Offshore-energieopslag is een kritische factor geworden voor de wereldwijde uitbreiding van mariene hernieuwbare energie. Als drijvende windparken en golfenergiearrays zich in diepere wateren begeven, vereist de intermitterende aard van deze bronnen opslagsystemen die betrouwbaar kunnen werken in zoutspray, hoge druk en corrosieve omstandigheden. Zonder effectieve offshore-opslag, wordt de beperking van schone energie tijdens perioden van lage vraag of hoge generatie sterk verhoogd, waardoor de economie van offshore-installaties wordt ondermijnd. Opkomende technologieën pakken nu deze uitdagingen aan, met oplossingen die variëren van zee-verharde accu's tot zwaartekracht-gebaseerde accu's die de oceaan zelf als opslagmedium gebruiken. In dit artikel worden de nieuwste innovaties in offshore-energieopslag en hun potentieel om de betrouwbaarheid en efficiëntie van zee-gebaseerde hernieuwbare energiesystemen te transformeren onderzocht.

Vooruitgang in Battery Technologies voor Offshore-omgevingen

Batterijopslag is de meest volwassen technologie voor offshore toepassingen, maar standaard land-based systemen falen snel in mariene omgevingen. Recente ontwikkelingen richten zich op chemie aanpassingen, behuizing ontwerp en nieuwe koelmethoden die de levensduur verlengen en de veiligheid in offshore omstandigheden verbeteren.

Lithium-ionsystemen aangepast voor marien gebruik

Lithium-ion blijft de dominante chemie, waarbij fabrikanten nu cellen produceren met corrosiebestendige behuizingen, afgesloten connectoren en drukgecompenseerde behuizingen die het mogelijk maken om op een diepte van enkele honderden meter te werken. Deze systemen kunnen piekvermogen leveren voor het opstarten van turbines, zwartstartvermogen en frequentieregeling. Het Batwind-project in Schotland, bijvoorbeeld, toonde een 1-MW lithium-ion batterij geïntegreerd in een drijvende windturbine, wat bewijst dat zee-gewaardeerde pakketten golf-geïnduceerde beweging en zout mist kunnen verwerken. Nieuwere ontwerpen maken gebruik van vloeibare koellussen die circuleren een ondoordringbare vloeistof, waardoor het risico van zeewater in te voeren terwijl strakke thermische controle behouden blijft. De V.S. Department of Energy outlet Wind Program[[]]] merkt op dat aangepaste lithium-ion systemen cycluslevens van 6.000 0.000 cycli kunnen bereiken wanneer de staat van lading wordt gehouden tussen 20% en 80%, een bereik dat past bij offshore-dienstcycli.

Solid-State Batterijen voor verbeterde veiligheid

Solid-state batterijen vervangen de vloeibare elektrolyt door een vast keramiek of polymeer, vrijwel elimineren van het brandrisico dat offshore exploitanten betreft. Bedrijven zoals Blue Solutions en QuantumScape hebben aangetoond prototypes die bestand zijn tegen druk gelijk aan 500 meter waterdiepte. De hogere energiedichtheid van vaste-staat chemistrieÃ"nten . Plotseling 500 Wh/kg . . . halveren de voetafdruk van een opslagcontainer op een platform, het vrijmaken van ruimte voor andere apparatuur. Echter, productieschaal blijft laag, en de kosten per kilowatt-uur is nog steeds twee tot drie keer die van marine lithium-ion. Onderzoek gefinancierd door de International Renewable Energy Agency (IRENA) [] suggereert dat vaste offshore-batterijen in 2030 commercieel levensvatbaar kunnen worden als de productieknelpunten worden opgelost.

