren energie en een produktie-gedeelte (Cp), uitgedrukt in $ per kW opgesteld vermogen. De bedragen zijn voor apparatuur inclusief installeringskosten met een toeslag voor onvoorzien, maar zijn exclusief eventuele rentekosten tijdens constructie. Een overzicht van de investeringskosten wordt gegeven in Appendix 3. Hieruit blijkt dat de investeringskosten per kWh in het opslaggedeelte de hoogste zijn voor een vliegwielsysteem. Op zich hoeft dit echter niet te betekenen dat vliegwielopslag t.oov, de andere systemen onaantrekkelijk is, omdat men voor een dergelijke evaluatie het totale systeem (dus inclusief conversie-unit) moet bekijken.

Kosten vliegwielsysteem

De kosten voor een vliegwielopslagsysteem omvatten de kosten voor het vliegwiel, het vacuüm systeem en de behuizing (inclusief fundering)° Een opsplitsing wordt gegeven in Appendix 4. Hieruit blijkt dat de vliegwielkosten de grootste zijn. De invloed van vliegwielmateriaalkosten op de totale opslagkosten wordt gegeven in Appendix 5. Van de in Appendix 3 gehanteerde kosten voor vliegwielopslagsystemen zegt het rapport dat deze schattingen onnauwkeurig zijn en aangepast moeten worden aan de hand van meer uitgewerkte ontwerpen wanneer deze voorhanden zijn (p. 4-86). Vandaar dat een grote spreiding in genoemde tabel is opgenomen.

-65-

Economische evaluatie van energie-opslag

De in dit rapport gehanteerde methode voor de economische berekeningen is die volgens de contante waarde methode. Hiermee werden de economische merites berekend van opslagsystemen t.oov, conventionele pieklastgeneratie-eenheden (gasturbines à $ 100/kW)± en t.o.v, conventionele middenlast eenheden (gecombineerde stoom- en gasturbine, STEG à $ 225/kW)~. Het door het rapport gehanteerde onderscheid tussen pieklast en middenlast wordt bepaald door de tijdsduur van de optredende belasting: I-8 uur voor piekbelasting, 9-14 uur voor middenlast (zie Appendix De aannames voor de opslagsystemen zijn samengevat in Appendix 6, die voor de kosten van conventionele installaties en brandstof worden in Appendix 7 gegeven. Voor piekbelasting wordt het resultaat van de berekeningen gegeven in Appendix 8. In deze tabel worden de "break-even" kosten voor opslag t.o.v, een conventionele ga~turbine-installatie (à $ |00/kW) vergeleken met de geschatte kosten voor opslagsystemen (C in $/kW, uit C= Cp

+ T . Cs, waarin T de ontlaadtijd). Voor midden-

last toepassing wordt het resultaat van de berekeningen gegeven in Appendix 9. Hier worden de "break-even" kosten bepaald t.o.v, een conventionele STEG unit à $ 225/kW. Het antwoord op de vraag welke opslagsystemen wel of niet aantrekkelijk zijn wordt gegeven in Appendix ~0. Hieruit blijkt dat vliegwielen voor alle beschouwde toepassingen economisch niet aantrekkelijk zijn. Wél attractief zijn gepompte wateropslag en "advanced" batterijen en in sommige toepassingen thermische opslag en gecomprimeerde lucht.

Milieu en veiligheid

In hoofdstuk 6 wordt ingegaan op de milieu- en veiligheidsaspecten van opslagsystemen. Een overzicht is gegeven in Appendix 11. Speciale aandacht krijgt het veiligheidsaspect van vliegwielen (Appendix 12).

~Dollars 1975. Voor nederlandse omstandigheden geldt f 1000/kW voor een stoomturbine, f 700 à f 800/kW voor een STEG-eenheid en f 400/kW voor een gasturbine.

~

LEGEND:

On- Peak Ener~,~

Seasonal Peak Loa~ Seasonal ~~inimum Load

~ Off-Peak Energy

Averaqe ~easonal Base Load Canacity

24 Hrs Sat

Sun WINTER

Figure 2-1

Wkdy

Sat

Sun SPRI~NG

Wkdy

Sat

Sun SUMMER

Wkdy

Sat

Sun FALL

DISTRIBUTION OF OFF-PEAK AND ON-PEAK ENERGY" ’ ~ FOR REPRESENTATIVE ELECTR[C SYSTEM B FOR TIIE 70% BASE LOAD CAP~CITY LEVEL

Wkdy

-67-

%

50%

Capacity Level As ~ Percent Of Peak Load

60%

/

!

/

Lmum Theoretical Limit 100%

35 40

50

60

70

A~~NUAL SYSTEM LOAD FACTOR

80

IN PERCENT

Figure 2-2 ~iAXIMUM ANNUAL OFF-PEAK AND ON-PEAK ENERGY LIMITS FOR U.S. ELECTRIC UTILITY SYSTEMS

APPENDIX- IB 2-7

h~lO~ ~IISOd~O3 NI S~~$SAS DIH&DqH "S’D

L

"SlH gI p~oq

Table

3-24

SUMMAEY OF CONVERSION SYSTEM AND INTERFACE DESIGN CONSIDERATIONS

Thermal

Compressed A~ir

chemical

SMES

Flywheels

Standard ac machine

Standard ae machine

Standard ac machine

Statie converter

Non-standard ac machine with NCC

Statie

Power Connection to Power Oystem

Long ac power leads from underground

Standard

Standard

Converter and transformer

Standard

Multi steps of ~ransformers, long power leads to surface

Impact on Existing Power System Nquipment

Increase circuit breaker interruptlng duties

Increase circui5 breaker interruptlng duties

Increase circuit breaker interrupting duties

Could increase capacitive switching duties

Increase circuit breaker interrupting duties

Could increase eapacitive switching duties

Surge Protection Philosophy

Standard

Standard

Standard

May not be protectable with

Standard

Special shields within the magnet will be ïequiïed

Failure Protection

de fault clearing devices

May not be protectable*

substantial maintenance Effect of Depth of Dischar~e

None

Output may vary with storage tempera%ure

Increases size ’of converter

Increases size of NCC

of converter

Site Requirements

Suitable geology

Suitable geology

Generating station

Sufficient area or none

Sufficient

Suitable geology

Ympact on Existing Power System Quality of Service

None

None

None

Possibility of voltage fluc-

Possibility of voltage fluc-

None

harmonie voltage injeetion into utility system

-70-

Table 4-1 COST SU~~iMARY FOR SELECTED STORAGE SYSTEMS 1975 DOLLARS - NO CCIF INCLUDED

Cp ($/kW) *

Cs ( $/kWh )

90-160

2-12

Compressed Air Storage with Combustion Turbines

100-210

4-30

Thermal Storage - Water

150-250

30 -70

Thermal Storage - Oil

150-250

10-15

Near-Term Lead Acid Batteries

70-80

65-110

Advanced Batteries

60-70

20-60

Flywheels

65-75

100-300

Hydrogen

500-860

6-15

50-60

30-140

Hydro Pumped Storage Conventional and Underground

SMES

*Equal change and discharge times.

Caveat: These ~stimates only apply to the specific design considered in this chapter

APPENDIX - 3

4-2

Table 4-34

SUMMARY OF STORAGE RELATED COST COMPONENTS FOR FLYWHEEL SYSTEMS

E-Glass

Wheel Cost $/kWh

Vacuum Housing $/kWh Vault Foundation $/kWh

Conservative S-Glass

optimistic S-Glass

Kevlar

E-Glass

450-600

65-100 @X = 1 130-200 @X = 2

75-130

70-90

40-65

25-30

1200-1900

700-1400

230-390

140-280

90-120

65-100

13-25

10-13

8-i3

8-11

75-125 1 2 .33 i0 80,000

100-200 1 2 .33 10 80,000 70% 75%

6-10

6-8

Assumptions: Working Stress Load, , ksi Mass Ratio, MR Vacuum Housing Cost, VH, $/ib Shape Factor, K Wheel Cost, Xw, $/ib Bearing Weight Limit, ib Efficiency Depth of Discharge

150-200 1 1-2 .33 10 80,000

100-150 1 1 .5 1-2 160,000

150~250 1 1 .5 2 160,000 70% 75%

200-250 1 1 .5 3 160,000

1 .5

.l

. O1

005

¯ 001 500

Figure 4-8

STORAGE COST VERSUS COST OF MATERIALS AND ENERGY DENSITY

i000

Table 5-1 ASSUMPTIONS FOR ENERGY STORAGE SYSTEMS AND CONVENTIONAL GENERATION USED IN BREAK-EVEN ECONOMIC ANALYSIS CALCULATIONS

Generation Technoloqy

Expected Life (Years)

Annual Carrying charges(a) Percent

Overall Efficiency Percent

1975 Operation and Maintenance Costs Fixed Costs Variable Costs ($/kW/Year) (mills/kWh)

1975 Installed Capital Cost ($/kW)

ENERGY STORAGE SYSTEMS: NEAR-TERM (Present to 1985):

Hydro Pumped Storage Compressed Air

50 25

21 18

Thermal, steam Thermal, oil Batteries, lead-acid

25 25

16 16

5-i0~c}

27-19

70-75 5,400 to 4,200(b)

65-75 65-75 60-75

1.6 (g’) 3.2(i) 3.2{i)

5.3(h)

0.2{i) 0.2(i) 2.7(J)

INTERMEDIATE-TERM (1985-2000) : 25{c) 25

15 15

70-80 40-50

2.7(J) 2.7(J)

25

15

70-85

5.3(h)

25

22

70-85

Gas turbine(b)

25

15

Combined Cycle (e)

25

15

12,100 to ii,000 (f) 8,900 to 8,100 (f)

Advanced Batteries Chemical (H2) Storage Flywheels LONG-TERM (Beyond 2000) : Superconducting ~ Magnetic Energy~ Storage (SMES) J

1.6(k)

CONVENTIONAL GENEP~ATION: 5.3

loo (i)

4.1

225 (m)

-74-

TABLE 5-1

(a)

(b)

(e) (f) (h)

(L) (k) (m)

ASSUMPTIONS FOR ENERGY STROAGE SYSTEMS AND CONVENTIONAL GENERATION USED IN BREAK-EVEN ECONOMIC ANALYSIS CALCULATIONS (CONT’D)

Expressed as a percent of total capital (power and storage) cost and includes rare of return, depreciation and taxes. This also includes adjustment for interest accumulated construction. (See Appendix BS) No salvage value was assumed except for salvage of 25% of storage costs for lead-acid bateries. Heat rate, BtuikWh. Corresponding compressed air pumping requirements from 80 to 58 kWh (in) per i00 kWh (out). Assuming approximately 200 cycles per year, or 1,000 to 2,000 cycles for near-term and 5,000 cycles for advanced bateries. Unit size of i00 to 300 megawatts. Based on 255 MW unit with gas turbine 175 MW and fossil steam turbine 80 MW. Heat rare, Btu/kWh. Near-term to intermediate-term heat rates. Based on typical data from existing operational installations. Costs assumed similar to conventional simple cycle gas turbines. Costs assumed similar to conventional steam peaking units. Costs assumed to be about half of conventional simple cycle gas turbine installations. Costs assumed tobe similar to hydro pumped storage installations. Average industry 1975 capital costs are about $225/kW for the combined cycle unit. Costs include equipment and installation. If cooling towers are required, the capital costs would increasd by about $20ikW.

