December 2023
IJzer-luchtbatterij als oplossing voor netcongestieproblemen
Water, lucht en ijzer voldoende voor de opslag van duurzame energie
Het principe om ijzer en lucht te gebruiken als twee batterij-elektroden om zo elektrische energie op te slaan en weer af te geven, is al meer dan een eeuw bekend. Technieken om er ook een commercieel product van te maken ontbraken echter. Vooraanstaande Amerikaanse wetenschappers op het gebied van energieopslag ontwikkelden een idee met als inspiratiebron de kristallen in ‘handenwarmzakjes’. In 2017 werd Form Energy opgericht; anno 2023 wordt er gewerkt aan de eerste commerciële productiefaciliteit met een opslag van 1,5 MW.
Form Energy is een Amerikaans technologie- en productiebedrijf dat werd opgericht door mensen die hun sporen al eerder verdienden op het vlak van opslagtechniek. Ceo Mateo Jaramillo werkte bijvoorbeeld zeven jaar bij Tesla, waarvan twee jaar als bedrijfsleider bij Tesla Energy. MIT-professor en medeoprichter Yet-Ming Chiang, maar ook Ted Wiley, Billy Woodford en Marco Ferrara zijn prominenten uit de wereld van energieopslag die weten waar zij het over hebben.
In 2017 kwamen zij samen met de missie om een oplossing te ontwikkelen voor de problematiek die samenhangt met het feit dat het aanbod van duurzaam opgewekte energie door wind en zon niet naadloos aansluit op de vraag. Hierdoor ontstaat netcongestie en is het lastig om 100 procent duurzame energie via het net te leveren. Dat de oplossing ligt in de opslag van deze hernieuwbare energie is al langer bekend. De bestaande oplossingen kennen echter hun nadelen in onder meer kosten, capaciteit en ontladigsproblemen wanneer de energie meer dan een aantal uren in de batterij is opgeslagen. Om volledig te kunnen draaien op duurzame energie is het dus nodig een batterij te ontwikkelen die voor meer dagen energie kan opslaan om de dagen waarop de vraag groot is of (vooral) het aanbod laag, te overbruggen.
Uitdaging
De wetenschappers gingen uit van een elektrochemische cel en hebben lange tijd gebrainstormd over geschikte materialen voor de elektroden. Het doel: een batterij ontwikkelen met een opslagcapaciteit die 100 uur standhoudt, maar ook eentje die goedkoop is en uitsluitend gebruik maakt van ongevaarlijke materialen die in grote hoeveelheden op aarde beschikbaar zijn. Geïnspireerd door de handenwarmzakjes die door toeschouwers in de sportstadions in Amerika worden gebruikt, werd uiteindelijk besloten voor ijzer.
De handenwarmzakjes zijn gevuld met kristallen die de gebruiker ‘plet’, waardoor roestend ijzer gaat reageren met zuurstof. Bij dit proces wordt ijzeroxide gevormd en komt warmte vrij. Woodford en Chiang, de wetenschappelijke breinen van Form Energy, dachten dat ze met de juiste opstelling dezelfde reactie konden gebruiken om energie vrij te maken als elektronen. Binnen enkele jaren bewezen zij de theorie met de ontwikkeling van een ijzer-luchtbatterij.
1. Principewerking ijzer-luchtbatterij.
Principe ijzer-luchtbatterij
Een ijzer-luchtbatterij behoort tot de elektrochemische metaal-luchtcellen die een anode gebruiken van puur metaal (in dit geval ijzer) terwijl de externe kathode de omgevingslucht betreft, dit meestal in samenwerking met een waterige of aprotische elektrolyt. Tijdens het ontladen van een elektrochemische metaal-luchtcel vindt een reductiereactie plaats in de omgevingsluchtkathode terwijl de metaalanode oxideert. De specifieke capaciteit en energiedichtheid van elektrochemische metaal-luchtcellen is hoger dan die van lithium-ionbatterijen.
Simpeler gezegd is de ijzer-luchtbatterij in feite gebaseerd op omkeerbaar roesten, waarbij uitsluitend ijzer, water en lucht worden ingezet. Bij het ontladen ‘ademt’ de batterij zuurstof uit de omgeving in en zet ijzermetaal – in de vorm van kogeltjes – om in roest. Tijdens het opladen, dus het toevoeren van elektrische energie, zet de elektrische stroom de roest weer om in ijzer en ademt zuurstof uit (figuur 1).
