Niet-chemische alternatieven voor batterijen voor de energietransitie

Zijn batterijen het juiste idee?

Elektrificatie is een belangrijke manier om fossiele brandstoffen in geïndustrialiseerde economieën te vervangen. Denk aan elektrische voertuigen in plaats van verbrandingsmotoren en aan warmtepompen in plaats van verwarmingsketels. Dit behandelden we in het artikel “De toekomst van mobiliteit – Batterijtechnologie”.

De uitstoot van de elektriciteitsproductie bepaalt mede hoe klimaatvriendelijk deze omschakeling is. Hernieuwbare en andere duurzame energiebronnen kunnen bijdragen, waaronder volgens sommige duurzaamheidsdefinities ook kernenergie. Dat is een bron met lage koolstofuitstoot, al verschillen opvattingen over andere milieueffecten.

De elektriciteitsvraag wisselt per dag en seizoen, terwijl zon en wind afhankelijk zijn van de omstandigheden. Korte, bewolkte winterdagen beperken de zonneproductie; kou op zichzelf verlaagt het rendement van zonnepanelen niet noodzakelijk. Ook langdurige perioden met weinig wind vragen om flexibiliteit. Opslag, netverbindingen, vraagsturing en regelbaar vermogen kunnen elk een rol spelen.

Energieopslag kan helpen om vraag en aanbod in evenwicht te brengen. Een optie zijn grootschalige netbatterijen met chemische samenstellingen die lagere kosten of andere voordelen bieden, zoals besproken in “De toekomst van energieopslag – Batterijen voor het elektriciteitsnet”. Een andere optie is een brandstof die tot gebruik wordt bewaard, bijvoorbeeld vloeibare waterstof of ammoniak. Zie ook “De andere waterstofbrandstof – Vijf aandelen rond groene ammoniak” en “Biobrandstof uit algen: De volgende energierevolutie?”.

Welke andere technieken kunnen energie voor uiteenlopende perioden opslaan? Dit artikel bespreekt mechanische en thermische alternatieven voor elektrochemische batterijen. Sommige genoemde hybride voorstellen bevatten ook chemische reacties. Niet iedere techniek is geschikt voor dagen, maanden of jaren opslag.

Gecomprimeerde lucht

De voordelen van gecomprimeerde lucht

Het samenpersen van lucht kost energie. Een deel daarvan kan worden teruggewonnen wanneer de opgeslagen lucht uitzet en een turbine aandrijft.

Persluchtopslag gebruikt compressoren, leidingen, tanks en turbines, veelal met gangbare materialen zoals staal. Zo kan de afhankelijkheid van bepaalde batterijgrondstoffen afnemen, zonder dat ieder onderdeel vrij is van kritieke materialen. Geschikte ondergrondse holtes kunnen veel opslagruimte bieden, maar niet elk uitgeput gasreservoir is voldoende dicht of geschikt. Lucht is ruim beschikbaar; behandeling en infrastructuur kosten wel geld.

Bron: Electricity Forum

Luchtcompressie is een bekende industriële techniek met een gevestigde toeleveringsketen. Een goed ontworpen opslag kan weinig energie verliezen tijdens stilstand. Dat is iets anders dan het verlies over de volledige cyclus van compressie, opslag en elektriciteitsproductie, dat per ontwerp verschilt.

De nadelen van gecomprimeerde lucht

Lucht wordt warmer tijdens het samenpersen en koelt af bij expansie. Warmtebeheer is daarom essentieel. Als compressiewarmte wordt afgevoerd, daalt de terugwinbare energie. Sommige systemen slaan die warmte echter op om haar bij expansie opnieuw te gebruiken; afvoer naar de omgeving is geen onvermijdelijke stap.

Het artikel uit 2023 noemde een verlies van ongeveer 30–40% over de volledige cyclus, en meer bij minder efficiënte ontwerpen. Als voorbeeld met circa 70% rendement verwees het naar de installatie van 400 MWh in Zhangjiakou, ontwikkeld door de Chinese Academie van Wetenschappen. Deze cijfers horen bij bepaalde systemen en omstandigheden en zijn geen vaste natuurkundige ondergrens voor ieder ontwerp.

Perslucht kan geschikt zijn voor relatief goedkope langdurige opslag als de locatie en infrastructuur voldoen. Omzettingsverliezen wegen wel op de kosten. Terugwinning van compressiewarmte voor de expansie of voor nuttige verwarming kan het totale energiegebruik verbeteren; daarvoor hoeft niet noodzakelijk een afzonderlijk industrieel proces te bestaan.