APPENDIX - 6 (vervolg)

5-4

-75-

Table 5-2

ASSUMPTIONS FOR UTILITY SYSTEM OPERATIONS USED IN THE BREAK-EVEN ECONOMIC CALCULATIONS SY8TEMS VS. CONVENTIONAL FOR ENERGY 8TORAGE GENERATION

OPERATIHG PARAMETERS

RANGE

VALUE ASSUMED AS TYPICAL

Annual Generation Operating Time Peaking Application Intermediate Applfcation

Up to 2,000 Hrs. 2,000-4,000 Hrs.

1,000 Hrs. 3,000 Hrs.

$1.50-$2.50/106Btu

$2.50/106Btu

$75-$150/kW $175-$275/kW

$100/kW $225/kW

6 percent/yro 6 percent/yro 6 percent/yr.

6 percent/yro 6 percent/yr. 6 percent/yr.

5-30 mills/kWh

20 mills/kWh

Eossil Fuel Cost (1975) Gas Turbines and Combined Cycle Units Installed Capital Cost (1975) Gas Turbine Combined Cycle Escalation Rates (Percent/Year) Capital (installed) cost Operation/Maintenance cost Fossil Fuel Cost Levelized Incremental Cost of Off-Peak Energy Mix of generation (for charging energy storage systems)

APPENDIX- 7

5-6

Tgble 5-3 RANGE OF 1975 BREAK-EVEN CAPITAL COSTS FOR ENERGY STORAGE SYSTEMS VS. GAS TURBINEa, PEAKING APPLICATION Range (b]of 1975 Energy Storage System Break-even Cosrs ($/kW) Annual Hours of Operation(d]

ENERGY STORAGE TECHNOLOGY

400 Hours (2Hr.-Device)

Range (c) of 1975 Projected Energy Stor~ge System Costs ($/kW) Daily Cycie Peaking Duty Device(e) 2 Eour i0 Hout Discharge Dev. Dischar~e Dev. Dischar~e Dev.

1,000 Hours (5Hr.-Device)

2,000 Hours (10Hro-Device)

70-200 70-200 80-160 50-140

170-430 100-400 100-400 80-260 50-270

260-780 140-760 140-760 80-440 50-480

90-190 170-280 210-390 90-210 270-420

100-220 200-325 300-600 120-330 500-800

110-280 250-400 450-950 150-520 750-1250

Advanced Batteries Chemical (R2) Storage

140-240 110-230

210-440 120-430

310-790 130-760

100-190 340-490

160-370 460-780

300-700 590-1200

Flywheels

130-230

180-410

250-730

260-680

560-1600

190-310

320-570

110-340

200-760

Nea~ Term (Present-1985) Pumped Hydro Storage Thermal,Steam Compressed Air Battery,Lead-Acid Intermediate-Term (1985-2000) :

Long-Term(Beyond 2000): Superconducting Magnets (SMES)

370-1500

a) Gas turbine 1975 installed capital cost assumed tobe $100/kW. b) Based on the data in Tables 5-1 and 5-2, including the range of energy storage system efficiencies, 5 to 30 mills/kWh levelized incremental cost of off-peak energy, 1975 fossil fuel costs of $1.50 to $2.50 per million Btu and 6 percent escalation per year for capital, fossil fuel, and operation maintenance costs. c) Based on the minimum and maximum power and storage cost combinations for the energy storage systems as shown in Table 4-1 and the cost equations of Chapter 4 for compressed air and hydrogen storage. d) Annual hours of operation assume 2, 5, and [0-hout devices, each operating about 200 days per year. e) For the daiiy cycle peaking duty energy storage system, charge to discharge power ratios are about 0.5, 1.0, and 1.5 for a 2, 5, 10-hout device, respectively. Associated system storage capability requirements are the same as the discharge hours.

Table 5-5 P~ANGE OF 1975 BREAK-EVEN CAPITAL COSTS FOR ENERGY STORAGE $YSTE~S VS. COM8INED CYCLE UNITSia~, INTEP@4EDIATE ARPLICATION

Range (b)1975 Energy Storage Break-even Costs {$/kW) Annual Hours of Operation(d) ENERGY STORAGE ~ECNNOLOGY

2,500 Hours (lOHr.-Device)

3,000 Hours

4,000 Hours

Range !e)of Projected Energy Storage System Costs

Weekly Cycle Intermediate Duty Device(e) lO-Hour Discharge Dev.

12-Hour 15-Hout Discharge Dev., Discharge Dev.

Near-Term(Present-1985) : Pumped Hydro Storage

270-830 110-800 110-800 40-410 20-500

280-950 90-920 90-920 0-460 0-580

310-1210 70-1170 70-1170 -40-540 -40-730

150-500 430-670 990-2200 200-1000 1900-3200

160-560 480-750 1100-2600 230-1200 2200-3800

175-670 570-880 1400-3200 280-1500 2800-4700

Advanced Batteries Chemical (H2) Storage

330-830 100-800

350-950 70-920

390-1190 20-1150

630-1750 600-1100

580-1900 670-1300

940-2500 780-1600

Flywheels

250-750

250-860

260-1070

2900-8500

3400-10000

4300-13000

350-610

400-710

480-900

1000-4700

1300-6000

Thermal, Steam Compressed Air Battery, Lead-Acid Inte~mediate-Term (1985-2000):

Lo__ng-Term(Beyond 2000): Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

900-4000

a) Combined cycle 1975 installed capital cost assumed te be $225/kW. b) Base~ en the data of Tables 5-1 and 5-2, including the range of energy storage system efficie~cies, 5 te 30 mills/kWh levelized incremental cost of off-peak energy, 1975 fossil fuel costs of $1.50 te $2.50 per million Btu, and a 6 percent escalation per year for capital, fossil fuel, and operation and maintenance costs.

-78-

Table 5-5 RANGE OF 1975 BREAK-EVE{’~ CAPITAL COSTS FOR ENERGY STOItAGE SYSTEMS VS. CO~H3INEÒ CYCLE UNITS, INTEF4~]]~DIATE APPr.ICATION (CONT’ D)

c) Projected costs are based on the maximum and minimum power and storage cost combinations for the ener~y stora~e systems as shown in Tahle 6.8-1 and the cost equations of Chanter VI for compressed air and hydrogen storage. Projected costs for the 10-hour energy stora~e device are based on a charge to discharge, C/D, power ratio of 1.0 and a 28-hout storage capability requirement; the 12-hr. device on a 1.2 C/D ratio and a 33-hour storage requirement; and the 15-hour device on a 1.5 C/D ratio and 42 hours of storaqe. d) Annual hours of operation assume i0, 12, and 15 hour devices each operating about 260 days per year.

e) For the weekly cycle intermediate duty storage system charge to discharge power ratios are in the range of about 0~7 to 1.5. Typical system storage capability requirements range from 24 to 32 hcurs for a 10-hour device, from 25 to 38 hours for a 12-hour device, and from 42 to 48 hours for a 15-hour device.

APPENDIX 9 - (vervolg)

5-13

Table 5-8 RELATIVE ECONOMIC COMPETITIVENESS OF ENERGY STORAGE SYSTEMS FOR ELECTRIC UTILITY APPLICATION

Energy Storage System Relative Economic Competitivenessa Intermediate Application Weekly Duty Cycle

Peaking Application Daily Duty Cycle Energy Storage Technology

400 Hours (2Hr.-Dev.)

1,000 Hours (5Hr.-Dev.)

2,000 Hours (i0 Hr.-Dev.)

2,500 Hours (10,Hr.-Dev.)i

3,000 Hours (12Hr.-Dev.)

4,000 Hours (15,Hr.-Dev.)

Attractive Some Appl. Unattractive Some Appl. Unattractive

Attractive Some Appl. Unattractive Some Appl. Unattractive

Attractive Some Appl. Unattractive Some Appl. Unattractive

Some Appl. Some Appl.

Some AppI. So~e Appl.

Some Appl. Some Appl.

Unattractive

Unattractive

Unattractive

Unattractive

Unattractive

Unattractive

Near-Term(Present to 1985) : Pumped Hydro Storage Thermal, Oil Thermal, Steam Compressed Air Battery, Lead-Acid

Attractive Attractiveb Attractive Some Appl. Some Appl.c Some Appl. Some Appl. Unattractived Some Appl. Some AppI. Some Appl. Some Appl. Unattractive Unattractive Unattractive

Intermediate-Term (1985-2000): Attractive Some Appl.

Advanced Batteries Chemical (H2) Storage

Attractive Unattractive

Attractive Unattractive

Flywheels

Unattractive

Unattractive Unattractive

Long-Term(Beyond 2000} : Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

Some AppI."

Some Appl.

Some Appl.

a) Based on a comparison of break-even capital costs and projected installed c~pital costs for energy storage systems of Tables 5-3 and 5-5 for the peaking and intermediate generation modes, respectively. b) Attractive refers to economic attractiveness in that the break-even costs are generally higher than the projected installed capital costs. c) Some application refers to the fact that there is some overlap in the break-even and projected installation capital costs and therefore, application on electric utility systems may be possible for particular conditions. d) Unattractive means that the projected costs are higher than the justified break-even capital costs.

