Warmtebatterijen ontwikkelen zich snel zonder de noodzaak van metaalwinning

Grote‑schaal energieopslag nodig

Er is een groeiende behoefte aan batterijsystemen die veel energie kunnen opslaan voor meerdere uren of dagen. Dit komt doordat zonne- en windenergie intermitterend zijn en gedurende de dag en van dag tot dag fluctueren.

Een andere factor is de energievraag van industriële processen, zoals metallurgie. Deze fabrieken hebben 24/7 stroom nodig, meestal om veel warmte te genereren in het bereik van 1.000‑1.500 °C.

Het gebruik van lithium‑ionbatterijen, zoals voor elektrische voertuigen, is waarschijnlijk geen schaalbare oplossing. Ze zijn simpelweg te duur, niet duurzaam genoeg en verbruiken te veel grondstoffen.

Daarom zijn veel verschillende alternatieve batterijchemieën overwogen voor nuts‑schaal energieopslag. We bekijken de meeste van deze opties in ons artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“, inclusief lithium‑ijzerfosfaat, natrium‑ion, redox‑flow, ijzer‑lucht, gesmolten metaal, nikkel‑waterstof, natrium‑zwavel, enz.

Al deze batterijen slaan energie op in de vorm van elektriciteit, op de een of andere manier, meestal via de oxidatie en reductie van een metaal.

Het probleem is dat zelfs zeer gewone metalen zoals ijzer of aluminium nog steeds veel mijnbouw vereisen. Wat als we energie in een andere vorm opslaan?

Warmte opslaan

Er is een verrassend groot aantal opties om energie op te slaan zonder elektriciteit als opslagmiddel te gebruiken. We hebben ze in meer detail bekeken in “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“. Deze opties omvatten:

• Samengeperste lucht.
• Zwaartekrachtbatterijen (stenen, pompwaterkracht).
• Warmtebatterijen.
• Vliegwielen.
• Thermische zonne‑energie.

Elk van deze opties, zowel batterijen als niet‑batterijen, heeft voor- en nadelen. De ideale energieopslagoplossing zou aan een aantal kenmerken moeten voldoen:

• Geen behoefte aan metalen en zeldzame materialen.
• Langdurige energieopslag.
• Lage kosten.
• Gemakkelijk schaalbaar zonder beperking van beschikbare locaties of bronnen.
• Kan worden gebruikt als elektriciteit met minimale verliezen.

Voor de eerste 4/5 items zou warmteopslag aan de eisen voldoen. Zandbatterijen, zoals die van het Finse bedrijf Polar Night Energy, kunnen overtollige energie van de zomer opslaan voor de winter, een must om met hernieuwbare energie de verwarmingssystemen in de ijskoude en zonloze winters van het noorden van stroom te voorzien. En ze gebruiken alleen laagwaardig zand en een beetje metaal voor het frame en de leidingen.

Bron: Polar Night Energy

Een vergelijkbare warmtebatterij wordt voorgesteld door Rondo Energy, met stenen die tot wel 1500 °C kunnen worden opgewarmd, waarbij de warmte wordt gebruikt voor industriële processen zoals cement- of staalproductie.

Deze warmtebatterijen werken goed wanneer het gewenste product in de eerste plaats wordt verwarmd, of het nu gaat om stadsverwarming voor appartementen of industriële warmte.

Bron: Rondo Energy

Echter, werd gedacht dat warmtebatterijen een slechte match zijn voor het leveren van energie aan het net, omdat de efficiëntie van het omzetten van warmte terug naar elektriciteit meestal in het lage bereik van 20‑30 % ligt. Dit zou betekenen dat tot wel 4/5 van de “opgeslagen” energie daadwerkelijk verloren gaat. Of, om het anders te zeggen, is de opgeslagen energie plotseling 5 maal duurder dan toen deze werd geproduceerd.

Zelfs nu zonne‑energie evenwaardig is aan fossiele brandstoffen, is het nog lang niet vijf keer goedkoper. Dit probleem kan echter tijdelijk zijn, dankzij innovatie in een technologie genaamd thermofotovoltaïsche cellen.

Thermofotovoltaïsche cellen – Fotovoltaïsche cellen, maar met warmte

Thermofotovoltaïsche cellen zijn het idee om stroom te genereren op een vergelijkbare manier als traditionele fotovoltaïsche cellen, maar met warmte in plaats van zonlicht – of, preciezer, infrarood licht dat wordt uitgezonden door verhitte materialen.