Natriumionbatterijen

Natrium-ion chemie krijgt aandacht omdat natrium overvloedig en goedkoop is, en de cellen kunnen worden vervaardigd in bestaande lithium-ion fabrieken met kleine retooling. Hoewel natrium-ion packs hebben een lagere energiedichtheid . ongeveer 150 Wh/kg three bieden uitstekende snelheid vermogen en kan een diepe ontlading zonder schade verdragen. Voor offshore platforms waar gewicht minder kritiek is dan kosten en levensduur, natrium-ion kan een dwingende optie worden. Tests in het Europees Mariene Energie Centrum (EMEC) in Orkney hebben aangetoond natrium-ion modules werken voor meer dan 5000 cycli bij 80% diepte van de lozing. De cellen ook goed presteren in koud zeewater, verliezen slechts 10% capaciteit bij 0°C in vergelijking met 30% voor standaard lithium-ion.

Innovaties voor waterstofopslag

Groene waterstof geproduceerd uit offshore wind is een veelzijdig opslagmedium dat weken of maanden kan worden bewaard, waardoor het ideaal is voor seizoensbalancering. De belangrijkste hindernissen zijn de efficiëntie van elektrolyse in een bewegende platformomgeving en de veilige, compacte opslag van waterstofgas of vloeistof.

Elektrolyse op zee

Proton exchange membraan (PEM) electrolyzers zijn miniaturized voor offshore gebruik, met eenheden nu actief op volledig drijvende platforms. Het Waterstof Offshore Production (HOP) project in de Noordzee heeft aangetoond een 10-MW elektrolyzer gemonteerd op een semi-duikbare structuur, het produceren van waterstof op 30 bar met een efficiëntie van 72%. De belangrijkste innovatie is het gebruik van gedeïoniseerd zeewater, voorbehandeld aan boord, om het vervoer van zoet water naar zee te vermijden. Solid oxide elektrolyzers, die werken bij hogere temperaturen (700

Opslag van waterstof onder water

Het opslaan van waterstof in hogedruktanks op een platform is ruimte-intensief; een betere optie is het gas te comprimeren en op te slaan in onderzeese accu's. Verschillende concepten gebruiken de hydrostatische druk van de oceaan om compressie te ondersteunen. Bijvoorbeeld, flexibele rubberblaasjes die aan de zeebodem zijn verankerd worden gevuld met waterstof bij een druk iets boven omgevingswaterdruk, zodat het omringende water doet het werk van compressie. Deze blazen kunnen worden vervaardigd in modules van 500 m3, die een grote opslag veld op de zeebodem vormen. Een andere aanpak is om waterstof te injecteren in uitgeputte offshore gasreservoirs, die al worden verzegeld en bewaakt. Het EU . HyUnder project heeft verschillende dergelijke velden in de Noordzee die duizenden ton waterstof kunnen opslaan, waardoor seizoensgebonden opslag voor windparken mogelijk is. Corrosieweerstand wordt bereikt door opslagvaten met polymeren te vullen of gebruik te maken van roestvrijstalen legeringen die ontwikkeld zijn voor subzeetoepassingen.

E-Fuels als secundaire opslag

Waterstof kan ook worden gecombineerd met opgevangen kooldioxide op een offshore platform voor de productie van synthetisch methaan of methanol, bekend als e-brandstof. Hoewel dit vermindert ronde-trip efficiëntie (meestal 30/40%), kan de brandstof worden opgeslagen in gewone tanks en gebruikt in bestaande gasturbines of naar de wal worden verscheept. Het Carbon Recycling International project in IJsland heeft aangetoond dat offshore methanol synthese haalbaar is met een relatief compacte reactor. Voor offshore windparken ver van de kust kunnen e-brandstoffen de meest praktische manier zijn om energie maandenlang op te slaan en het transport via tanker zonder het bouwen van onderwaterpijpleidingen.

Gepompende waterkracht en perslucht

Deze bulkopslagtechnologieën zijn afhankelijk van water of lucht als werkende vloeistof, en offshore aanpassingen benutten de diepe oceaan om dure onshore reservoirs of grotten te vervangen.