Table 6-3 MAJOR FACTS Te BE CONSIDERED IN ENVIRONMENT ASSESSMENT

Air Hydro Pumped Storage

Water Vapor

Water

Land Use

Noise

Bioloqical

Occupation, Safety and Health (6)

Heat

Water Reservoirs

Pumps and Turbines

Compressed Air Heat, NO Storage with CO, CO x, 2 Combustion Hydrocarbons

- (4)

Combustion Turbine Water Reservoirs Compensated Storage

Compressors and Combustion Turbines

(4)

Protection Against Oil Fires (5)

Thermal Stor- Heat age

Heat

Tank Farm Power Plant Cooling Towers

Steam Turbines - (4)

Protection Against Oil Fires (5)

Fans, Pumps, Power Conditioning

(4)

Personal Protection Against Acid Required. Fire and Explosion Hazards

(4)

Various Types of Fire Hazards

(4)

Containment of Flywheel or Fragments if Catastrophic Failures

Protection Against Fires and Explosion Hazard Required

Entrainments Protection against flooding of and Impingement Powerhouse and Against Dam or en Fish and Waterwav Failure Fish Larvae

Lead Acid

Heat, H , SO2, Acid Mist

(4)

Low Profile Structure

Advanced Batteries (2)

Heat (i)

(4)

Low Profile Outside Equipment

Flywheels

Heat

(4)

Subsurface

Hydrogen

Heat, 02

- (3) Heat

Low Profile StrucFans, Pumps, tures Outside Equip- Power Condiment and Tank Farm tioning Equipment

- (4)

SMES

Heat, HO2

Heat

Lew Profile Equipment Tank Farm Exclusion Are

Effects of Mag- Protection Against Magnetic Field netic Fields Required (7)

I. 2. 3.

Motors and Generators Power Conditioning

Refrigeration System Power Conditioning Equipment

All Systems Should Be Designed te Meet Environmental Regulations. Sealed System. No Air Emissions Anticipated. If Combined Cycle Plant is Used.

4. 5. 6. 7.

No Specia! Non-Negligible Effects Identified. If a Combustible Oil Used. Only Unusual or Non-Standard Items Identified. Exclusion Area May be Requested te Unknown Magnetic Field Effects.

Table 6-2

Potential Catastrophic Failure Mode Wheel Disintegration

SUMMARY OF MAJOR CATASTROPHIC FLYWHEEL FAILURE MODES

Primar~ Effects Sudden Release of Stored Energy Transferred to Container, Building, etc.

Secondarv Effects

Destruction of Vacuum Container-Implosion Heavy Building Damage Hazard Potential Over a Considerable Radius Domino Effect on Other Wheels in Array

Bearing Failure

Implosion or Fast Vacuum Leak

Conversion of Kinetic Energy into Heat at Bearings over a Period of Minutes to Bours. Total Destruction of Bearings

Extreme Heat; fire Hazard Damage to Trunnions Shaft Breakage

Collapse of Vacuum Damage to Wheel from Enclosure. Rela- Enclosure tively Rapid PresDamage to System by sure Rise. Shock Wave

Potential Safeguards Tamped Earth Bunkers with lids of concrete and clay or Water Tanks A brush-type Wheel Minimizes this Hazard; Development of Composite Wheels Domino Effect Minimized by breakaway Couplings and Common Vacuum System; Windage Automatically Stops Array in Event of Vacuum Failure Fire Hazard Minimized bv CO Flood Provisions of H~Ó Deluge from Water tânk lid Temperature Rise Monitors and Shutoff Provisions; Backfill of Vacuum Enclosure with CO2 would be a Good Brake Wheels will Sto~ Ouicklv due to Pressure Loss Best Prevented by Periodic Inspection

VOORSTEL ONDERZOEK PROGRAMMA "ENERGIE-OPSLAG IN VLIEGWIELEN"

BIJLAGE II De toepassingsmogelijkheden van een opslagsysteem in de keten van opwekkíng tot eindverbruik. Bij de Nederlandse elektriciteitsvoorziening wordt geen gebruik gemaakt van opslagsystemen van elektrische energie. Op verschillende plaatsen in het buitenland wordt bij de openbare elektriciteitsvoorziening gebruik gemaakt van zogenaamde pomp-/spaarbekken centrales, waarbij water tijdens een periode met lage elektrische belasting in een hoog gelegen hekken wordt gepompt en tijdens perioden met een hoge elektrische belasting wordt gebruikt om door middel van een waterturbine elektriciteit op te wekken. Dergelijke systemen kunnen economísch aantrekkelijk zijn als een groot hoogteverschil benut kan worden, zodat het waterdebiet en de grootte van de bekkens be~erkt kan blijven. In Nederland zijn hiervoor vrijwel geen mogelijkheden aanwezig. De meest reële mogelijkheid hiervoor wordt gevonden in ZuidLimhurg. Deze mogelijkheid is in de dertiger jaren onderzocht door een Staatscor~nissie. Nog afgezien van de milieubezwaren bleek dit economisch niet aantrekkelijk. Andere opslagsystemen die voor toepassing op grote schaal bij de elektriciteitsvoorziening in aanmerking komen, zijn nog niet beschikbaar. Bij het huidige systeem van elektricíteitsproduktie moet de gevraagde elektriciteit momentaan worden opgewekt. De transportcapaciteit en het produktievermogen moeten voldoende zijn om de maximale belasting te kunnen leveren. De belastingvariaties hebben tot gevolg dat regelmatig eenheden moeten worden gestart en gestopt en dat eenheden op deellast in bedrijf moeten zijn. Toepassing van een opslagsysteem kan van invloed zijn op het tenminste vereist produktievermogen en kan een verbetering van de belastingsgraad van de produktie-eenheden tot gevolg hebben, waardoor het opwekrendement zou kunnen stijgen. Afhankelijk van de plaats waar het opslagsysteem in het net wordt opgenomen, zou dit in heginsel ook van invloed kunnen zijn op de transportcapacitelt van het net.

-83-

II. |. De invloed van een opslagsysteem op het tenminste vereiste produktievermogen en op het rendement van de produktie

De Nederlandse elektriciteitscentrales zijn onderling verbonden door een koppelnet met grote capaciteit. Ze kunnen daardoor gezien worden als één produktiesysteem, waarvan het tenminste vereist produktievermogen wordt bepaald door de landelijke maximale belasting, welke aanzienlijk lager is dan de som van de maximale belastingen van de elektriciteitsbedrijven, aangezien deze laatste niet gelijktijdig optreden. Onder de huidige Nederlandse omstandigheden is de maximale landelijke belasting tijdens de winterpiek maatgevend voor het tenminste vereiste vermogen. In verband met de onzekerheden bij de raming van de maximale belasting (welke in verband met de bouwtijd van centrales meer dan 5 jaar tevoren dient te geschieden) en de kans op onvoorziene niet-beschikbaarheid van de produktie-eenheden wordt in het Elektriciteitsplan van de KEMA gerekend dat het tenminste vereiste vermogen gelijk is aan |,25 maal de geprognostiseerde maximale belasting. Indien dit wordt aangehouden, blijkt het mogelijk, in de maanden waarin de piekbelasting lager is dan in de winterperiode, de noodzakelijke revisies van de produktie-eenheden uit te voeren, zonder dat de kans dat onvoldoende produktievermogen ter beschikking staat (de zogenaamde kans op onvermogen) groter wordt dan tijdens de maximale belasting. Er blijft gedurende de zomerperiode echter geen produktievermogen over dat elektriciteit kan leveren aan een opslagsysteem, waaruit in de winter zou kunnen worden geput, zodat seizoenopslag van elektrische energie niet mogelijk is. Voor de toepassingsmogelijkheden van een opslagsysteem voor elektrische energie in Nederland moet gedacht worden aan afvlakking van het dagof weekpatroon van de belasting. Bij onderzoek naar de invloed op de produktie moet hierbij het totale landelijke belastingpatroon worden beschouwd, gegeven het gekoppeld bedrijf. De figuren ! t/m 4 geven een indruk van het normale weekpatroon. Hierin wordt het patroon gegeven voor een viertal weken die representatief zijn voor resp. lente-, zomer-, herfst- en winterperiode.

-84Het patroon kan als volgt worden gekenmerkt: I. Het belastingniveau van de zaterdag en de zondag ligt aanmerkelijk lager dan dat van de werkdagen. 2. Het belastingniveau van de maandag ligt iets hoger dan van de overige werkdagen. 3. Het dagpatroon wordt gekenmerkt door een nachtdal dat vrij diep is, een morgenpiek, een middagdal en een avondpiek~.

Voor de toepassing van opslagsystemen is de duur van de belastingpiek die moet worden afgevlakt van groot belango De investeringen van opslagsystemen zijn gerelateerd aan de hoeveelheid energie die moet worden opgeslagen. Deze hoeveelheid is afhankelijk van zowel de hoogte als de duur van de piek. De investeringen voor produktievermogen dat zou kunnen worden uitgespaard, zijn (afgezien van de mogelijkheid goedkopere produktiemiddelen te kiezen voor een korte bedrijfstijd) slechts afhankelijk van de hoogte van de piek. Voor de beoordeling van de mogelijkheden van de toepassing van opslagsystemen is het daarom zinvol onderscheid te maken tussen:

a. Afvlakking van de morgen- en avondpiek t.o,v, het middagdal (piekscheren). b. Afvlakking van de dagpieken t.o.v, het nachtdal. o. Volledige afvlakking van het weekpatroon.

ad a.

Afvlakking_x~~_~~_~~~~~n- en avond~iek t.o.v, het midda~~al In de figuren I t/m 4 is aangegeven hoe met behulp van een opslagsysteem de morgen- en avondpieken van de belasting zouden kunnen worden afgevlakt t°o.v, het middagdalo Ook het nachtdal kan hier enigszins mee worden afgevlakt. In de figuren 5 t/m 8 is één en ander iets nauwkeuriger aangegeven voor een aantal woensdagen resp. in de lente-, zomer-, herfst- en winterperiode.

~Meerdere belastingwisselingen kunnen bij individuele verbruikers wel optreden, maar door het grote aantal afnemers, de on~elijktijdigheid en de onderlinge koppeling wordt hiervan bij de produktie niets bemerkt.

-85-

Bij de belasting zoals deze was in het jaar 1975 zou bij maximale toepassing van deze afvlakking de maximale belasting ca. 400 à 450 MW lager kunnen zijn, zodat het tenminste vereiste produktiever~_~~~~ ~~~_~±~~. x 400 à 450 = 500 à 600 MW omla~$, zou kunnen (d.i. ca 5 à 6%).

Daarvoor zou een opslagsysteem moeten worden geïnstalleerd, dat indien verbonden met het koppelnet, tenminste een capaciteit van ca. 1000 MWh (+ reserve) zou moeten hebben (oppervlak van de maximaal afgevlakte piek, zie fig. 8) en eveneens een gelijktijdig vermogen van 500 à 600 MW.