Zwaartekrachtbatterijen

In de natuurkunde wordt elk object dat omhoog gaat beschouwd als het verwerven van een hoger niveau van “potentiële energie”. Deze energie manifesteert zich als neerwaartse beweging zodra het object naar beneden mag. Vanuit dit feit is het idee voortgekomen om zwaartekracht te gebruiken voor energieopslag.

Waterkracht met pompopslag

Pompopslag was rond 2020 de dominante vorm van netopslag, met ongeveer 90% of meer van het wereldwijd geïnstalleerde opslagvermogen. Het artikel verwees daarvoor naar de Global Energy Storage Database van het Amerikaanse ministerie van Energie. Het gaat om een historisch aandeel, niet om een huidige meting.

Gewone waterkracht benut de potentiële energie van water op hoogte, vaak aangevuld door natuurlijke toevoer. Pompopslag gebruikt elektriciteit om water van een lager naar een hoger reservoir te brengen. Wanneer het door een turbine terugstroomt, wordt een deel van de gebruikte energie teruggewonnen.

De reservoirs kunnen speciaal voor opslag worden aangelegd, ook als gesloten systeem zonder voortdurende verbinding met een rivier. Er zijn wel voldoende hoogteverschil, geschikte geologie en water nodig; een heuvelachtig landschap alleen volstaat niet. Op een geschikte locatie is ook een ondergronds reservoir mogelijk.

Bron: Energy.gov

De energieverliezen liggen over het algemeen tussen de 20‑30 %. Opslag kan meerdere maanden duren met beperkte verliezen, althans in regio’s die niet te heet zijn. De kapitaalinvestering kan behoorlijk groot zijn, maar pompwaterkrachtinstallaties zijn bovendien extreem duurzaam.

Een ander, speculatief voorstel combineert elektrolyse op lage hoogte met transport van waterstof naar boven, omzetting terug naar water en stroomproductie wanneer dat water door een turbine daalt. Dat is een hybride vorm van chemische opslag met meerdere omzettingen. Dat waterstof lichter is dan lucht, maakt het volledige transport en de hele cyclus niet energievrij.

Het artikel toont niet aan dat zo’n hybride cyclus een hoger totaalrendement heeft dan pompopslag. Elektrolyse, gas- en waterbehandeling, terugomzetting, verliezen en investeringen moeten allemaal worden meegerekend.

Beton/Steen-energieopslag

Water is niet het enige dat kan worden opgeslagen om energie met zwaartekracht op te slaan. Ook rotsen, betonnen blokken en andere ultrazware objecten kunnen worden gebruikt.

Het heffen en laten zakken van vaste massa’s kan met lieren of kranen, kabels en elektromotoren–generatoren. De basismaterialen zijn algemeen beschikbaar, maar regeling, veiligheid en levensduur vragen om specifieke engineering.

Sommige ontwerpen mikken op ongeveer 15% verlies over de volledige cyclus. Dat is geen universeel aangetoonde prestatie van alle zwaartekrachtsystemen. Een vergelijking met pompopslag moet alle verliezen omvatten: pompen, turbines, motoren, generatoren, leidingen en wrijving, niet alleen turbulentie in water.

Momenteel promoten de bedrijven Gravitricity  en Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) deze concepten.

Gravitricity wil geschikte oude mijnschachten van enkele honderden meters diep benutten om met GraviStore gewichten te heffen en te laten dalen. Niet elke verlaten schacht is veilig of bruikbaar voor dit doel.

Energy Vault richt zich daarentegen op speciale constructies, waarbij blokken op- en neergaan afhankelijk van de energievraag.

Oude mijnen bieden potentiële locaties, maar hun aantal staat niet gelijk aan direct bruikbare opslagcapaciteit. Op 11 december 2023 hadden Gravitricity en de in Zwitserland gevestigde multinational ABB al een samenwerkingsovereenkomst aangekondigd voor hijstechnologie en verdere commerciële ontwikkeling. ABB bracht daarnaast een grote bestaande klantenbasis in de mijnbouw mee.

Bron: ABB

De opgeslagen zwaartekrachtsenergie hangt af van zowel de massa als het hoogteverschil. Bij tientallen of honderden meters zijn voor veel energie zware massa’s, meerdere eenheden of grote speciale constructies nodig. De aanwezigheid van veel mijnen is op zichzelf geen berekening van praktisch inzetbare capaciteit.

