Meer Energie, Minder Koolstofdioxide – Nieuwe Batterijtechnologie’s Meervoudige Aanpak voor Duurzaamheid

Batterij of Koolstofafvang? Waarom Niet Beide?

De drang naar groene energie en elektrificatie wordt voornamelijk gemotiveerd door de noodzaak om de CO2-uitstoot te verminderen in de context van klimaatverandering. Echter, zonne- en windenergie zijn van nature intermitterend.

Dus, hoe meer groene energie het net voedt, hoe meer nutschaalbatterijen er nodig zijn om energie op te slaan tijdens piekproductie en deze later weer aan het net te distribueren. Nutschaalbatterijen zullen waarschijnlijk zeer verschillende chemieën gebruiken dan EV’s, omdat ze niet onder dezelfde beperkingen werken:

• Geen behoefte aan hoge dichtheid of lichtgewicht, nutschaalbatterijen kunnen op de grond bij energiecentrales of speciale locaties worden opgeslagen.
• Extreme gevoeligheid voor de totale kosten (bouw + exploitatie).
• Noodzaak om goedkope en overvloedige materialen te gebruiken voor grootschalige inzet, waarbij metalen zoals kobalt, platina, palladium, enz. (of idealiter zelfs lithium) worden vermeden.
• Vereiste van een zeer lange levensduur zonder capaciteitsdegradatie, idealiter in de orde van meerdere decennia.

Het is iets dat we eerder grondig hebben onderzocht in ons artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, waar we de meeste mogelijke chemieën in ontwikkeling voor deze toepassing opsomden.

Al deze batterijen werken om groene energie economisch haalbaarder en breder geaccepteerd te maken, wat de CO2-uitstoot zou verminderen. Echter, geen van hen draagt direct bij aan het verminderen van emissies of het afvangen van koolstof.

Zelfs zogenoemde CO2-batterijen zouden de CO2 opnieuw uitstoten zodra elektriciteit wordt ontladen.

Dit zou kunnen veranderen, dankzij een baanbrekend nieuw batterijontwerp, dat niet alleen energie kan opslaan maar ook waterstof produceert en duurzaam koolstof afvangt.

Koolstofafvangbatterijen

Koolstofafvang is het idee om normaal uitgezette CO2 terug te brengen naar bruikbare producten. Je kunt meer lezen over de verschillende koolstofafvangtechnologieën in dit artikel van Energy Tracker.

Bron: EnergyTracker

Tot nu toe was zo’n proces iets dat bovenop industriële processen werd toegevoegd en een extra kost vertegenwoordigde zonder praktisch product behalve de afvang van koolstof. Het proces zelf was niet nuttig.

We bespraken de huidige staat van koolstofafvang in meer detail in ons artikel “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In”.

Onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory hebben mogelijk een manier gevonden om koolstofafvang een integraal onderdeel te maken van het groene energienet en bijbehorende batterijen. Ze publiceerden hun bevindingen in het Journal of Power Sources, onder de titel “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage”.

Eerder Concept Geüpgraded

De koolstofafvangbatterij is een upgrade van de conventionele metaal-CO2 die CO2 in- en uitwisselt terwijl een metaal (M) wordt geoxideerd, wat natrium (Na), lithium (Li) of magnesium (Mg) kan zijn: CO2 ↔ MxCO3.

Een terugkerend probleem van metaal-CO2 batterijen is de afzetting van vaste ontladingsproducten zoals M2CO3(s) (M = Li of Na), Al2(C2O4)3(s), of MgCO3(s) op het elektrodeoppervlak, wat vaak leidt tot verstopping van de poreuze elektrode-structuur.

Deze verstopping heeft een negatieve invloed op de batterij en vermindert snel de capaciteit.

Om dit probleem te overwinnen ontwikkelden de onderzoekers twee potentiële batterijen, één gebaseerd op natrium en de andere op aluminium, beide overvloedige en goedkope materialen.

De Na-CO2 batterij maakt gebruik van een ijzer-nikkel katalysator, die veel goedkoper is dan de meeste katalysatoren in de industrie.

In tegenstelling tot eerdere ontwerpen geeft de nieuwe CO2 batterij CO2 niet vrij in gasvorm, maar lost het carbonaatbijproduct op in de vloeibare elektrolyt.

Deze carbonaten kunnen vervolgens ofwel in de batterij worden bewaard of worden verzameld wanneer ze zich ophopen en in vaste vorm neerslaan. De farmaceutische of cementindustrie kan ze dan gebruiken.

