Alternatieve batterijen op basis van zand, zout en water

Magaldi is in het Italiaanse Salerno begonnen met de bouw van een 13 MWh-installatie voor thermische energieopslag (TES) op basis van zand.

Cruciale rol

In de energietransitie die ons land momenteel doormaakt, speelt opslag van energie een cruciale rol. De opwekking van elektriciteit wordt steeds meer gedistribueerd. Bovendien worden we meer en meer afhankelijk van met zonnepanelen en windmolens opgewekte elektriciteit, bronnen die per definitie geen constante hoeveelheden elektriciteit leveren. Daarom is het gebruik van opslag van energie van groot belang om altijd voldoende elektriciteit beschikbaar te hebben. Ook dienen de verschillende Nederlandse elektriciteitsnetwerken stabiel te blijven. Om dat voor elkaar te krijgen is het noodzakelijk om op gezette tijden overtollige elektriciteit tijdelijk ‘ergens’ op te slaan. In andere gevallen vraagt de stabiliteit van het netwerk of de vraag naar energie juist dat er ‘ergens’ extra elektriciteit in het netwerk wordt gebracht.
Het Gopacs-platform kan helpen om de netcongestie te verminderen door met grote bedrijven afspraken te maken over het tijdelijk verminderen van hun vraag naar elektriciteit. Daarnaast speelt de batterij dus een hoofdrol bij zowel het stabiel houden van het netwerk als het leveren van energie aan afnemers. Momenteel wordt daarbij veelal gekozen met grote Battery Energy Storage (BES)-systemen. In feite zijn dit containers vol met lithium-ion batterijen. Zoals Wagemaker echter al aangaf bij de start van BatteryNL, kennen die de nodige beperkingen: beperkte energiedichtheid, flinke impact op het milieu en bovendien vraagtekens bij de veiligheid. De afgelopen maanden hebben zich meerdere branden voorgedaan waarbij de verdenking is gevallen op de aanwezige lithium-ion batterijen als oorzaak of als brandversterker.

Italiaans zandbed

Gezien de snelheid waarmee Nederland zichzelf wil elektrificeren, kunnen we niet wachten tot de onderzoeksresultaten van initiatieven als BatteryNL over tien tot twaalf jaar tot nieuwe en zeer efficiënte en veilige opslagsystemen leiden. Dus moeten we goed kijken naar alternatieve vormen van energieopslag. Die zijn er namelijk wel degelijk.
Zand is wellicht niet het eerste materiaal waar we aan denken als het om energieopslag gaat. Toch zijn energiebedrijf Enel X en de firma Magaldi in het Italiaanse Salerno begonnen met de bouw van een 13 MWh-installatie voor thermische energieopslag (TES). Inderdaad: op basis van zand.
De opslagtechnologie wordt Magaldi Green Thermal Energy Storage (MGTES) genoemd. Magaldi is een bedrijf dat zich heeft gespecialiseerd in materiaalverwerking bij zeer hoge temperaturen. Zij hebben de onderliggende technologie voor deze zandbatterij ontwikkeld. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een gefluïdiseerd zandbed om warmte op te slaan. Deze warmte kan op het moment dat energie nodig is, worden vrijgegeven in de vorm van stoom bij temperaturen tussen 120 en 400 °C. Deze stoom kan vervolgens rechtstreeks worden gebruikt voor bijvoorbeeld een industrieel productieproces. Ook kan het worden toegepast voor verwarmingsdoeleinden of voor het opwekken van elektriciteit.
De 125 ton wegende installatie wordt in Italië gevoed door een zonnepark met een capaciteit van 5 MW, vertelde Francesco Venturini van Enel X tijdens de officiële lancering van dit project. Ook wordt gekeken of industriële restwarmte kan wordt gebruikt voor het met energie laden van het zandbed. Het systeem is tevens geschikt voor toepassingen waarbij de zandbatterij is aangesloten op een warmtenet dat als een van de bronsystemen fungeert.

In plaats van een zandbed gebruikt het Finse Polar Night Energy een silo met 100 ton zand.