Naast lucht en water is de belangrijkste grondstof van deze technologie ijzeroxide oftewel roest. Een grondstof die overvloedig beschikbaar is, niet-toxisch, goedkoop en milieuvriendelijk.
Hoewel de chemische reactie achter de batterij eenvoudig is, geldt dit niet voor het daadwerkelijk bouwen van een batterij die honderden keren kan worden opgeladen of ontladen. Roest is bijvoorbeeld niet één chemische stof, maar meestal een combinatie van verschillende ijzeroxiden die elk hun eigen omstandigheden vereisen, wil een omzetting naar roest plaatsvinden. Verder zijn ongewenste nevenreacties onvermijdelijk. De elektrode die waterstof produceert, moet bijvoorbeeld af en toe worden bijgevuld met water; de andere vangt koolstofdioxide uit de lucht op wat de levensduur van de batterij verkort. Chiang: ‘Maar ook zelfs áls dat lukt, moeten we kijken hoe de werking in de praktijk uitpakt.’
Praktisch volledig recyclebaar, theoretisch oneindig schaalbaar en zo’n 90 procent goedkoper dan lithium-ion
Commercieel product
Hoewel het normaal gemiddeld 15 jaar duurt om een nieuwe chemie van materialen uit het laboratorium te vertalen naar een commerciële toepassing, legde Form Energy in vier jaar tijd een eerste pilot op tafel. Nog drie jaar later worden nu de voorbereidingen getroffen om de eerste commerciële toepassing op te bouwen.
Bij de batterij zoals Form Energy deze ontwikkelde, is elke individuele batterijmodule ongeveer zo groot als een side-by-side was/droogcombinatie en bevat ongeveer vijftig cellen van een meter hoog die gestapeld zijn. In deze cellen zijn de ijzer- en luchtelektroden ondergebracht waar de elektrochemische reacties verlopen. Verder zijn de cellen gevuld met een op water gebaseerd, niet-ontvlambaar elektrolyt dat bekend is van de penlight (AA)-batterijen.
De individuele batterijmodules zijn ondergebracht in milieuvriendelijke behuizingen die weer worden gekoppeld tot modulaire stroomblokken in het MW-bereik. Afhankelijk van de benodigde systeemgrootte zijn tientallen tot honderden van deze stroomblokken aan te sluiten op het net, om hier hun bijdrage te leveren aan de netcongestieproblemen en het 24/7 te voorzien van duurzame energie. In de configuratie waarbij de blokken verder uit elkaar staan, bereikt het systeem een vermogen van ongeveer 2 MW per hectare land. In de meest dichte configuratie gaat het om meer dan anderhalf keer zoveel en spreekt het bedrijf over meer dan 3 MW per hectare.
Pellets van ‘direct reduced iron’ (DRI) zijn de goedkoopste vorm van metallisch ijzer dat beschikbaar is voor de batterijtechnologie van Form Energy. Het bedrijf gebruikt het om ijzerelektroden op subschaal te maken voor testen in verschillende batterijconfiguraties in het laboratorium in Somerville
Voordelen
Chiang: ‘Door de opbouw en vooral het materiaalgebruik zijn deze batterijen overal te plaatsen. Ook in stedelijke gebieden. Er worden immers geen zware metalen toegepast en er kan ook geen thermische runaway optreden, wat de batterijen uiterst veilig maakt. De duurzame batterijen zijn daarbij praktisch volledig recyclebaar, theoretisch oneindig schaalbaar en zijn zo’n 90 procent goedkoper dan lithium-ion. Verder voldoen ze aan een belangrijke eis die we eerder stelden en zijn ze in staat voor 100 uur energie op te slaan zonder last te hebben van ontlading. Dit betekent dat het hernieuwbare energie beschikbaar kan maken waar en wanneer het nodig is; ook wanneer het enkele dagen achtereenvolgens extreem weer is, er sprake is van netuitval of periodes van minder opwekking van hernieuwbare energie.’
