Niet-chemische alternatieven voor batterijen voor de energietransitie

Zijn batterijen het juiste idee?

De voorkeursaanpak om fossiele brandstoffen uit geïndustrialiseerde economieën te verwijderen is elektrificatie. Het doel is om ICE‑voertuigen (interne verbrandingsmotor) te vervangen door EV’s (elektrische voertuigen) en warmte te produceren met warmtepompen in plaats van verbranding. Dit hebben we in detail onderzocht in ons artikel “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Het probleem is dat voor deze verandering om daadwerkelijk ‘groen’ te zijn, de elektriciteit moet komen van hernieuwbare of duurzame bronnen – die, afhankelijk van wie je het vraagt, ook kernenergie kunnen omvatten.

In beide gevallen betekenen de veranderingen in de elektriciteitsvraag gedurende de dag en het seizoen dat je veel overtollige capaciteit moet bouwen die het grootste deel van de tijd inactief blijft. Dit geldt vooral voor hernieuwbare energie, omdat zonne‑energie ondermaats presteert in koude en bewolkte winters, en wind soms wekenlang kan stoppen.

Er is dus een dringende behoefte aan langetermijnopslag van energie. Eén oplossing kunnen nuts‑schaal batterijen zijn, die gebruikmaken van nieuwe chemieën die lagere kosten of andere voordelen bieden. Dit hebben we in detail onderzocht in ons artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“. Een andere optie is het produceren van een vorm van vloeibare brandstof die kan worden opgeslagen tot we het nodig hebben, bijvoorbeeld vloeibare waterstof of vloeibare ammoniak, iets wat we hebben uitgewerkt in onze artikelen “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” & “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”.

Maar wat als de juiste manier om energie voor dagen, weken, maanden of zelfs jaren op te slaan geen batterijen zijn? In dit artikel bekijken we alle niet‑chemische opties voor energieopslag.

Gecomprimeerde lucht

De voordelen van gecomprimeerde lucht

Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.

Een belangrijk voordeel van deze techniek is dat ze alleen mechanische onderdelen gebruikt, zoals buizen, pompen en tanks, die op eenvoudige materialen zoals staal kunnen worden gebouwd, in plaats van zeldzame materialen zoals zeldzame aardmetalen, kobalt, lithium, enz. Ze kan zelfs gebruikmaken van een uitgeput gasreservoir, wat een absoluut enorme “tank” oplevert tegen zeer lage kosten. En natuurlijk is lucht overal gratis en beschikbaar.

Bron: Electricity Forum

Een ander voordeel is dat het comprimeren van lucht een goed begrepen technologie is, met een zeer goed gevestigde toeleveringsketen, die snel opgeschaald kan worden indien nodig. Het is bovendien een systeem dat energie zeer lang kan opslaan met weinig tot geen verliezen.

De nadelen van gecomprimeerde lucht

Een belangrijk probleem bij het efficiënt maken van gecomprimeerde lucht is een fysiek verschijnsel dat optreedt bij het comprimeren van elk gas. Er wordt warmte gegenereerd tijdens de compressie. Deze warmte moet doorgaans worden afgevoerd om schade aan het compressiesysteem te voorkomen, wat leidt tot energieverlies. De lucht koelt ook af bij decompressie, waardoor vaak verwarmingssystemen nodig zijn.

30‑40 % van de energie kan hierdoor verloren gaan. Het kan zelfs erger zijn bij minder efficiënte ontwerpen. Tot nu toe is de beste efficiëntie op schaal behaald in China met 30 % verlies, bij de 400 MWh Zhangjiakou‑installatie ontworpen door de Chinese Academy of Sciences.

Hoewel gecomprimeerde lucht een acceptabele optie kan zijn voor goedkope langetermijnopslag tussen seizoenen, vormen de onvermijdelijke verliezen van meer dan 30 % een rem op de economische haalbaarheid. Alleen als de tijdens compressie geproduceerde warmte kan worden gerecycled in een ander proces, kunnen deze systemen echt efficiënt worden.

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.

Pompwaterkracht

Dit is de meest gebruikte vorm van nuts‑schaal energieopslag vandaag, goed voor 90 % van de wereldwijde netopslagcapaciteit in 2020, volgens de Department of Energy Global Energy Storage Database.

Waterkrachtopwekking maakt gebruik van het energierendement van water uit neerslag, slaat het op achter dammen en laat het vrij om stroom te produceren. Pompwaterkracht gebruikt elektriciteit om het water weer omhoog te pompen naar het waterkrachtstation.