In een traditioneel fotovoltaïsch paneel is elke lichtfrequentie onder een bepaalde drempel niet energierijk genoeg om een stroom te genereren en gaat verloren. Dit geldt voor al het infrarode licht, omdat de elektromagnetische golven van infrarood licht te weinig energie hebben.

Dit is op zich geen nieuwe technologie, maar hij heeft altijd geleden onder een te lage efficiëntie om breed geadopteerd te worden. Dit was het geval tot de recente prestatie van onderzoekers aan de University of Michigan, die hun resultaten publiceerden in een wetenschappelijk artikel getiteld “High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells“.

Zij beweren een record efficiëntie van 44 % te hebben bereikt voor temperaturen onder 1.500 °C, wat veel hoger is dan eerdere resultaten die slechts 37 % bereikten.

En de onderzoekers denken dat ze een manier hebben om 50 % te bereiken “in de niet al te verre toekomst”.

Bron: Cell

Hoe werken thermofotovoltaïsche cellen?

Eerst moet het opslagmateriaal, dat steen, zand, koolstof, bakstenen, keramiek, enz. kan zijn, worden verwarmd, hetzij met overtollige elektriciteit van hernieuwbare bronnen, hetzij met directe zonne‑warmte.

Bij 1.435 °C heeft ongeveer 20‑30 % van de infrarode fotonen die het uitstraalt voldoende energie om elektriciteit te genereren in de thermofotovoltaïsche cellen van het onderzoeksteam.

Bron: Design Boom

De andere infrarode frequenties konden niet worden omgezet in elektriciteit met het halfgeleidermateriaal dat in het thermofotovoltaïsche paneel wordt gebruikt.

Dus, hoe kwamen ze tot 44 %? Het geniale “trucje” was om een dunne luchtlaag toe te voegen aan de thermofotovoltaïsche cel net voorbij het halfgeleider en een gouden reflector achter de luchtspouw.

Dit hield de fotonen met het juiste energieniveau gevangen en klaar om elektriciteit te produceren. De andere werden teruggestuurd naar het verwarmde materiaal, waardoor het opnieuw werd opgewarmd. Ze kregen vervolgens een tweede kans om naar de thermofotovoltaïsche cel te worden gestuurd met de juiste lichtfrequentie.

In wezen stelt dit de cel in staat om te recyclen wat het de eerste keer niet heeft opgevangen, waardoor de algehele conversie‑efficiëntie wordt verhoogd.

Toekomstige warmtebatterijen

Een efficiëntie van 44 % of zelfs 50 % lijkt misschien niet zo indrukwekkend in vergelijking met pompwaterkracht (70‑85 %) of lithium‑ionbatterijen (85‑95 %).

Bron: EESI

Maar dit zou negeren dat grootschalige inzet van nuts‑schaal energieopslag net zo veel met economie te maken heeft als met technologie.

Batterijen hebben een levensduur die wordt gemeten in jaren voordat ze gerecycled moeten worden. Er is bovendien simpelweg niet genoeg lithium en nog minder koper, nikkel of kobalt om ze op die schaal in te zetten, vooral omdat het grootste deel van deze metaalproductie al nodig is voor elektrische voertuigen.

Daarentegen kunnen warmtebatterijen tientallen jaren meegaan met weinig tot geen onderhoud. Ze vereisen bijna geen materiaal buiten steen, zand of klei. Ze kunnen overal en in elke omvang worden gebouwd, zelfs echt gigantisch, met bijna geen effect op ecosystemen, in tegenstelling tot waterkracht.

Ten slotte is warmte een van de meest efficiënte methoden wanneer energie weken of maanden moet worden opgeslagen, terwijl vrijwel alle soorten batterijen na verloop van tijd “lekken” met een veel hogere snelheid dan een goed geïsoleerd warmteopslagsysteem.

“Het is een vorm van batterij, maar een zeer passieve. Je hoeft geen lithium te delven zoals bij elektrochemische cellen, wat betekent dat je niet met de elektrische‑voertuigmarkt hoeft te concurreren.

In tegenstelling tot gepompte water voor waterkrachtopslag, kun je het overal plaatsen en heb je geen waterbron in de buurt nodig,”

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

Dus, al met al kan een warmtebatterij de perfecte energieopslagoplossing zijn om de intermitterende aard van hernieuwbare energie te verzachten. En zelfs overtollige energie van winderige of zonnige maanden opslaan voor de winter in gematigde klimaten, of voor het regenseizoen in tropische klimaten.