Finse zandbatterijen

Ook in Finland wordt zand gezien als een interessant materiaal om energie in op te slaan. In plaats van een zandbed gebruiken de Finnen echter een silo gevuld met 100 ton zand.
Hoe werkt deze aanpak? Groene stroom uit zon en wind wordt naar de zandbatterij geleid. In de silo wordt de elektrische stroom door het zand geleid, waarbij warmte vrij komt. Het zand warmt hierdoor uiteindelijk op tot zo’n 500 °C. Daarbij komt tevens warme lucht vrij die door middel van een warmtewisselaar in het zand kan worden benut. Is er minder vraag naar warmte dan de installatie genereert, dan kan de warmte ook weer teruggeleid worden in de zandsilo.
Het zand in de silo blijft vele maanden lang op dezelfde temperatuur. Daarmee is het dus een oplossing voor opslag van energie voor de wat langere termijn. De onderzoekers hebben een startup opgezet die luistert naar de naam Polar Night Energy. In het westen van Finland bij de plaats Kankaanpää bouwt de startup momenteel zijn eerste zandbatterij. Ook kijkt men nadrukkelijk naar internationalisering.

Water en zout

In ons eigen land is weer een andere aanpak voor energieopslag toe aan de eerste praktijkproeven. Het gaat om een warmtebatterij op basis van zout en water. De oplossing kan onder andere worden ingezet voor hergebruik van restwarmte uit procesinstallaties.
Deze batterij is een project van de TU Eindhoven, TNO en spin-off Cellcius. De combinatie van zout en water biedt volgens de ontwikkelaars een snelle en grootschalige oplossing voor ruim drie miljoen huishoudens in Nederland. De aanpak die zij hebben ontwikkeld, zou bovendien een oplossing kunnen bieden voor de grote hoeveelheden restwarmte die onder andere in de industrie vrijkomen.
De essentie van deze warmtebatterij draait om een relatief oud thermochemisch principe: de reactie van een zouthydraat met waterdamp. Hierbij nemen de zoutkristallen het water op. Hierdoor worden zij groter en daarbij komt warmte vrij. Omgekeerd kan echter ook. Door warmte toe te voegen, verdampt het water. De zoutkristallen worden daardoor weer kleiner. Zolang er geen water bij dit droge zoutpoeder komt, blijft de warmte in het poeder opgeslagen. Er gaat dus niets verloren: de batterij is volledig verliesvrij, aldus prof.ir. Olaf Ardan, hoogleraar aan de TU Eindhoven en hoofdonderzoeker bij TNO.
Het principe van de batterij mag dan eenvoudig zijn, het toepassen ervan in een batterij is dat zeker niet. Dat blijkt wel uit het feit dat Adan hier al ruim twaalf jaar onderzoek naar doet. Een van de problemen is namelijk de keuze van het zoutmateriaal. Er zijn duizenden reacties bekend van zouthydraten met water. Wat is dan de beste? Adan bestudeerde ze allemaal en kwam tot de ontdekking dat er uiteindelijk maar een zeer klein aantal de juiste eigenschappen heeft voor toepassing in een batterij voor energieopslag.

Vattenfall heeft voor een project in Berlijn gekozen voor een 45 m hoge opslagtank die 56 miljoen liter water kan bevatten.

‘Zo’n zoutkristalletje wordt groter en kleiner, er gaat voortdurend warmte in en uit. Dus er gebeurt wat met zo’n deeltje. Dat kan daardoor snel uit elkaar vallen, of samenklonteren met andere deeltjes. Je hebt dus een materiaal nodig dat je cyclisch kunt blijven gebruiken’, legt Adan. Uiteindelijk kwam hij met zijn team uit op kaliumcarbonaat als basis, een makkelijk te delven zout dat je in veel producten terugvindt, zoals in voedsel, zeep of glas. De eerste opstelling kent een capaciteit van 7 kWh en dat is uiteraard nog vrij klein. Al is het volgens de TU-Eindhoven in theorie al voldoende om een typisch gezin van vier personen twee dagen te laten rondkomen met warmte. Het is nu zaak op te schalen.

Een toren met water

Vattenfall heeft voor een project in Berlijn gekozen voor weer een andere aanpak. Hiervoor wordt een 45 m hoge opslagtank gebruikt die 56 miljoen liter water kan bevatten. Of zoals het energiebedrijf zelf zegt: ‘350.000 bathtubs’. Via elektriciteit die is opgewekt met windmolens wordt dit water verwarmd tot 98 °C. Daarbij worden tevens bestaande power-to-heat-systemen van de naastgelegen Reuter West-energiecentrale van Vattenfall ingezet.
Jornt Spijksma, projectmanager bij Vattenfall, vertelde aan Energy Storage News dat wanneer er een overschot aan windenergie is, het power-to-heat-systeem dat overschot kan omzetten in warmte die in de tank kan worden opgeslagen. Dat levert dus warm water op, maar het betekent ook dat de elektriciteitsproductie van de windmolens niet hoeft te worden ‘afgeknepen’ op momenten dat hun productie van elektriciteit de vraag overstijgt. De opslagtank kan overigens ook warmte van andere industriële processen integreren. Denk aan restwarmte van de industrie of warmte die wordt teruggewonnen uit stedelijk afvalwater.
Het warme water zal rechtstreeks in het stadsverwarmingsnet van Berlijn worden gevoerd om te voorzien in de verwarmingsbehoeften van woningen. De watertank heeft een maximaal thermisch vermogen van 200 MW en kan 13 uur lang ontladen.