De invloed van de afvlakking op het rendement van de elektriciteitsproduktie zal in dit geval gering zijn. De rendementskrommen van conve~tionele centrales in het regelbereik tussen 60% en 95% zijn zeer vlak, zodat deze belastingvariaties zonder noemenswaardig rendementsverlies kunnen worden opgevangen. In de nabije toekomst zullen voor het afvlakken van de ochtend- en avondpiek ook STEG-eenheden kunnen worden ingezet, waarvan de opstartverliezen zeer gering zijn en het rendement zeer hoog. Een geringe verbetering van het gemiddeld rendement zal wellicht optreden omdat in het nachtdal iets minder ver behoeft te worden teruggeregeld. Daar staat tegenover dat ook de opslag energieverliezen met zich mee zal brengen.

ad b.

Afvlakkin$. van de ~~~~ieken t.o.v, het nachtdal

Indien zou worden overgegaan tot volledige afvlakking van de dagbelastingkromme gedurende de werkdagen, dan zou aanmerkelijk meer opslagcapaciteit moeten worden geïnstalleerd. In de figuren 9 t/m 12 is aangegeven hoe dit tot afvlakking van het weekpatroon zou kunnen leiden. De figuren 13 t/m ]6 geven dit meer gedetailleerd aan voor een aantal woensdagen.

Bij de belasting zoals deze was in het jaar 1975 zou hiermee de maximale belasting met ca. 1400 à 1500 MW kunnen worden verlaagd zodat het tenminste vereiste produktievermogen 1,25 x 1400 à 1500 MW = 1800 à 1900 MW lager zou kunnen zijn (d.i. ca. 18 à 20%).

Daarvoor zou een opslagsysteem moeten worden gelnstalleerd met een capaciteit van ca. 13.000 MWh exclusief reserve (oppervlak belastingpiek, zie fig. ]6) en wel een gelijktijdig vermogen van eveneens ]800 à ]900 MW. Een dergelijke rigoreuze afvlakking als hier voorgesteld, zou het rendement van de elektriciteitsopwekking merkbaar kunnen beïnvloeden. Het rendement van de elektriciteitsopwekking vertoont gedurende decennia reeds een stijgende tendens. Dit is een gevolg van verbetering van het rendement van nieuwe produktie-eenheden t.o.v, oudere.

Nog steeds echter zijn in het produktiepark oudere eenheden aanwezig~ die door nieuwere met een beter rendement worden vervangen. Het rendement van de elektriciteitsproduktie in ~974 was 36,7%. In ]975 was dit 37,1___~%. Door het buiten gebruik stellen van oudere eenheden en landelijke optimalisatie van de bedrijfsvoering via het koppelnet lijkt een stijging tot 38 à 39% mogelijk. Zou daarnaast een opslagsysteem worden toegepast waarbij de belasting volledig wordt afgevlakt dan lijkt een stijging tot 40% niet onmogelijk. Het verschil als gevolg van toepassing van afvlakking zou in de orde van ! à 1,5% kunnen liggen. Tegenover de verbetering van het opwekrendement staan echter ook in dit geval de verliezen bij de opslaB, welke nu aanzienlijk kunnen zijn omdat de hoeveelheid opgeslagen energie groot is t.o.v, de totale produktie.

ad c.

Volled~~~ afvlakkin~~ van het weekpatroon

Indien gedurende het weekeinde energie wordt opgeslagen ten behoeve van de werkdagen zou nog een verlaging van het tenminste vereiste produktievermogen mogelijk zijn. Deze verlaging is in verhouding tot de vereiste opslagcapaciteit echter klein in vergelijking met de gevallen a en b. De mogelijkheid hiertoe vergt echter nadere studie omdat de huidige praktijk is dat het weekeinde wordt gebruikt om kleine storingen, waarvoor de centrales niet direct uit bedrijf moeten, op te beffen.

-87-

II .~2. De plaatsing van opslagsystemen in het koppelnet, transport of distributienet

De plaats waar opslagsystemen in het net worden opgenomen, zal veelal mede afhankelijk zijn van de conceptie van het opslagsysteem. Eenheden van groot vermogen, zoals de genoemde pompcentrales, kunnen alleen op het koppelnet of transportnet worden aangesloten. In hoeverre het voordelen en nadelen biedt kleinere systemen dicht bij de verbruikers, eventueel in het distributienet op te nemen, kan niet zonder nadere studie gezegd worden. Enige algemene opmerkingen hierover zijn echter wel zinvol: - Door plaatsing in het distributienet, dichtbij de verbruiker zou de capaciteit van het transport en/of distributienet tussen het opslagsysteem en het koppelnet kleiner kunnen zijn. Dit kan echter ook door de plaatsing van kleine (reserve) produktieeenheden (gasturbines). - De plaatsing dicht bij de verbruiker heeft tot gevolg dat de belastingschom~elingen bij de verbruiker worden afgevlakt. Hierdoor gaat het effect van de automatische afvlakking door de ongelijktijdigheid van de belastingschommelingen b~j de verschillende verbruikers verloren. Hoe dichLer bij de verbruiker, hoe meer dit effect verloren gaat. Dit zal tot gevolg hebben dat om een zelfde mate van afvlakking bij de produktie te verkrijgen een grotere opslagcapaciteit nodig is. Doordat hiervan, gebruik wordt gemaakt, zullen ook de verliezen toenemen.

,,o ,.

--’~- BELASTING IN°/oVAN MAXIMALE BELASTING

~ o

~o

~

o

ô

ô I

0

ITI

FIGUUR 3 HERFSTWERK

90

X Z

40 0 ZATERDAG

24 ZONDAG

~8 ~IAANDAG

72 DINSDAG 96 VVOENS~A~120DONDERDAG144 V~JDAG 168 ~ UREN

FIGUUR 4

WINTERWEEK

9O 8O 7O z

5O

0

ZATERDAG 24 ZONDAG

KEMA DATUM ’76-03-19 ARNHEM

~8 MAANDAG

72 D’NS~G

96 WOENSE~GI20DONDER~G1/-+~

VRUDAC- 168 ~ UR EN

-93Mw

7000

6000 660(

640( 6200 600C 580C 560C

5400 5200 5000 480C 4600 440, 420

400(

3800 3600 340O 3200 0

III 246

FIGUUR 6

10

14 16 18 20 22

24h

DAGBELASTINGSKROMME VAN NEDERLAND OP WOENSDAG 16 JULI 19’75

GEGEVENS OVER JULI 1975 OPGEWEKTE ENERGIE 3488347 MWh 3323 022 MWh NUTTIG AFGEGEVE.N ENERGIE AFGEGEVEN AANHET VOORZ.GEBIED 3338?33 MWh KOLEN.AANVOER -- TON KOLENVER BRUIK 571 TON OLIEAANVOER 82 789 TON OL~E VERBRUIK 31 614 TON AARDGASVERBRUIK 84,9 409 x 10

16-10-’75

12

GEGEVENS VAN WOENSDAG 16 ,]ULI 1975 OPGEWEKTE ENERGIE 109 284 MWh NUTTIG AFGEGEVEN ENERGIE 104 234MWh AFGEGEVEN AAN HETVOORZ.GEBIED 106 563MWh BESCHIKBAAR PROD. VERNIOGEN ~4W ~ELA ST IN G FAKTOR 0.83 MAXIMUM BELASTING TE 1OhO0 5 518 MW

FIGUUR 9 LENTEWEEK

40 ZATERDAG

KEMA ARNHEM

DATUM ’ 76 - 0 3 -19

24

ZONDAG ~8 MAANDAG 72 DINSDAG

96 WO~NSDAG120 DONDERDAG144 VRUDAG 168

FIGUUR 10 ZOMERWEEK

80 z

~- 70

z

>~50

30

0 ZATERDAG

KEMA DATUM’?6_03_19 ARNHEM

24 ZONDAG

~-~8 MAANDAG

72 DINSDAG 96 WOENSDAG12 oDONDERDAG144 VR,~DAG 168 ---UREN

BELASTING IN°/o VAN MAXIMALE BELASTING

N

-r

FIGUUR 12 WlNTERWEEK

100

o 90

ZATERDAG 2/-, ZONDAG KEMA DATUM ’76-03-19 ARNHEM

~8 MAANDAG

72

DINSDAG

96

WOENSDAG120DONDERDAGIZI~ VRIJDAG 168 --- UREN

-100-

Mw

7800 7600 7400 7200 7000 6800 6600 6400 6200 6000 5800 5600 5400 5200 5000 &800 4600 4400 4200

4000 0

2

4.

6

8

10 12

14. 16 18 20 22 24.h

FIGUUR 13 DAGBELASTINGKROMME VAN NEDERLAND OP WOENSDAG 16 APRIL 1975: GEGEVENS OVER APRIL 1975 OPGEWEK"fE ENERGtE

/-,,02.,8,{,28 ~~h

GEGEVENS VAN WOENSDAG 16 APRIL 1975

NUTTIG AFGEGEVEN ENERGIE

385~680 MWh NUTTIG AFGEGEVEN ENERGIE

OF~EWE’K’TE ENERGIE

’} ,,í,& &’7 5

MWh

138;’41 MWh AFGEGEVEN AAN HE~ VOOR7.. GEB~ED 3871952 MWh AFGEGEVE~ AAN HET VOORZ. GEBtED "~39"~92 MWh KO L ENAA NVOE"R 3226 TON BESCHIKBAAR PROD, VERMOGEN 12t,,46 MW ~’,.OL ENV E RBRUtX. I’~ 651 ’TON BELASTINGFAK’TOR 0.813 3LIEAANVOER 68519 TON MAXIMUM BELASTING TE lOhoo 7445 MW 3L~EV ERBRUW, 53297 TON AARDGASV~RBRUIK 991.885xt0~

GET,: 1_7.í75

Mw

7000 6800 6600

64O0 6200

6000 5800 5600

5400 5200

5000 4800 4600 4400 4200 4000 3800

3 600 3400 3200

0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24h F~GUUR 14

i

DAGBELASTINGKROMME VAN NEDERLAND OP WOENSDAG 16 JULI !975

’3EGEVENS OVER ,JULI t975 NUTTIG AFGEGEVEN -ENERGIE

IKO LENAANVOER 0Ll E~NV£ER

16-10-’75

3488 347 MWh 3323022. MWh 3338733 MWh -- TON 5’71 TON 82789 TON 31 514 TON

GEGEVENS VAN WOENSDAG !6JULI!9’75 OPGEWEKTE ENERGIE 109 284 NUTTIG AFGEGEVEN ENERGIE 104 234 AFGEGEVEN AAN HET VOORZ.GEBIED 106 563 BESCHIKBAAR PROD. VERMOGEN B E L ASTINGFAKTOR 0.83 MAXIMUM BELASTING TE 10hO0 5518

MWh MWh MWh MW MW

-102-

8000 7800 7600 7400 7200 7000

66{

6200 6000 5800 5600 5400 5200 5000 4800 4600

4200 0

2

4.