De opslagtank kan ook uitsluitend worden gebouwd voor pompopslag, en vereist alleen een heuvelachtig landschap in tegenstelling tot grote waterkrachtdammen die vaak bergachtig terrein nodig hebben. Als alternatief kan ook een ondergronds reservoir worden gebruikt.

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 intrigerend idee dat alleen is besproken maar nooit op schaal is getest, is om elektrolyse te gebruiken om het water op een lagere hoogte om te zetten in waterstof. Deze waterstof, lichter dan lucht, wordt vervolgens “energievrij” omhoog gepijpt. Daarna wordt hij weer omgezet in water (terugleverend een deel van de energie die door de elektrolyse is verbruikt). Dat water produceert vervolgens opnieuw stroom tijdens het naar beneden stromen door een waterkracht turbine.

Hoewel dit potentieel een veel betere algehele efficiëntie heeft dan pompwaterkracht, kan de benodigde grootte van de elektrolyseurs het systeem nog steeds behoorlijk duur maken.

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.

In dit geval is de benodigde technologie zelfs eenvoudiger dan bij pompwaterkracht, omdat dit voornamelijk leunt op kranen en alternatoren voor het opslaan van energie en het weer teruggeven. Kranen en rotsen zijn ook geen zeldzame materialen.

Het grote voordeel van deze systemen is hun efficiëntie. Het grootste deel van het verloren energie bij pompwaterkracht komt door turbulentie in het water, waardoor de efficiëntie van de pomp afneemt. Daarentegen kunnen kranen en kabels verliezen tot 15 % opleveren (een kwart minder verlies dan bij pompwaterkracht).

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

Gravitricity hergebruikt verlaten mijnschachten om al bestaande en gemakkelijk hanteerbare putten van enkele honderden meters diepte te benutten voor energieopslag met hun GraviStore‑systeem.

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

Met honderdduizenden mijnlocaties wereldwijd, kan dit een veel groter potentieel hebben dan men zich realiseert en profiteren van het feit dat de infrastructuur al bestaat. Het bedrijf onderzoekt een samenwerking met de Zweedse industriële reus ABB om de technologische ontwikkeling af te ronden, evenals toegang te krijgen tot de enorme pool van ABB‑klanten in de mijnbouw.

Bron: ABB

De beperking van “vaste energieopslag” met zwaartekracht is dat de energie die wordt opgeslagen op slechts enkele tientallen of honderden meters niet zo groot is. Eén optie is simpelweg voldoende te hebben, zoals honderdduizenden mijnschachten zoals bij Gravitricity, of enorme speciale “magazijnen” zoals bij Energy Vault.

Een andere optie is om een veel grotere diepte te hebben. Hiervoor zijn diepe zeebodems nabij de kust een mogelijkheid. Een drijvend platform kan boven zo’n gebied staan en een gewicht over enkele duizenden meters laten zakken of heffen. Dit concept heet Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Eén bedrijf dat aan dit concept werkt, is de Franse startup Sink Float Solutions.

Bron: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions beweert een potentieel van tot 80 % efficiëntie en zeer lage kosten.

“Momenteel kunnen offshore kranen met de grootste draagcapaciteit massa’s van 4000 ton tillen, wat, bij een verticale snelheid van 20 km/h, overeenkomt met een vermogen van 200 MW. Meerdere lieren op dezelfde locatie kunnen parallel worden gebruikt.”

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/Hittebatterijen

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.

Het idee is om een grote silo (zoals die voor granen) te bouwen, deze te vullen met zand en te isoleren. Het zand wordt vervolgens verwarmd tot 400 °C. Omdat zand een relatief lage thermische geleidbaarheid EN een hoge thermische massa heeft, kan het VEEL energie opslaan. Het is bovendien zeer bestand en ondervindt geen schade, zelfs niet bij zulke hoge temperaturen.

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.

De leider van deze technologie is het Finse bedrijf Polar Night Energy. Dit is een concept dat vooral goed werkt in Noordse landen met bestaande “stadsverwarming”, waarbij warm water voor radiatoren centraal wordt geproduceerd voor honderden of duizenden appartementen. Dit is met name het geval in Scandinavië, Duitsland en het grootste deel van Oost‑Europa en voormalige USSR‑landen.