De enige gassen die vrijkomen zijn zuurstof en waterstof, die niet bijdragen aan klimaatverandering en zelfs kunnen worden afgevangen om energie of brandstof te produceren.

Bron: Oak Ridge National Laboratory

Technische Uitdagingen Overwinnen

Dit idee lijkt zo indrukwekkend dat het een verrassing kan zijn dat het nog niet eerder is gedaan.

De reden is dat het in de praktijk realiseren een aantal technische problemen moest overwinnen.

Ten eerste moeten de elektroden gescheiden worden in natte en droge kamers met een vaste iongeleider ertussen. De geleider vertraagde de elektronenbeweging, waardoor de efficiëntie van de batterij afnam.

Ten tweede is dit type Na-CO2 batterij niet immuun voor het CO2 batterijprobleem van filmafzetting op de elektrode. De onderzoekers ontdekten echter, met behulp van zeer geavanceerde microscopen en röntgenapparatuur, dat ongelijke laad- en ontlaadpulsen de filmopbouw op de elektrode voorkwamen.

“We rapporteren voor het eerst dat de gedeactiveerde cel opnieuw geactiveerd kan worden.

En we hebben de oorsprong van de deactivatie en activatie gevonden. Als je de batterij te lang symmetrisch laad‑ontlaadt, is hij in één fase dood. Als je het protocol dat wij voor onze cel hebben vastgesteld gebruikt, is de kans op falen zeer klein.

Ruhul Amin – de hoofdonderzoeker van het project

Misschien nog indrukwekkender, deze batterijen kunnen CO2 afvangen met behulp van de opgeslagen energie, dus niet alleen wanneer de productie van hernieuwbare energie piekt, wat meer flexibiliteit biedt. Het zou ook een perfecte match kunnen zijn om koolstof af te vangen van piekcentrales die op fossiele brandstoffen vertrouwen om stroom te produceren wanneer de wind zwak is of de zon niet schijnt.

Overgang naar Commercieel Ontwerp

Met een proof of concept van een CO2 batterij die opnieuw geactiveerd kon worden, ging het team verder om de prestaties te verbeteren zodat ze voldoen aan de eisen van een levensvatbare nutschaalbatterij.

Hiervoor ontwikkelden ze een Al-CO2 batterij op basis van hetzelfde principe als het Na-CO2 prototype.

Het prototype behaalde opmerkelijke resultaten, met name:

• 600 uur (25 dagen) werking zonder capaciteitsverlies.
• Voldoende opslag voor meer dan 10 uur elektriciteit om later te gebruiken.

Wat is er hierna?

Het gebruik van zeewater als het waterige medium kan de snelheid van de batterij en de productie van waterstof+zuurstof sterk verbeteren door bleekmiddel te creëren uit de chlooratomen in het water. Dus, deze batterij kan werken met nog meer nuttige bijproducten dan aanvankelijk verwacht.

Een andere uitdaging zal zijn om het aluminium-CO2 batterijontwerp op een grotere schaal te brengen die geschikt is voor een echte nutschaalimplementatie.

Een ander lopend project is om terug te gaan naar de natrium-CO2 batterij en een zeer fijne, dichte, mechanisch stabiele keramische membraan te ontwikkelen om de batterijkamers te scheiden, zodat de batterij commercieel concurrerend wordt.

Batterijbedrijven

Vanwege hun eerdere beperkingen zijn er weinig CO2-batterijbedrijven. Echter, innovatieve batterijbedrijven met een geschiedenis van snelle adoptie van nieuwe technologieën zullen de voortgang in het veld kunnen benutten om nieuwe chemieën te ontwikkelen indien nodig.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD is het toonaangevende EV-bedrijf in China, met 1.860.000 verkochte voertuigen in 2022, €20 miljard omzet in 2022, en een van de grootste particuliere bedrijven in het land.

Het bedrijf begon als de eerste leverancier van lithium-ion batterijen aan Motorola in 2000 en betrad al in 2003 de automobielsector. Vandaag is het ook actief in bussen, treinen, halfgeleiders en batterij-energieopslag.

Bron: Byd Company

Dankzij zijn enorme omvang, “BYD Surpassed LG to Become the World’s Second-Largest EV Battery Supplier”

Naast de EV-markt kijkt BYD, net als Tesla (TSLA ), naar het benutten van zijn enorme batterijvoorraad voor andere markten. Het lanceerde onder meer de Battery-Box voor residentieel gebruik, met kobaltvrije Lithium-ijzerfosfaat-chemie. Het biedt ook zijn New Energy pakket aan, dat zonne‑energie en opslagoplossingen combineert.