5

8

10 12

14. 16 18 20 22 2!,,h

FIGUUR15 DAGBELASTINGKROMME VAN NEDERLAND

OP WOENSDAG 15 OKTOBER 1975 GEGEVENS OVER OKTOBER 1975 OPGEWEKTE ENERGIE 4333123 iVlWh NUTT{G AFGEGEVEN ENERGIE 4,1480~9 MWh AEGEGEVEN AAN HET VOORZ. GEBIED 4173569 MWh KOL ENAANVOER 10008 TON KOLENV ERBRUIK 7270 TON OLIEAANVOER 93106 46414 TON OLIEV ERBRUIK 47~57 TON AARDGASVERBRUIK 1060073 xlO3m3

GEl: 76_02_5

GEGEVENS VAN WOENSDAG ’~5 OKTOBER 1975 OPGEWEKTE ENERG{E 149619 MWh NUTTtG AFGEGEVEN ENERGIE. 143424 MWh AFGEGEVEN AAN HET VOORZ G~IED 143 503 MWh BESCHIKBAAR PROD. VERMOGEN 1077"7 MW BE LASTINGFAKTOR 0. B55 MAXIMUM BELASTING TE 19h00

7599 MW

7~

0 u_

-10~-

VOORSTEL ONDERZOEKPROGRAMMA "ENERGIE-OPSLAG IN VLIEGWIELEN"

BIJLAGE III Berekening van de kWh-kosten voor verschillende energie-opslagsystemen toe te passen in de elektriciteitsvoorziening.

III.I. Inleiding

Teneinde te onderzoeken welk opslagsysteem uit kostenoogpunt de beste vooruitzichten biedt, is een raming gemaakt van de kosten per door het opslagsysteem geleverde kWh op basis van investeringskosten en kosten van toegevoerde energie. In feite zijn deze kosten moeilijk te isoleren, omdat zij een produktie betreffen, die deel uitmaakt van een groter systeem. Bovendien is de prijs per kWh weinig zeggend, omdat de mogelijkheid van toepassing staat of valt met de baten, die er tegenover staan. De kosten zijn hier dan ook alleen berekend ter vergelijking van verschillende opslagsystemen. Een aanzet tot het uitvoeren van een optimalisatieberekening wordt beschreven in "Vliegwielen en andere energie-opslagsystemen" door A.A. de Boer et al in Energiespectrum l, pag. 158 ~l0~.

De kosten per kWh zijn wel illustratief wanneer zij vergeleken worden met de kosten per kWh van een piek-unit (gasturbine). Wanneer deze vergelijkingsmogelijkheid moet worden nagestreefd, is eveneens bepaald welke kostenposten in de berekening moeten worden opgenomen.

De kostengegevens zijn gebaseerd op investeringskosten van opslagsystemen, afkomstig uit de EPRl-studie 18~ en kosten van toegevoerde energie afkomstig uit een basislasteenheid. Met eventuele bedrljfs- en onderhoudskosten is geen rekening gehouden. Bij de investeringskosten is zoals gebruikelijk onderscheid gemaakt tussen kW- en kWh-afhankelijke investeringskosten. De investeringskosten zijn voor elk opslagsysteem gekoppeld aan het begrip "economisch optimale systeemgrootte" (zie pag. I05).

111.2. Definities, gegevens en aannamen

jaar~.roduktie van het opslagsysteem (kWh) Bedrijfstijd in uren = nominale belasting van het opsla~systeem (kW)

~~~~~jfsfactor van een ~~~~~~~Z~~~~~ bedrijfstljd in uren b = aantal ure~ in een jaar ’(’8760)

_C~clusrendement van een o~_sl_agsysteem door opslagsysteem geleverde energie (kWh) aan systeem toegevoerde energie (kWh)

De kW-afhankeliike investeri~~skosten (C ~_~~_~~_~_W~_z~~~~~~~~ii~~ investeri~~.skosten Het onderscheid kan het eenvoudigst aan de hand van een voorbeeld worden geïllustreerd, b.v. accubatteríjen. De kosten van de aecu zelf worden bepaald door de hoeveelheid energie, die erin kan worden opgeslagen; de kosten zijn dus k~¢h-afhankelijk. De omvormers en andere hulpapparatuur bepalen de maximale snelheid waarmee de accu’s opgeladen resp. ontladen kunnen worden; hiermee wordt het vermogen van de accu vasggelegd. Deze kosten zijn kW-afhankelijk.

Economisch De economisch optimale systeemgrootte van een opslagsysteem zoals bepaald in de EPRl-studie ~8~ is die opslagcapaciteit waarbij de kosten minimaal zijn. Dit wil zeggen dat de kosten C en C hoger zullen zijn als de gelnp s stalleerde opslagcapaciteit groter of kleiner is dan de economische optimale systeemgrootte. Dit vormt een beperkende factor voor een algemene onderlinge kostenvergelijking op kWh-basis, omdat de toename van de kosten per kWh voor een andere dan de optimale systeemgrootte voor elke capaciteit afzonderlijk berekend moet worden (zie III.5.).

De kosten van I kWh uit een basislasteenheid De aan het opslagsysteem toegevoerde energie ~s afkomstig uit een basislasteenheid.

-106-

De kosten van 1 kWh uit een moderne oliegestookte basislasteenheid bedragen blijkens gegevens van de SEP I 71: - aan brands~of

D = 0,042 (f/kWh)

Kapitaalkosten worden niet gerekend; aangenomen is dat deze volledig verdisconteerd zijn in de prijs van de kWh’s, die rechtstreeks aan het net worden geleverd. De energie wordt toegevoerd tijdens een periode waarin anders weinig energie wordt geleverde Het zou onjuist zijn de kosten eenvoudigweg te berekenen als de totale kWh-kosten voor basislastcentrales, omdat die gemiddelde kosten afhankelijk zijn van factoren, die in het geval met en zonder opslag van elkaar verschillen. Men moet derhalve berekenen welke kosten zijn verbonden aan het opnemen van een bepaalde hoeveelheid energie, die anders niet zou zijn opgenomen. Men kan hierbij twee wegen bewandelen zoals al in de inleiding werd uiteengezet: Als men de werkelijke kosten wil berekenen van het opslagsysteem in vergelijking met het systeem zonder opslag en zonder alternatief voor piekproduktie, beperken de kosten zich tot de verliezen aan brandstof t.g.v. een rendement < ] van het opslagsysteem. De kostenpost voor toegevoerde energie K3 is in dit geval gelijk aan Is er wel een piekproduktie in de alternatieve situatie, dan moet men de kosten vergelijken met die van de installatie, die anders voor eenzelfde peak-shaving gebruikt zou worden. Voor het systeem met opslag geldt dan~ dat de volledige hrandstofkosten moeten worden berekend: KB = ~ D; aan de batenzijde verschijnen dan de kosten per kWh van elektriciteit tijdens de piekuren geproduceerd door bijv. de gasturbine.

De investeri~$skosten In het EPRl-rapport worden de investeringskosten opgesplitst in een opslaggedeelte C , uitgedrukt in $ per kWh te leveren energie en een pros duktiegedeelte Cp, uitgedrukt in $ per KW opgesteld vermogen (N.B. in dollars 1975). De bedragen zijn voor apparatuur inclusief installeringskosten met een toeslag voor onvoorzien, maar zijn exclusief eventuele rentekosten tijdens constructie. Eventuele bedrijfs- en onderhoudskosten zijn niet opgenomen.

-107-

Een overzicht van de investeringskosten omgerekend naar guldens met I$ = f 2,50, alsmede van de in het rapport berekende technische karakteristieken zoals toepassingstermijn, meest economische opslagcapaciteit, levensduur, cyclusrendement en bouwtijd zijn verzameld in tabel 2.1. (zie pag. 23).

Annulteitenpercent~~~ Aangenomen is een rentepercentage van 10%. De levensduur van elk systeem is in tabel 2.1. (zie pag. 23) vermeld. Met behulp van deze gegevens is het annulteitenpercentage vastgelegd.

111.3. De aangenomen modellen en het gebruikte algorithme

Bij de uitvoering van de kostenberekeningen zijn de gegevens van tabel 2.1. (zie pag. 23) verwerkt in twee modellen:

a)

Totale afvlakking van de dagbelastingscurve Het nachtoversehot wordt overdag verbruikt (één energiewisseling per etmaal). Gevariëerd worden het aantal dagen d waarop één energiewisseling plaats vindt bij een bedrijfsfactor b = 0,1 en b = 0,2.

b)

Piekscheren Het model is afgeleid van de hoogste dagbelasting van het openbare elektriciteitsnet in 1975 (zie figuur III.1.). Hiervoor zijn eenvoudigheidshalve sinusvormige energiewisselingen aangenomen met een amplitude van 100 MW en een cyclusduur van 2 uur (zie figuur 2.1.). (op pag. 24). Gevariëerd wordt n (het aantal energiewisselingen per etmaal).

Voor de kostenramingen van I kWh elektrisch geleverd door verschillende opslagsystemen is de volgende formule gebruikt: K

o

= K1 + K2 + K3

Hierin is: K O

= de kosten van I kWh elektrisch uit een opslagsysteem (f/kWh)

-108C . a/lO0 KI = P 8760 , b

’

~kW-afhankelijke kosten]

(f/kWh)

C . a/100 K2 s d . n

rkWh-afhankelijke koste~1 ’ -

(f/kWh)

KI en K2 tezamen vormen de opslagkosten voor 1 kWh. K3 =

I~ -~

D resp. ~ . D, Ekosten van toegevoerde energie_] (f/kWh)

kW-afhankelijke investeringskosten (f/kW) k~¢n-afhankelijke investeringskosten (f/kWh) annulteitenpercentage van de investeringskosten C en C p s bedrijfsfactor aantal dagen per jaar waarop energiewisselingen plaats vinden gemiddelde aantal energiewisselingen per etmaal eyclusrendement (round trip efficiency) van klem tot klem brandstofkosten van de energie leverende centrales (f/kWh) 8760: het aantal uren per kalenderjaar

De baten werden niet berekend. Deze zijn - voor een alternatief systeem zonder piekscheren: besparing op investeringen en rendementsve~betering voor het "geschoten" systeem - voor een alternatief met piekscheren: de kosten per kWh van de gasturbine systemen zijn, de berekende waarde voor K° een indruk van Aangezien identiek deze posten bijgeeft vergelijking van overigens vergelijkbare

de kostenverschillen tussen de verschillende systemen.

III.4. Resultaten

- In tabel III. I. wordt in het geval van totale afvlakking van de dagbelastings~urve de kosten van 1 kWh elektrisch uit opslag vermeld voor een aantal opslagsystemen als functie van het aantal dagen dat het opslagsysteem wordt gebruikt en twee bedrijfsfactoren - In tabel III.2. worden in het geval van piekscheren de kosten van | kWh elektrisch uit opslag vermeld voor een aantal opslagsystemen als functie van het aantal energiewisselingen per etmaal

-109-

111.5. Opmerkingen en voorlopige conclusies

1.

In het geval van totale afvlakking van de dagbelastingscurve (tabel III.|.) is een grote opslagcapaciteit vereist. In het geval het opslagsysteem bij een 1000 MW centrale wordt geïnstalleerd, zal de benodigde opslagcapaciteit in de orde van 1000 MWh liggen. Als men uitgaat van de landelijke dagkromme zal zelfs een opslagcapaciteit van 13000 MWh moeten worden geïnstalleerd (zie Bijlage 11.1., blz.

82 e.v.). Bij de hier beschouwde opslagsystemen hebben accu’s, vliegwielen en waterstof een economisch optimale systeemgrootte in de orde van enige tientallen MWh. Gegeven een hoeveelheid onderzoek en ontwikkeling hebben deze opslagsystemen echter wel het voordeel dat nieuwe ontwikkelingen gemakkelijk in een verdere schaalvergroting zijn op te nemen.

2. In het geval van piekscheren (tabel III.2.) is een kleine opslagcapaciteit vereist. Hoewel het inzicht ontbreekt in welke mate de kosten van de systemen met een grote economisch optimale systeemgrootte (pumped storage, gecomprimeerde lucht, thermische opslag en supergeleidende magneten) zullen toenemen als men hiervan een kleine opslagcapaciteit wil installeren kan wel worden gesteld dat in dat geval de de kosten K° worden voor die opslagsystemen die een kleine kWh-kosten van deze vergeleken systemen veel hoger zullen zijn. Wel kunnen hier

economisch optimale systeemgrootte hebben. In hoofdstuk 2 van het onderzoekvoorstel (pag. 18 e.v.) worden in het geval van piekscheren de kosten K van accu’s, vliegwielen en waterstof met elkaar vergeo leken en worden daaruit conclusies getrokken.

3. Op basis van het bovenstaande zijn alleen conclusies getrokken met betrekking tot de opslagsystemen die eenzelfde economisch optimale systeemgrootte hebben. In het geval van totale afvlakking van de dagbelastingscurve zijn de kWh-kosten het laagst voor verpompte opslag (pumped storage), gevolgd door gecomprimeerde lucht en supergeleidende magneten. In het geval van piekscheren zullen op basis van de resultaten in tabel III.2. geavanceerde aceu’s en vliegwielen in aanmerking komen.