Beperkingen zijn onder meer te vinden in het gewicht. IJzer is zwaarder dan lithium en hiermee minder geschikt voor toepassing in elektrische voertuigen. De relatief lange laadtijd heeft hetzelfde effect en beperkt de batterij in het eventueel opvangen van pieken. Dit laatste zal in de praktijk moeten worden opgelost met lithium-ion batterijen.
De praktijk
Op basis van interne analyses van Form Energy voorspellen zij dat de batterijen met de aangegeven eigenschappen in staat zijn om de komende tien jaar tientallen GW aan vraag naar meerdaagse opslag in de VS kunnen realiseren. Om de werking in een echte praktijksituatie te testen, heeft Form Energy inmiddels twee investeringsrondes achter de rug. In 2021 leverde dit 240 miljoen dollar op en afgelopen jaar werd maar liefst 450 miljoen dollar binnengehaald door investeringen van onder andere de Amerikaanse investeringsfirma TPG en staalgigant ArcelorMittal (zie kader).
Het eerste grote project van 760 miljoen dollar en 100 MW zal 55 hectare grond beslaan langs de Ohio-rivier in Weirton, West Virginia. De stad is een van Amerika’s belangrijkste staalsteden, wat gunstig is om de benodigde hoeveelheid ijzer te vergaren. In april 2023 is tijdens een open dag voor bewoners aangegeven dat het snel gaat met de bouw van de 800.000 m2 grote productiefaciliteit. In mei is gestart met de fundering van het gebouw, in juli begint de installatie van de staalconstructie en in september de aanleg van nutsvoorzieningen. De werkzaamheden zullen naar verwachting tot eind 2024 duren, met een geplande uitbreiding begin 2025.
Partners
Form Energy werkt samen met verschillende Amerikaanse bedrijven, nutsbedrijven en instellingen om batterijoplossingen in de Verenigde Staten te implementeren:
Xcel Energy - Zo is in samenwerking met Xcel Energy een meerdaags opslagsysteem van 10 MW/1.000 MWh gepland bij het Sherburne County Generating Station in Becker, Minnesota en een meerdaags opslagsysteem van 10 MW/1.000 MWh bij het Comanche Generating Station in Pueblo, Colorado. Beide projecten zullen naar verwachting al in 2025 gereed zijn en voldoen aan de wettelijke goedkeuringen in hun respectieve staten.
Great River Energy - Het op een na grootste elektriciteitsbedrijf van Minnesota is Great River Energy. Met deze partij is een gezamenlijk proefproject gestart van 1,5 MW/150 MWh voor Cambridge, Minnesota. Het betreft de eerste commerciële inzet van het meerdaagse energieopslagsysteem.
Georgia Power - De grootste dochteronderneming op het gebied van elektriciteit van Southern Company is Georgia Power. Samen werken de bedrijven aan een optimale projecttoepassing van maximaal 15 MW/1.500 MWh aan energieopslagsystemen, die in dienst van het nutsbedrijf moeten worden geplaatst.
ArcelorMittal - Samen met ArcelorMittal, een van ‘s werelds grootste staalproducenten, wordt gewerkt aan de ontwikkeling van ijzermaterialen voor de batterijsystemen. Het vertrouwen is dermate groot dat ArcelorMittal in 2021 25 miljoen dollar investeerde en in 2022 nogmaals 17,5 miljoen dollar.
California Energy Commission - Tot slot ontving Form Energy een subsidie van de California Energy Commission om een velddemonstratie uit te voeren van een 100 uur durend prototype ijzer-lucht energieopslagsysteem in samenwerking met de University of California Irvine, Southern California Edison en Peninsula Clean Energy. De kick-off van dit project vond plaats in 2020. Als onderdeel van de technische ontwikkelingen voltooide het projectteam ook hun ‘Codes and Standards’-evaluatie om te beoordelen hoe deze van invloed kunnen zijn op langdurige opslag. Hierin is onder meer een uitgebreid overzicht opgenomen van relevante veiligheidscodes voor vergelijkbare batterijtechnologieën, gekoppeld aan een interne Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) die de verwachte storingsmodi op prioriteit rangschikt. De resultaten zullen worden geëvalueerd om het veilige ontwerp van full-scale cellen (FSC’s) te verbeteren.
Informatie: www.formenergy.com
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok Fotografie: Form Energy
Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.