Door Battery-Box en New Energy te combineren, BYD Energy Storage System (ESS) has shipped more than 14 GWh of storage capacity.

BYD bezit de volledige toeleveringsketen van minerale batterijcellen tot batterijpakketten. Dit heeft hen in staat gesteld hun eigen propriëtaire recyclingoplossing op te zetten, waarbij oude autobatterijen worden gebruikt als vaste opslag of volledige batterijrecycling via een nieuwe subdivision in 2022.

BYD breidt nu internationaal uit, especially in Europe, with plans to quadruple its still small market share, as well as local production in Hungary, with a 150,000-vehicle-a-year capacity that could be doubled to 300,000. Dit zou lokale fabrikanten en Tesla onder druk kunnen zetten, met een prijsniveau dat nu vergelijkbaar is met auto’s op fossiele brandstoffen.

De expansie in de VS is voorzichtiger omdat de rivaliteit tussen de VS en China blijft escaleren, met een 100 % tarief op Chinese auto’s in het voorjaar van 2024.

Bron: BYD

Met sterke groeivooruitzichten in Zuid‑Amerika, Azië en Europa, evenals een dominante positie in China, de belangrijkste markt voor EV’s, is BYD‑aandeel de minder bekende en lager gewaardeerde multiple‑alternatief ten opzichte van Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

Het Chinese CATL is verreweg het grootste batterijbedrijf ter wereld als men kijkt naar het volume batterijen. Het produceerde in 2022 bijna de helft van de wereldwijde batterijen in GWh.

Het heeft ook enkele van de meest geavanceerde lithium-ijzerfosfaatbatterijen, die een oplossing kunnen zijn voor het creëren van goedkopere en “voldoende dichte” batterijen voor goedkope EV’s.

CATL’s expertise in batterijchemie strekt zich ook uit tot andere opties. Met name, the impressive 160 Wh/kg Sodium-ion battery was announced in 2021. Het vervangen van lithium door overvloedig en goedkoop natrium biedt een alternatief voor lithium, waarvan de prijs de afgelopen jaren zeer volatiel en hoog is geweest. En voor toepassingen die nog steeds lithium vereisen, CATL is also investing $1.4B to develop lithium production in Bolivia.

Maar als het gaat om batterijprestaties, staat CATL aan de voorhoede van de vooruitgang. Eerst kondigde het a 330 Wh/ kg ultra-durable “million miles” battery aan die in 5 minuten tot 80 % oplaadt en klaar is voor commercialisatie. Deze batterij zou in de toekomst door Tesla gebruikt moeten worden en zal de nieuwe standaard worden voor high‑performance EV’s.

Onlangs kondigde het ook een recordbrekende 500 Wh/kg “gecondenseerde” batterij aan, die voldoende dicht zou zijn om langeafstands‑EV’s en vliegtuigen van stroom te voorzien. It also claims to have found a way to make batteries handle cold weather better, maar dit blijft een zwakte van de technologie en een probleem voor EV’s in koude landen.

Leiders in EV’s zoals Tesla en BYD, of ambitieuze nieuwkomers zoals Toyota, zouden hun eigen batterijtechnologie kunnen ontwikkelen als uniek voordeel. Maar de rest van de auto-industrie, inclusief Duitse, Amerikaanse en Japanse autofabrikanten, zoeken partners om bij te blijven in de race voor geavanceerde batterijen. Dit omvat met name Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, en Mercedes Benz.

CATL heeft het productievolume om het meest te profiteren van schaalvoordelen in batterijproductie. Het grote verkoopvolume voedt ook direct de wetenschappelijke expertise en een groot R&D‑budget, waardoor meer doorbraken mogelijk zijn. Omdat het geen autofabrikant is, is het ook een betere partner voor het grootste deel van de industrie dan hun directe concurrenten zoals BYD en Tesla.

Voorlopig heeft het bedrijf zich voornamelijk op EV’s gericht. Het zou zich kunnen richten op nutschaalbatterijen naarmate de productie van hernieuwbare energie in China groeit en de technologie rijpt.

Al met al vormt dit een overtuigend argument voor CATL om de wereldleider in batterijproductie te blijven. Echter, de toenemende spanningen tussen de VS en China mogen niet volledig worden vergeten, en het aandeel kan verstrikt raken in de machtsstrijd tussen de twee grootste economieën ter wereld.