~~~’~ TV- Uitzehding

~~

2000 2

4

6

8

10

12 1/.

16 18 29 22 2Lh

Fig. III.I, Hoogste en laagste dagbelasting van het openbare

net in 1975 en afwijking in de belasting veroorzaakt door bijzondere televisie-uitzending. Uit: "Electriciteit in Nederland ]975", pagina 35.

Tabel 111.1.

Totale afvlakking van de dagbelastingscurve (I energiewisseling per etmaal)

Kostenranges voor I kWh elektrisch uit opslag centen

300 dagen

150 dagen

365 dagen

Opslagsysteem

b = 0,I

b = 0,2

Pumped Storage

4,5 -

Gecomprimeerde lucht

6,8 - 15,3

8,2

Thermische opsl~dmv stoo~ 11,8 - 22,1

3,1 -

4,9

4,3 -

7,0

3,0 -

4,7

5,2 - 11,9

6,4 - 12,5

4,8 -

9,1

6,3 - 12,0

4,7 -

8,6

9,5 - 18,2

9,1 - 15,8

6,8 - 11,9

8,6 - 14,7

6,3 - 10,8

6,4 -

8,3 - 11,7

6,0 -

5,9

4,4 -

10,9 - 14,9

8,6 - 11,0

8,7 - 12,2

Loodac~u’s

27,5 - 42,4

25,5 - 40,2

16,7 - 24,5

6,9 - 15,8

5,8 - 10,6

8,0 - 17,1

b -- 0,2

7,2

3,2 -

Thermische opslag dmv oli~

Geavanceerde accu’s

b = 0,1

b = 0,2

b = 0,I

8,3

14,8 - 22,2 4,7 -

9,3

14,8 - 21,2 5,4 - 9,4

7,9

12,8 - 19,0 4)3 -

8,1

Vliegwielen

22,2 - 60,2

21,I - 58,9

12,8 - 31,9

11,7 - 30,7

II,I -

26,9

10,0 - 25,7

Waterstof

24,0 - 38,4

15,1 -

23,3

23,3 - 36,9

14,5 - 21,8

23,2 - 36,6

14,4 - 21,5

7,5 - 27,9

5,5 - 15,7

Supergeleidende magneten

Opmerking

8,3 - 28,8

4,8 - !5,0

5,1 - 13,7

4,3 - 12,7

D. Indien de volledige brandstofkosten moeten De kostenranges gelden voor het geval dat K3 = worden berekend dan zullen alle getallen een bedrag van 4,2 cent hoger zijn.

Tabel 111.2.

Piekseheren (n energiewisselingen per etmaal)

~cente~ Kostenranges voor I kWh elektrisch uit opslag ~~ -

365 dagen Opslagsysteem

n= I

n-- 3

n=2

4,1 -

6,2

3,6 -

5,2

3,3 -

4,6

12,2

5,9 -

9,9

5,3 -

8,4

4,9 -

7,5

8,3 - 13,1

6,7 - 10,4

5,7 -

8,6

5,1 -

7,5

11,4 - 17,4

8,2 -

12,2

6,6 -

9,6

5,6 -

8,0

5,0 -

7,0

13,8 - 17,9

9,9 - 12,5

7,9 -

9,9

6,4 -

8,3

6,0 -

7,3

4,8 -

6,5

4,0 -

5,2

3,5 -

4,4

3,1 -

3,9

6,5 - 12,0

5,2 -

9,3

4,4 -

7,7

3,8 -

6,6

11,7 - 20,1

6,6 - 10,7

4,9 -

Gecomprimeerde lucht

15,5 - 31,5

9,1 - 16,9

6,9 -

Thermische opsl~dmv stool

21,2 - 36,6

11,6 -

Thermische opslag dmv oli~

21,4 - 33,6

Loodaccu’s

25,9 - 34,0

Geavanceerde accu’s

11,8 -

Vliegwielen

17,1 - 33,9

Waterstof

73,1 -122,5

Supergeleidende magneten

9,5 -

19,0

n=6

n= 5

7,6

Pumped Storage

16,9

n= 4

6,5 -

18,9

9,0

9,1 - 17,5

38,5 - 62,7 5,3 - I0,0

27,2 - 43,3 3,9 -

7,1

21,8 - 33,9 3,3 -

5,6

18,4 2,9 -

28,1 4,8

16,3 - 24,3

2,6 -

4,2

D. Indien de volledige brandstofkosten moeten kos tengegevens gelden voor het geval K3 = ~~ worden berekend (K3 = -- D) dan zullen alle getallen een bedrag van 4,2 cent hoger zijn.

-113-

VOORSTEL ONDERZOEKPROGRAMMA "ENERGIE-OPSLAG IN VLIEGWIELEN"

BIJLAGE IV Korte beschrijving van opslagsystemen

Inleiding

Op basis van de vorm van opgeslagen energie wordt in het volgende een beknopt overzicht gegeven van de technische karakteristieken van een aantal opslagtechnologieën.~

Er worden vier groepen van opslagvormen onderscheiden: - mechanische energie - thermische energie - chemische energie - electromagnetische energie

~Uit Kalhammer, F.R. en T.R. Schneider. Annual Review of Energy, Vol. I. Palo Alto, California, National Science Foudation 1976, 311.

ENERGYSTORAGE 323

METHODS AND TECHNOLOGIES OF ENERGY STORAGE In tbo following sections, we re’dew energy storaga technologies with potential for appiication to national|y significant uses. On tbo basis of tbo stored energy forto, these technologies rail under fout broad groups: mechanical, thermal, chemical, and electromagnetic energy storage, Each storage method bas specific technical and cost eharacteristics. These are discussed bï¢fly; a comparison table is incinded with the Summary section. Mechanical Energy Storaye HYDROELECTgIC PUMPEO STOR&GE ("PUMPED FIyDRO") This

m~thod is based on pumping water from a lower toa higher level with exponditure of pumping energy. Much of this energy is recovered by allowing the water to return to the lower level through a turbine drlving an electric generator. The water may be pumpad between two dedicated reservoirs, or the lower (upp~r) reservoir may be a naturally occurring body of water such as a lake, rivet, or ocean. Hydro pumped storage is a technology already in a mature state of development, and an extensive body of knowledge exists (48, 49L Continuing improvements in performance are being made, but the basic energy conversion devices are well developed and available from major equipment supplies. Many plants have heen huilt and more are planned, and new pIant costs can be estimated with considerable reliability. Properly designed plants operate eflicienfly and with Iow maintenance costs (50). Research and devdopment problems relate mainly to the proposed underground siting of Iower reservoirs 151, 52) and to overcoming environmenlal objections to siting (53). In underground pumped storage the Iower reservoir and power pinnt are Iocated in de~p underground cavems and the upper reservoir is at the surface. By being free of surface topographical restrictions, the siting of these underground plants should be considerably easier than the siting of conventional pumpod storage Inciblies. The underground reservoir and power piant could use naturally occurring caverns, abandoned mines, or a mined-out cavern consisting of a tunnel labyrinth excavated specificaIly for the pumped storage reservoir. In existing mine sites, firsthand knowledge of the subsurface rock formations is available, and existing shafts can be used. With the elevation difference (head) between the upper and Iower reservoirs now a variable parameter, the major design restrictions are equipment capability and rock conditions. If very high heads are used, there may be cost penalties associated with very deep mining; nevertheless, mining costs per unit of energy storage capaÒty shouid decrease with depth because of proportional reductions in the volume of the reservoir. Depending upon the head selected, there are several ehoices of equipment and powerhouse arrangements and also the option of using an intermediate reservoi~ and powerhouse. The latter would permit the use of conventional ~quipment despite heads with a very high total pressure.