Een ander voorstel gebruikt grotere diepten in zee, nabij de kust. Een drijvend platform zou gewichten over duizenden meters kunnen heffen of laten zakken. Dit heet Deep Ocean Gravitational Energy Storage, of DOGES. Het artikel uit 2023 noemde als ontwikkelaar de Franse start-up Sink Float Solutions.

Bron: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions noemde een potentieel rendement tot 80% en lage kosten. Dat waren claims voor het voorgestelde ontwerp, geen in dit artikel aangetoonde economische resultaten van een commerciële installatie.

Het bedrijf gebruikte als rekenvoorbeeld massa’s van 4.000 ton en een verticale snelheid van 20 km/h, wat theoretisch een vermogen in de orde van 200 MW oplevert. Meerdere lieren zouden parallel kunnen werken. Deze berekening bewijst niet dat een bestaande offshorekraan deze last én snelheid tegelijk aankan. Voor de totale opgeslagen energie moet ook de verplaatsingshoogte bekend zijn.

De werkelijke economie van deze systemen zal sterk afhangen van hun duurzaamheid, waarbij corrosie door zeewater van de mechanische onderdelen de belangrijkste zorg is.

Zand- en warmtebatterijen

Er wordt veel elektriciteit gebruikt om warmte te produceren, zowel voor industrieel gebruik als om huizen en appartementen in de winter te verwarmen. In plaats van elektriciteit op te slaan zoals een chemische batterij, probeert een zandbatterij warmte direct op te slaan.

Een geïsoleerde silo wordt gevuld met geschikt zand of een ander goedkoop vast materiaal, dat bijvoorbeeld tot 400 °C wordt verwarmd. Dankzij de thermische massa en isolatie kan veel warmte worden opgeslagen. Het geschikte materiaal en de maximale temperatuur hangen af van het ontwerp.

Bron: Polar Night Energy

Dit concept berust op zeer eenvoudige technologie, met standaard buizen, luchtpompen, elektrische weerstand, staal en zand van lage kwaliteit dat niet kan worden gebruikt voor toepassingen zoals beton.

Het Finse bedrijf Polar Night Energy ontwikkelt zulke warmteopslag. Die kan worden gekoppeld aan stadsverwarming, waarbij een centraal warmtenet veel gebouwen bedient. Zulke netten bestaan onder meer in Scandinavië, Duitsland en delen van Oost-Europa en de voormalige Sovjet-Unie. De opslag levert warmte; terugomzetting naar elektriciteit vereist extra apparatuur en brengt extra verliezen mee.

Goede isolatie kan warmte lang vasthouden, maar het verlies en de bruikbare seizoenscapaciteit hangen af van omvang en gebruik. In sommige noordelijke delen van Finland duurt het daglicht ’s zomers ongeveer 20–24 uur; dat geldt niet overal, en daglicht is niet hetzelfde als productie op vol zonnevermogen. Zomeroverschotten als warmte bewaren kan een deel van de wintervraag opvangen, zonder dat hiermee is aangetoond dat dit het hele land kan verwarmen.

Verdere toepassingen zouden bijvoorbeeld kassen kunnen verwarmen of gebruikmaken van zonnewarmtecollectoren.

Ook Rondo Energy ontwikkelt warmtebatterijen met vuurvaste stenen die elektrisch tot ongeveer 1.500 °C kunnen worden verhit. De warmte kan als hete lucht of stoom worden geleverd voor onder meer cement, metallurgie, chemie of mijnbouw. Een hoge efficiëntie van warmteopslag is niet automatisch dezelfde efficiëntie bij terugomzetting naar stroom.

Bron: Rondo Energy

In de brochure uit 2023 beschreef Stiesdal het GridScale-systeem met gebroken gesteente. Het gebruikt warme en koude opslagtanks met een warmtepomp- en turbinecyclus. De genoemde 10 uur tot 10 dagen is de ontworpen opslag- of ontlaadduur per configuratie, geen energiecapaciteit uitgedrukt in MWh.

Verder ontwikkelde Holcim met INSA Lyon en ENGIE een systeem op basis van een speciaal cementachtig materiaal. Het slaat warmte op en geeft haar vrij via uitdroging en hydratatie. Dit is thermochemische opslag en daarmee een uitzondering op de zuiver niet-chemische technieken. Herhaalbaarheid van de cyclus bewijst geen oneindige levensduur zonder onderhoud of gegarandeerd lage kosten.

Het doel was overtollige warmte te benutten in warmtenetten en industriële toepassingen. Een combinatie met persluchtopslag zou afzonderlijk technisch onderzocht moeten worden; het artikel toont geen reeds bewezen geïntegreerde installatie.