Onderwater Gepompte Hydro Opslag

Voor conventionele pompwaterkracht zijn twee reservoirs op verschillende hoogtes nodig; offshore dient de zee zelf als lager reservoir. Het Ocean Battery-concept, ontwikkeld door Ocean Grazer, gebruikt een grote flexibele blaas op de zeebodem. Tijdens de overproductie wordt water uit de blaas gepompt naar de omringende zee, waardoor de druk binnenin wordt verminderd. Wanneer energie nodig is, stuwt de externe hydrostatische druk water terug in de blaas via een turbine, wat elektriciteit genereert. Een pilootsysteem dat voor de Nederlandse kust wordt ingezet op een diepte van 200 meter, toont een opslagcapaciteit van 5 .0 en een ronde-tripefficiëntie van 70 .75%. Omdat de blaas wordt gemaakt van duurzaam versterkt rubber, kan het systeem tientallen jaren van cyclische belasting weerstaan. Opschuiven tot 100 ‐ numerieke eenheden wordt haalbaar geacht door het vergroten van de blaasgrootte en diepte. Storelectric bedrijf[]] is bezig met een variant die gebruik maakt van een onderwatergroeve in plaats van een blaas, waarbij wordt beweerd dat bestaande onderzeecaverven uit olie- en gasbewerkingen kunnen worden hergebruikt.

Gecomprimeerde opslag van luchtenergie (CAES) Offshore

Offshore CAES systemen maken gebruik van de diepe oceaan om constante luchtdruk te handhaven. In een typisch ontwerp, lucht wordt gecomprimeerd door elektrisch aangedreven compressoren en opgeslagen in rigide stalen vaten of in onderwater opblaasbare kamers. De hydrostatische belasting van het omringende zeewater biedt natuurlijke insluiting, zodat de schepen geen zware structurele versterking nodig hebben. Wanneer elektriciteit nodig is, wordt perslucht vrijgegeven in een turboexpander om een generator te besturen. Een van de meest geavanceerde concepten maakt gebruik van een onderzeese zuiger: een grote betoncilinder met een mobiele zuiger; waterdruk aan de ene kant comprimeert lucht aan de andere kant, waardoor mechanische compressoren volledig worden uitgeschakeld. Dit is een andere benadering kan een rendement boven 80% bereiken. De UK . Storelectric ontwikkelt een 50‐MW offshore CAES systeem met een geplande inzet in de Noordzee, met behulp van op een op een legering aangebrachte drukvaten die bestand is tegen corrosie.

Opkomende technologieën en toekomstige vooruitzichten

Naast de gevestigde oplossingen voor batterij-, waterstof- en mechanische opslag, bewegen verschillende nieuwe concepten zich van laboratoriumschaal naar prototypetests in offshore-omgevingen.

Stroombatterijen

Vanadium redox flow batterijen (VRFB's) scheiden energieopslag van stroomconversie door gebruik te maken van vloeibare elektrolyten in externe tanks. Voor offshore toepassingen kunnen de tanks op de zeebodem of op een aparte boot geplaatst worden, waardoor het gewicht op het turbineplatform wordt verminderd. VRFB's zijn inherent veilig omdat de elektrolyt niet brandbaar is, en ze kunnen 20.000 cycli met minimale afbraak bereiken. Recente ontwikkelingen zijn een compacte 5-MW-eenheid ontworpen door het Oostenrijkse bedrijf Enerox die past binnen een standaard scheepscontainer; een mariene versie met zeewaterbestendige behuizing wordt getest bij EMEC. Een beperking is de relatief lage energiedichtheid.About 30 Wh/L.Deze vereist grote tankvolumes. Zink-bromine flow batterijen bieden een hogere dichtheid (60 Wh/L) maar vereisen zorgvuldige monitoring van broom gas. Beide chemisten zijn kandidaat voor het aanvullen van windparken die dagelijks fietsen met weinig onderhoud nodig hebben.