Several engineering cost estimates have been made and at Mast one utility bas filed for a license t’rom the Federal Power Commission for a potential underground hydro pomped stage installation (GPU Service Corporation). Without taking credit Inr mined rock, the existing cost estimates are in the neighborhood of $200/kW for a sufliciently large head. The installation of at least one underground pumped hydro plant should occur by 1992 (53). Equipment needed for underground pumped hydro is commercially available and in widespread use for onventional hydroel~ctric and pumped storage facilities. S~veral manufacturers are developing equipment capable of handling very high heads in a single lift. This equipment should improve tbc economics of underground pumpod hydro. Underground construction and mining teehnologies are available anti can he adapted for this system. The largest uncertainty is the underground reservoir: its cost, durability with pressure cycling, and the rare of water leakage into the lower reservoir. Costs are heavily dependent upon suitability of the sile and local labor conditions. Given a sp¢cific site and knowledge of the geological Incation~, good accuracy in the cost estimates is expected. Since the economics of seale in pumpéd hydro dictates sizes in the range of 200-20~0 MW, these units require substantial transmission facilities unless sites can be developed within or near large urban load

conceived, uses a modified combustion turbine {split Brayton cycle}, uncoupling the the intermediate storage of compressed air. During off-peak Ioad periods, the turbine is disengaged and the compressor is driven by the generator, whieh is now used as ~, motor and takes its po’~er from other generating units through the peak Inad periods when it is mixed with fuel in the combustion chamber," burned, and expanded through the turbine. During that period, the compressor cintch is disengagad and the entire output of the turbine is used to drive the generator, which reeds power to the electrieal system. power output of the turbine, the rating of the gas turbine operating from the stored eompressed air is Increased roughly by a factor of 3. This permits redesign of the alindynamic and thermodynamic restrictions inherent in de~igns of conventinnal operating from stored compressed air are in the range of 4000 Btu/kW-hr to 5400 Btu/kW-hr. A compression/generation energy ratio in th¢ range of 0.65-0.75 ~ln an advanced concept proposed by I. Glendenning of the Central EI~ctricity Generaling Board Engineering Laboratories. Marchwood. United Kingdom. the heat liberatedduring compression would be stored and used to reheat the air during expansion Idis¢harge),No~udwouldb¢r~qulredin t~ismode ~f ¢ompre~s*d ~ergy storage.

324

KAI HAMM~R & SCHNE]I)ER

should tm readily available. The variable maintenance cost shou[d hot be any greater than that for a conventional combustion turbine. Thecompressed air maybe stored in naturally occurring reservoirs (caverns, porous ground reservoirs, and depleted gas or oil fields) or man-made caverns (dissolvedout salt caverns, abandoned mines, or mined hard-rock caverns). Air storage may be aecomplished either at variable pressure or, through the use of a hydrostatic leg, at constant pressure. Each approach has its advantages and all are applicable to different underground reservoirs. Compressed air storage is an old concept. According to a personal communication from R. A. Huse of Public Service Gas and Electric Co., conceptual design work was underway in the late 1930s and the earliest peblic work relating to this concept is Gay’s patent (54). However, a more extensive literature on the subject was published only in the past five years (55--64). Considerable interest in this concept has been expressed in Sweden, Finland, Denmark, Yugoslavia, France, and the United States, and one commercial unit is under construction in Huntorf, West Germany (65). The required development work relates mainly to the physical-mechanical charactelistics of the storage reservoirs and the adaption and modification of existing eqt~ipment for use with suitable couplings and possibly unique valving, Some research is required to investigate: (a) geological conditions for underground storage,(b)newapproachestoundergroundcavernconstruction,(c)energylossesin stoting and moving air, (d) alternative concepts of air storage, and (e) corrosion effects on turbines from air eontamination. The major uncertainties include the cost of the air storage faeilities, the performance and durability of the storage facility with pressure and thermal cycling, and leakage from the storage reservoir, Also, additional geological survey work to identify the availability and number of possible sites is necessary before the future role of compressed air storage may tm assessed. FLYWHEEI~q Energy storagein form of the kinetic energy of a rotating mass has been used almost since the beginning of the industrial age. The t¢chnological advances in rotating machinery and high-strength, lightweight materials achieved since then espocially in the past few decades--hold out promise for longer periods and greater specific capacit y of energy storage, which raises the possibility of new applications, Most of the proposed, advanced applications of flywheel systems have been directed at either vehicular propulsion or electric utility energy storage. For vehicles, several modern applications are reported (66~9), while utility system applications have been restricted to special-purpose uses for smoothing pulsed power (70, 71}. The proposed superllywheel designs deal pñmarily with the wh~el itself without treating the full energy storage system in suflicient detail (7~74). While extensive design expeïence exists for spacecraft momentum wheels (75) and for small vehicular flywheels, the large wheels proposed for utility applications appear to be outside the size of current, state-of-the-ar t, cost-effective designs. Previous applications have used steel wheels and direct mechìnical drives. Advanced wheel designs have proposed the optimal use of essentially anisotropic materials such as glass-fiber reinforced plastic. A well-designed flywheel made from advanced compesite materials should be capable of stoñng in excess of 30 W-hr/Ib.

Basic approaches to wheel design that 6ave heen discussed in the literature include (a~ a brushlike design that uses thin rods or filaments of high-strength materials (74), (b} multi-ïm constant-thickness wheels (72L and (c) constant-stress wheels (75). Innovative designs will be necessary to achieve high working stress levels in advanced composites and must take into account realistic stress levels in fabdcated wheels, practical methods and acceptable costs of fabrication and quality assurance, and the fracture tolerance of the wheel material. Wheel configurations of high energy density and potentially Iow cost will not by themselves insure feasibility of compact, economical flywheel systems inasmuch as auxiliary and safety subsystems will contribute materially to the size and cost of a gywheel system. Thermal Energy Storage Thermalenergy storage may be defined as storage of energy in the form of (a) sensible heat and (b) the latent heat associated with phas~ changes. The major technical parameters for thermal energy storage include the storage medium, the operating temperature range, and the mode of heat exchange between the storage subsystem and the heat source/sink. Any practical system must include hot only the thermal energystorageandtransfersubsystemsbutalsoprovisionsforcontrolandinsulation. Thermal energy storage can be useful in a wide spectrum of applications, including {a) hot water heating, (b) hearing and air conditioning of buildings with off-peak (or solar) energy, (c) low-temperature process steam storage, (t0 centralstation thermal storage (for conventional or solar-thermal power plantsL and (e) industrial process heat storage. Depending largely on the temperature of the storage medium, these uses may be groupod into applications of Iow-grade (relatively lowtemperature) and high-grade (high-temperature) heat. STORAGE OF LOW-GRADE HEAT Storage of sensible heat in hot water reservoirs is established commercial practice and is not reviewed here. Heat storage in the ceramic bricks of storage heaters5 has gained commercial acceptance in Europe. Among the key tasks in making storage heaters practical were the desiga~ and refinement of control methods (31, 76). Development continues on improved ceramic materials of high spocific heat capacity and good thermal cycling ability, new approaches to highquality thermal insulation, and extension of the concept from individual room units to central systems. The operation of air conditioning systems with off-peak power requires coolness storage. Two prototypes of coolness storage systems were constructed and tested at the University of Pennsylvania (77, 78). Although coolness storage has not yet found significant applications, it would be a useful option in the service areas of summerpeaking electric utilities, and commercial applications appear to be eeonomically attractive. Storage of relatively Iow-temperature heat will be a key requirement for the residentiM and commercial utflization of solar energy, and appropriate approaches ~ Although storage heaters, strictly speaking, are hot Iow-temperature devices, they are discussed in this cate$ory because the stored energy is ultimately used as low-teml~rature heat.

326

KALHAMMER & SCHNEIEIER

have been explored experimentally (79). Thermal energy storage systems based on storage of latent (phase-change) heat are attractive in principle beeause of their high specific storage eapacit y. However. despite their greater bulk, systems using sensibleheat storage in liquids are almost certaitlly more practica[ and economical because they avoid the problems and costs associated with heat exchangers. Storage of wasle heat from power plants or industrial processes for later use is another p~ssible appli¢ation of Iow-grade heat storag¢. For example, municipa| hearing systems can be integrated with power plants via hot water storage and transport (80). This energy system approach could improve the economics of generating equipment such as fuel cells that per mit ready r t¢o,mry of their waste heat. A rather more speculative possibility is the !ong-term, sea~onal storage of waste heat in thormal wells !81 ). Detailed analyses from the standpoint of a total energy system wound be necessary to establish the merits and economie trade-offs of waste-heat storage and utilization. The comparatively high cost of transporting low-quality thermal energy is one of the major factors to be onsidered in such analyses. STORAGE OF HIGH-GRADE HEAT The advantage of storing high-temperature heat is two fold : (a) the sp¢cifie storage capacit y ofa high-grade heat storage system tends to b¢ high (comparable for exampl¢, with eheraical energy storage; sec Summary, Table 2) and (b) high-temperature heat can be converted with good eflìciency info other forms of energy, especially work. Storage of high-temperature, high-pressure steamwater mix~res is the prime example in tbis category. ~fhe basic technology of steam storage is well understood, and thermal storage bas heen in service since 1929 in the power plant of Berlin-Charlottenburg, which bas a power rating of 50 MW and a storage capacit y o| 67 MW-hr 182). Steam can be stored in st¢el tanks {83, 84), which is expensive, or in underground reservoirs (85). To be economical, innovative engineering designs must be applied toward reduetion of the costs of pressure vessels. While the basic technologies assooated with thermal storage via hot water and steam are straighfforward, the large size and high costs of the storage vessels suggest consideration of latent-heat thermal storage systems because of their higher speelde storage capacity. The problems with this approach indude corrosion by hightemp¢rature working fluids, such as fused salts, and the complex h~at transfer to and from the two-phase system. Novel approaches might prove attractive, such as a direct-contact heat exchanger (86) or the modification of steam-water storage in Ruth accumulators by addition of suitably shap¢d phase-change rnaterial. Whether latent-heat storage will find future applications depends primarily upon the development of novel heat exchanger designs and the identification of phas¢-change materials that combine high thermal conductivity and stabilily under cycling with a small change of density upon melting and freezing. In power plant applications of high-grade heat storage, steam storage would probably be uged together with a separate p¢aking turbine. In another approach, hot fe¢dwater storage would be integrated into the design of the station ; this would require a rather sophisticated main turbine. Although a thorough analysis of probable capital costs bas hOt been made, preliminary information suggests that such systems couM be e¢onomically at tractive (84) if costs of storage tanks can be r~du~ed.