Warmteopslag / Thermofotovoltaïsche bedrijven

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow is een tak van II-VI Inc., een marktleider in het (momenteel nog vrij kleine) vakgebied van de productie van thermofotovoltaïsche cellen. In 2022 heeft II-VI Inc. de laserfabrikant Coherent Inc. (COHR ) overgenomen en vervolgens haar bedrijfsnaam gewijzigd.

Het bedrijf is een expert in geavanceerde materialen die worden gebruikt in lasers, optica en fotonica, zoals indiumfosfid, epitaxiale wafer en galliumarsenide. Het groeide grotendeels dankzij meerdere overnames in het afgelopen decennium.

Bron: Coherent

De thermofotovoltaïsche activiteiten van het bedrijf vormen slechts een klein deel van de totale omzet, waarbij glasvezel, lasers en andere producten het grootste deel van de inkomsten uitmaken. Dit kan echter goed nieuws zijn voor beleggers, omdat het ook betekent dat het de kapitaal heeft om nieuwe technologie snel op industriële schaal uit te rollen als innovatie nieuwe markten opent.

Bron: Coherent

Bijvoorbeeld, de enorme markt voor nuts‑schaal opslag van overtollige hernieuwbare energie…

Aangezien de Universiteit van Michigan “patentbescherming heeft aangevraagd (…) en partners zoekt om de technologie op de markt te brengen“, zou het niet verrassend zijn als een bedrijf als Coherent uiteindelijk degene wordt die de nieuwe thermofotovoltaïsche cellen op de markt brengt. Vooral gezien haar bestaande expertise in de industriële productie van thermofotovoltaïsche cellen en vergelijkbare geavanceerde materialen.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

De thermofotovoltaïsche cellen die door de onderzoekers van de Universiteit van Michigan werden gebruikt, waren gemaakt van InGaAsP (indiumgalliumarsenidefosfide).

Dus onderzoeken we of het vertalen van de lucht‑bridge‑architectuur van tertiaire naar quaternaire groep III‑V absorbers (InGaAsP lattice‑gematcht aan InP‑substraten) de efficiëntie kan verbeteren binnen het doelbereik van emittertemperaturen.

Als deze technologie een standaardformaat wordt voor nuts‑schaal energieopslag, zullen we InGaAsP nodig hebben, en veel ervan.

Dus zou het in dit scenario logisch zijn om in te zetten op het bedrijf dat al 30 jaar de leider is in de productie van InGaAsP, het Japanse conglomeraat Sumitomo.

Al meer dan 30 jaar heeft de Semiconductor Division van Sumitomo Electric haar leidende positie behouden als ‘s werelds grootste fabrikant van galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfid (InP).

De naam Sumitomo is synoniem geworden met kwaliteit in III‑V materialen. Sumitomo Electric heeft deze reputatie verworven door haar wereldwijde klanten superieure substraten te leveren die resulteren in hogere opbrengsten en apparaten met consistente elektrische eigenschappen.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries, en haar compound semiconductors department, is de tak van het grotere Sumitomo-conglomeraat, een van de grootste wereldwijde sōgō shōsha (generale handelsbedrijven).

Naast InGaAsP is de belangrijkste activiteit van Sumitomo Electric Industries de productie van:

• Telecomapparatuur (optische vezel, 5G)
• Automobiele bedrading en hoogspanningskabels
• Elektronica (flexibele printcircuits, datakabels, filtratiemembranen)
• Hoogwaardige materialen (carbide, snijgereedschap, voorgeprette staaldraad).

Bron: Sumitomo

De expertise in massaproductie van hoogwaardige materialen, de leiderspositie in InGaAsP-productie, en de zakelijke connecties die gepaard gaan met het deel uitmaken van een sōgō shōsha / algemeen handelsbedrijf, zouden moeten garanderen dat Sumitomo Electric Industries een van de belangrijkste begunstigden wordt van een massale adoptie van thermofotovoltaïsche technologie.

De groei zou ook gunstig moeten zijn voor telecom (digitalisering, AI) en voor de aanverwante producten van elektrische voertuigen (kabels, bedrading), die beide bloeiende sectoren zijn.