De bedrijfsmededeling noemde “300 kW per kubieke meter” bij de opname van energie. Maar kW is een eenheid van vermogen, niet van energie. Zonder tijdsbasis is dit geen geldige energiedichtheid en kan er geen opslagcapaciteit uit tonnen materiaal mee worden berekend. Het concept was in ontwikkeling toen het in 2022 werd gepresenteerd.

Vliegwielen

Vliegwielen bewaren kinetische energie in een draaiende massa. Sommige ontwerpen draaien in vacuüm op magnetische lagers met 20.000–50.000 omwentelingen per minuut, andere draaien veel langzamer. Een motor–generator slaat energie op door het vliegwiel te versnellen en wint haar terug door het af te remmen.

Een belangrijk voordeel is de reactie binnen milliseconden. Daardoor kunnen vliegwielen de netfrequentie en dynamische stabiliteit ondersteunen, vooral als de inertie van grote synchrone generatoren afneemt. Die snelle netdienst is iets anders dan uren of dagen grote hoeveelheden energie leveren.

Voor ElectraNet leverde Siemens Energy in Zuid-Australië synchrone compensatoren met extra vliegwielen (ENR.SW ) (ENR.DE ). Dit ondersteunt inertie en netstabiliteit, niet seizoensopslag.

Bij Stornetic bedraagt de verwachte mechanische levensduur van EnWheel meer dan twintig jaar, met meer dan 100.000 cycli. Dat betekent niet dat elk onderdeel tientallen jaren zonder vervanging meegaat; voor de vermogenselektronica voorziet het bedrijf eerder vervanging.

Bron: Stornetic

Bij S4 Energy werden vliegwielen en batterijen gecombineerd in hybride systemen. Het artikel uit 2023 vermeldde een portefeuille van 60 MWh in bedrijf of aanbouw en een pijplijn van 1.050 MWh; dat is niet de energiecapaciteit van één vliegwiel en evenmin allemaal gerealiseerde capaciteit. Het noemde ook terugwinning van energie bij het laten zakken van kraanlasten in Rotterdam. KINEXT gebruikt een massa van circa 5 ton die tot ongeveer 1.800 omwentelingen per minuut draait, voor snelle reacties en veel cycli. Het genoemde rendement van circa 92% betreft de omzettingscyclus, niet slechts 8% verlies tijdens willekeurig lange opslag en ook geen algemene superioriteit ten opzichte van lithium-ionbatterijen.

Vliegwielen zijn snel en geschikt voor veel cycli, energieterugwinning en netdiensten. Hun beperkte energiecapaciteit in verhouding tot de kosten en de verliezen tijdens stilstand maken ze meestal geschikter voor korte perioden dan voor seizoensopslag.

Geconcentreerde zonnewarmte

Zonnepanelen zetten licht rechtstreeks om in elektriciteit. Een geconcentreerde zonnewarmtecentrale gebruikt spiegels om een ontvanger en een warmtedragend medium te verhitten, waarna een thermische cyclus stroom produceert. Met geschikte warmteopslag kan zo’n centrale nog uren na zonsondergang leveren, afhankelijk van opslagcapaciteit en omstandigheden.

Goedkopere en betere zonnepanelen hebben de concurrentiepositie van geconcentreerde zonnewarmte bemoeilijkt. Opslag en regelbare productie kunnen waardevol worden in een systeem met veel variabele hernieuwbare energie, maar een commerciële terugkeer is daarmee niet gegarandeerd.

Bron: Energy.gov

Kosten, warmtetransport en betrouwbaarheid zijn belangrijke uitdagingen. Bij sommige organische warmteoverdrachtsoliën ontstaat door afbraak bij hoge temperaturen waterstof, die de isolatie van ontvangers kan aantasten. Dat is geen onvermijdelijk afvalproduct van iedere zonnewarmtecentrale. Gesmolten zouten kennen andere uitdagingen, zoals stolling, corrosie en lekkage.

Ook natuur kan gevolgen ondervinden. Vooral in de sterk geconcentreerde stralingszone bij torenontvangers kunnen vogels gewond raken of sterven. Het risico verschilt per locatie en ontwerp; niet elke installatie heeft hetzelfde effect en zonnestraling is niet uitsluitend onzichtbaar.

Nieuwe ontwerpen zouden kosten, betrouwbaarheid en milieuprestaties kunnen verbeteren. Een kleiner systeem is niet automatisch ecologisch minder belastend; iedere toepassing vraagt een eigen beoordeling.