Ook groene waterstof zal in de toekomst een rol gaan spelen in de opslag en het transport van energie.

Energieopslag en waterstof

Een laatste alternatieve vorm van energieopslag komt van Battolyser Systems. Hun aanpak is wellicht niet zozeer een alternatieve vorm van opslag, als wel een innovatief idee. Deze Nederlandse startup heeft namelijk een batterij ontwikkeld die tevens groene waterstof produceert. Deze spin-off van de TU Delft komt daarmee dus met een geïntegreerd batterij- en elektrolysesysteem.
Opmerkelijk bij dit nieuwe systeem is dat het gebaseerd is op een technologie die we gerust oud mogen noemen: een ijzer-nikkelbatterij. Dergelijke batterijen bestaan al sinds het begin van de vorige eeuw en zijn door Thomas Edison ontwikkeld. Hij liep daarbij alleen tegen een probleem aan: een ijzer-nikkelbatterij produceert waterstof als hij eenmaal volledig verzadigd is. Dat werd in die tijd vooral als een probleem gezien. Tegenwoordig is Battolyser daar juist blij mee. Onder leiding van prof.dr. Fokko Mulder, hoogleraar Materials for Integrated Energy Systems aan de TU Delft, is dit idee verder ontwikkeld.
De batterijfunctie is zoals we die van batterijinstallaties kennen: opladen als elektriciteit goedkoop is, ontladen als de prijs juist hoog is of als er behoefte is aan extra elektriciteit. De installatie produceert daarnaast dus ook waterstof. Die kan bijvoorbeeld weer gebruikt worden in een groter systeem voor energieopslag. Ook kan de waterstof worden geleverd aan industriële ondernemingen. De batterij kan direct omschakelen van waterstofproductie naar het ontladen van de batterij.
In april is een eerste pilotopstelling in de Eemshaven van start gegaan. Pieter Levecque, research manager bij de startup: ‘Het verschepen van dit systeem was een belangrijke mijlpaal waar we trots op zijn. Het betekent een externe erkenning dat we een functioneel en veilig systeem kunnen afleveren. De volgende stap is de prototypefase, de Battolyser 2, die midden 2024 gepland is.’
Eind vorig jaar maakte het bedrijf bekend dat het in de haven van Rotterdam een 14.000 m² grote productiefaciliteit gaat bouwen. Jaarlijks wil men daar voor een capaciteit van 1 GW aan systemen gaan produceren. De kosten voor de ontwikkeling van de productielocatie, compleet met nieuwe kantoor- en laboratoriumfaciliteiten, worden geschat op ongeveer 100 miljoen euro. Het Rotterdamse Havenbedrijf ondersteunt het project. ‘Rotterdam positioneert zich als de waterstofhub van Europa en nieuwe duurzame industrieën zijn welkom om de transitie die in Rotterdam plaatsvindt te helpen realiseren. We hebben bedrijven als Battolyser Systems nodig en we geloven dat de haven de ideale plek is voor de eerste grootschalige fabriek’, zegt Allard Castelein, ceo van het Havenbedrijf Rotterdam.

Jacht geopend

Er is de komende jaren een enorm vraag naar batterijen. Lithium-ion is momenteel de batterij die veelal de voorkeur h^eeft. Deze batterijen vereisen echter grondstoffen waarvan het delven erg vervuilend is. Ook levert het geopolitieke risico’s op. Daarom is dus de jacht geopend op andere vormen van energieopslag. Daarbij worden opslagmethoden gebruikt die gerust alternatief mogen worden genoemd. Want wie had gedacht dat we in deze wereld vol hightech en digitalisering nog eens blij zouden worden van tientallen meters hoge torens vol met water of zand als zekerheid voor onze almaar groeiende behoefte aan energie.

Tekst: Robbert Hoeffnagel
Fotografie: iStock, Magaldi, Polar Night Energy, Vattenfall