ENERGYSTORAGE 327

Chemical Energy Storage In the broadest sense, chemical energy storage is the storage of energy as the chemical potential of metastable reactants that can be made to renet with a net release of energy. Storage of energy in chemical form bas two inherent advantages. The high energy density of a chemical system results in compact, generally low-ost storage and ready transportability of energy, and chemical energy is readily converted into other useful energy forms by a variety of methods and devices. These advantages are responsible for the almost exclusive use of conventional chemical fuels as today’s energy stoi;age media. The chemical energy storage methods and systems reviewed in this article meer a second eriterion that excludes conventional fuel storage : the reactant systems containing the stored energy must be re-formed readily from their reacted (the discharged) state upon addition of energy in a suitabl~ forto. This more restrictive definition focuses dO advanced methods that ~eek to retain the basic advantages of chemical energy storage while adding new characteristics that increase its usefulness. AII chemical energy storage systems may be described functionally by lhe general scheme shown in Figure 5, but widely differing subsystem configurations and conversion techniques are umd in the specific storage davices and systems reviewed in the following. chemicalenergy (charging) and the reverse process (dimharging) is performed by way of electrochemical rcactions. The el¢ctric form of input and output energy, compactbatteries potentially the most useful among advanced energy storage methods. A number of different ¢lectrochemical systems have be¢n develop¢d, or offer prospects these briefly. Key ¢haracteristics of advanced battery technologies are discus~d more thorougbly in several recent reviews (87-92L The lead-aeid batlery is the only chemical energy storage system with heat-terra prospects for application in vehicular propulsion and possibly also for utility energy storage. For applicatiort to vehicles, r~ktctiorts in v¢eight attd cost of the battery (per unit of stored energy) are highly desirable. The key to lower specific w¢ight and cost is ~t better utilization of lead; this is being achi¢ved in advanc~d designs using thin grids ~93). The use of experimental lightweight lead-acid batteries bas akeady

Energy In

*’Discharged" A, Ei, . . .

Storage System

)

£1ectrical Thermal Radiation

"C, D ....

ChemicM

Thermal

Fioure 5 Princip[e of chemical energy storage systems.

resu]ted in a significantly improved driving range of prototype vehic[es (94). It is hot yet clear whether the combination ot’]ow cost and Iong cycle lire needed for udlity energy storage can be met with state-of-the-art lead-acid batteries. Several US battery manufacturers6 are currently examining the feasibility of developing suitable designs. If the technical goals for mobile and stationary applications can be met, inexpensive mass-production techniques remain tobe devdoped before lead-acid batteries cao capture extensive new markets over the next five or ten years. lron/nicke] oxide ("nicke[/iron") and zinc/nickel oxide ("nickel/zinc’) batteries are under development for vehicular app]ications (95, 96) where they might introduce the first significant improvement in energy density over the lead-acid battery, possibly by 1980. The major technical shortcomings gassing and a significant self-discharge rare for the nickel/iron battery, limited cycle lire of the zinc electrode 6 ESB, lnc., Gould Inc, and C&D Batteries Divislon of EItra Corp,, under contracts respective[y with the E]ectric Power Research Institute, the US Energy Research and Deve[opment Admlnistration, and the Int~rnational Lead-Zinc Research Organization.

in the nicke[/zlnc batlery are likely to predude their use for uti]ity energy storage. Metal-gas batteries are lunctional hybrids between conventional batteries and fuel cells. Because of their potential for good energy density and reasonably Iow cost, the zinc-air, iron-air, and zinc-chlorine systems are the most interesting representatives of tfiis group. The zinc-air battery has been under deve[opment for many years, but problems witfi zinc electrode rechargeability have forced develo~rs into increasingly complex engineering approaches to cell design and operation ; to date, none of these bas been commercialized. The key problems of the iron-air battery are its gassnlg and self-discharge tendency. Zinc-air and iron-air batteries are handicapped with respect to e~~~ciency by the poot reversibility (high voltage Iosses) of the air electrode and with respect to energy density and cost by the need to remove carbon dioxide from the ambient air used for discharge. For these reasons alone, a pplication of melal-air batteries to utility energy storage does hot appear attractive The outlook for vehicular applications is still nncertain. The zinc-chlorine battery is attracting considerable interest, primarily because an appatently practical solution to the problem of chlorine storage bas been developed (97) at EDA tEnergy Development Associates, Madison Heights, Michigant. Potential for high etliciency, good cycle lire, and Iow cost are claimed for this battery, and a vehicle test (using a mecfianically charged batteryt was successful (98). A substantial program to develop a 20-k W-hr vehicle battery is In progress at EDA, and the merits of the zinc-chlorine battery for utility energy storage are currently being explored. Areas of uncertainty include the cycle lire of zJnc and chlorine electrodes and the ultimately achievafile eíficiency and cost of completely engineered batteries. If these questions can be resolved positively within the next two or three years, a commercial zinc-ch[orine battery could become available within another five years. Redox batteries in which the positive and/or negative active materials are dissolved in the electrolyte have been proposed (99, 100) for large-scale energy storage. The potential advantage of this approach (compared with more conventional battery designs) is that external reactant storage in tattks tends to result in relatively Iow capital costs for the storage-related part ofcapital costs. This characteristic might qualify redox batteries for accumulating and storing energy over Ionger periods for example, weekends than can be handled economically by conventional batteries. Because the development of redox batteries is at an early stage, research and development over three to live years are likely tobe required before the true potential of this new battery lype I’or large-scale energy storage can be assessed. Sodium/sulfur batteries were first described (101) by workers at the Ford Scientific Research Laboratories who introduced the battery’s key coml:~nent, the solid /~-alumina electrolyte. At the battery operating tem~erature of about 25~~330°C~ the sodium and sulfnr as well as most of the discharge products are liquids. Liquids have no structural memory ; hence, there is no possibility for the development of the cumulative, deleterious changes of the electrodes that tend to limit the lil~e of more conventional batteries. Work on sodium/sulfur batteries is currently underway in a number of laboratories around the world [for example, see (102)]. Recent results at Ford and at the

333 reactions appear tobe lack of selectivity and the difficulty of stabilizing the energ¢tic pdmary products [for a reviev¢, see( 130)]. I f these problems can be so]ved, chemical energy conversion and storage might eventually offer more eflìcient and less costly routes for the utilization of solar and fusion energy-- the energy sources of the future. ENERGY STORAGE

Probable technical and economie characteristics, and the first generation of a commercial fuel cell technology, are expected ~ be established within the next three to fout years. Advanced combustion technology such as "ho tshot" hydrogen-oxygen gas turbines also al~pear to offer potent)al for high energy conversion eflìciencies--on the order of 50~, and higher for a combined ¢ombustion turbine-steam cycle (124). Comple!e hydrog¢n energy storage syst¢ms consist of various combina~ions of hydrogen generation, storage, and reconversion. An experimental electrolyzer/ hydride storage/l~e[ cell system of 12.5-kW electric power output has recently heen described (125). A much larger prototype test facility is being designed at Brookhaven National Laboratory, with completion planned for 1977. At a projected cost of $300/kW (126), [uture electrolyzer/hydride storage/fuel cell systems might be economically justifiable for some electric utility systems. Other combinations of bydrogen energy storage subsystems have heen examined, with generally similar conclusions (9). However, the uncertainties of available cost project)ons must be recognized. Current, simplified analyses o~ hydrogen storage systems have hot eonsidered credits for special characteristics, such as benefits from dispersed energy storage (7, 9) or the high operational flexibi]iIy of hydrogen syslems 1127). On the other hand, the overall ettìciencins of hydrogen energy storage systems are likely tobe Iower and the capital costs higher, compared with several other energy storage methods. Accordingly, it is imperative that the unique advantages of hydrogen energy systems be adequately identified and, if possible, quantified to guide development and applications of hydrogen energy storage technology.

Superconducting Maynetic Ener#y Storaye (SMES) The application of superconductivity to power systems is a technology in a very early stage of deve3opm¢~l (131, 132). Tbe p~’oposed use of a supercondu¢ting inductor for energy storage takes advantage of the principle that energy can be stored in an inductor of zero resistance for, the~oretically, an infinite amounl of time. An inductor made I’rom a supereondueting mater)al and stabilized with a normal conductor is housed in a large Dewar. The superconducting magnet is charged using off-peak energy, and during peak periods, energy is fed back to the system through an inverter, which is used as a rectifier during eharging. Work on supercondueting systems for energy storage is being carried out at the Los Alamos Scientific Laboratory ( 133, 134) and the University of Wisconsin ( 135, 136). Much of the present effort is concentrated on small.scale experimental work and estimation of the economics of large SMES systems using current technology. Current cost estimates based on upward s~aling ofknown technology by s~veral orders of magnitude in size and storage eapacity--must be exarained carefully (134, 135) hefore conclusions can be reached about eventual economics. So fat, all data indicate that this will be a rather expensive method for energy storage. Further development of superconducting mater)als with high cñtieal currents and high fie/ds at reasonable cryogenic temperatures ould reduce projected system costs. Since total stored energy increases with the volume, and the quantity of superconductor and support structure increases with the surface area, the relative costs of storage should decrease as the magnet size increases. Small (100 MW-hr to 1000 MW-hr) magnets wou]d be too cost)y; oaly when sizes exce~d 10,000 MW-hr of storage capaóty do the economics begin to appear attractive. This minimum economical size requires a very large magnet that must be buried in bedrock ~o reduce the costs of support structures. Many detailed teehnical problems remain to b~ solved before SMES can be considered feasible, and substantial reductions in costs will be necessary before it can he applied to bulk energy storage in utility systems. Other applications do ex)st: SMES makes a very attrac/ive pu[sed power suppIy device (137), and its use ha conjunetion with the proposed magnet systems for controlled thernaonuclear fusion is of considerable interest. The feasibi~ity of SMES/’or utility energy storage might eventually benefit from development of supereonducting technology for these applications.

SUMMARY Storage of energy is basic to the functioning of all societies, even simple ones. Modern in dus[rial societies depend vitally on storage oi very largi amounts of energy,