Zwaartekracht-gebaseerde opslag

De zwaartekracht opslag tilt een zware massa met behulp van overtollige elektriciteit en laat het later vallen om de stroom te regenereren. Op zee, de val kan verticaal in de oceaan, met behulp van de diepte als de valhoogte. Het bedrijf Gravitricity heeft een ontwerp voorgesteld waar een 500-ton gewicht wordt opgehangen van een drijvend platform en verlaagd op een reeks lieren. Wanneer vrijgegeven, het gewicht trekt de lier trommels, draaien een generator. Op een diepte van 2000 meter, de potentiële energie opgeslagen kan bereiken verschillende GWh per installatie. De milieu-impact is laag omdat het gewicht is gewoon een beton blok. Een variatie gebruikt drijfballonnen die worden getrokken door compressoren en vervolgens worden toegestaan om turbines effectief te draaien gedraaid ? effectief een onderwater gepompte-hydrosysteem met de rollen van water en lucht omgedraaid. Dit concept, soms genoemd . Buoyancy energie opslag, is gepiloten op een kleine schaal (1 kWh) en wordt nu worden geschaald tot 100-kWh.

Opslag van thermische energie

Offshore-thermale opslag gebruikt elektriciteit om een materiaal (bijvoorbeeld beton, gesmolten zout of fase-wisselmaterialen) te verwarmen in geïsoleerde containers op het platform of op de zeebodem. Wanneer stroom nodig is, drijft de warmte een thermische motor (Stirring cyclus of Rankine cyclus) om elektriciteit te produceren. De Universiteit van Edinburgh heeft een modulair betonblok ontworpen dat ingebedde verwarmingselementen en warmtewisselaars bevat; het blok kan worden gestapeld in arrays op de zeebodem. Met een capaciteitsfactor van 95% voor opslag tot 12 uur biedt het systeem extreem lage kosten (geprojecteerd $5/kWh van thermische capaciteit) maar een lagere ronde-tripefficiëntie van 40/50% als gevolg van warmteverlies. Voor offshore-installaties die ook proceswarmte vereisen (bv. waterstof voorverwarming), kan de afvalwarmte worden geïntegreerd om de totale economie te verbeteren. Hybride systemen die thermische opslag combineren met een eenvoudigere rol voorverhitting voor waterstofelektrolyse worden bestudeerd door het Noorse onderzoeksinstituut SINTEF.

Hybride opslagsystemen en integratie

Geen enkele technologie voldoet aan alle behoeften. De optimale offshore-opslagoplossing voor een specifiek windpark zal waarschijnlijk twee of meer technologieën combineren: batterijen voor snelle respons (seconden tot minuten), waterstof of CAES voor dagelijks balanceren (uren tot dagen), en e-brandstof of zwaartekrachtopslag voor seizoensopslag. Het EU-samenwerkingsproject voor Offshore Hybrid Energy Storage (OHES) ontwikkelt een besturingssysteem dat tussen een lithium-ion-pack, een diclaam-flow-accu en een kleine waterstofopslageenheid op één enkel drijvend platform wordt verzonden. Vroege simulaties tonen aan dat de hybride aanpak het totale gebruik van het windpark met 15% kan verhogen, terwijl de vereiste capaciteit van elke individuele opslagtechnologie wordt verminderd.

Conclusie

De nieuwe technologieën in offshore-energieopslag rijpen snel, gedreven door de exponentiële groei van drijvende wind en mariene hernieuwbare energie. Lithium-ion- en vaste-staatbatterijen bieden compacte, snel reagerende capaciteit voor korte duur; waterstofopslag en onderwaterpompwater leveren grootschalige oplossingen voor lange-duur; en stroombatterijen, zwaartekrachtopslag en thermische systemen vullen de middenkloof met unieke voordelen. De sleutel tot succes zal zijn het verder ontwikkelen van kostenverlagingen, het verbeteren van de duurzaamheid van de zee en het integreren van deze technologieën in samenhangende systemen die werken met bestaande offshore-infrastructuur. Naarmate onderzoek en proefprojecten versnellen, zal offshore-opslag verschuiven van een nichebehoefte naar een hoeksteen van de wereldwijde schone energietransitie, waardoor enorme arrays van zee-gebaseerde hernieuwbare energie kunnen leveren aan vaste, schudbare stroom naar de wal.