Omdat de energieverliezen minimaal zijn, kan de energie worden opgehoopt tijdens de lange zonnige maanden van de zomer (die in Finland 20‑24 uur per dag kunnen duren). De overtollige fotovoltaïsche productie kan op deze manier worden opgeslagen om het land in de winter warm te houden en de seizoensgebonden piek in de stroomvraag door verwarming te verminderen.

We zouden ons kunnen voorstellen dat verdere iteraties van het concept kunnen worden gebruikt om kassen te verwarmen, of kunnen steunen op thermische zonnestelsels.

Een soortgelijk concept van een “warmtebatterij” wordt ook ontwikkeld door Rondo Energy. Deze blokken kunnen worden verwarmd tot wel 1500 °C. Door de hogere temperatuur kan deze toepassing niet alleen voor stadsverwarming worden gebruikt, maar ook voor industriële toepassingen zoals cementproductie, metallurgie, chemie of mijnbouw.

Bron: Rondo Energy

Ondertussen werkt het bedrijf Stiesdal ook aan een warmtebatterij met gebroken gesteente. De netopslagcapaciteit wordt verwacht te variëren van 10 uur tot 10 dagen.

Ten slotte ontwikkelt de gigantische cementfabrikant Holcim ook een oplossing die op cement steunt, dat warmte opslaat wanneer het droog is en vrijgeeft wanneer het gehydrateerd wordt. Omdat de cyclus oneindig kan worden herhaald, zou dit tegen lage kosten over een voldoende lange periode moeten komen.

Dit is ontworpen om overtollige warmte op te slaan in een industriële opstelling. Misschien kan het worden gebruikt als aanvulling op een compressiestation, waardoor het verlies door opwarming van de lucht bij compressie wordt verminderd.

Met 300 kW energie per kubieke meter dichtheid kan het veel vermogen opslaan met enkele duizenden tonnen relatief goedkoop en overvloedig cement. Alleen in 2022 onthuld, bevindt het concept zich momenteel in ontwikkeling.

Vliegwielen

Een andere manier om energie op te slaan is door deze in de vorm van mechanische beweging te houden. Vliegwielen zijn dergelijke apparaten die energie opslaan door een mechanisch wiel in vacuüm op een magnetisch lager te laten roteren, met snelheden tot 20.000 tot 50.000 omwentelingen per minuut. Het systeem kan energie opslaan of teruggeven door het vliegwiel te versnellen of te vertragen.

Het belangrijkste voordeel van deze systemen is dat ze zeer snel reageren binnen enkele milliseconden. Ze kunnen dus niet alleen energie opslaan, maar ook helpen de frequentie van het elektriciteitsnet te stabiliseren, iets wat moeilijker is zonder enorme gecentraliseerde energiecentrales zoals kolen-, gas‑ of kerncentrales.

Bedrijven zoals Siemens Energy hebben pilotprojecten uitgevoerd met vliegwielen, bijvoorbeeld in Zuid‑Australië (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Andere startups werken ook aan dit concept, zoals Stornetic, met een systeem dat naar verwachting minstens 20 jaar meegaat en 100.000 laad‑/ontlaadcycli kan doorstaan.

Bron: Stornetic

Een ander bedrijf is S4 Energy, met 60 MWh operationeel of in aanbouw, en een pijplijn van 1.050 MWh. De reactiviteit van het vliegwiel kan ook helpen sommige operaties efficiënter te maken wanneer er pieken in de energievraag zijn, zoals de kranen in de haven van Rotterdam, waar een vliegwiel wordt gebruikt om de energie terug te winnen wanneer een last wordt neergelaten. Het vliegwiel van het bedrijf, KINEXT, is bijzonder zwaar (5 ton) en beweegt relatief langzaam (“slechts” 1.800 omwentelingen per minuut), waardoor het zeer lang meegaat, met lage operationele kosten en gemakkelijk te onderhouden is. Het vliegwiel heeft slechts 8 % verlies van de opgeslagen energie, wat iets beter is dan zelfs lithium‑ionbatterijen.

Hoewel zeer efficiënt en reactief, is de totale opgeslagen energie van een vliegwiel lager dan bij andere oplossingen voor hun kosten, waardoor ze waarschijnlijk beperkt blijven tot niche‑toepassingen en voor netfrequentie‑stabiliteit.

Thermische zonne‑energie

Fotovoltaïsche panelen zetten zonnestralen direct om in stroom. In vergelijking verzamelt een zonne‑thermisch krachtwerk de warmte van de zon en concentreert deze om elektriciteit te produceren. Omdat warmte gemakkelijker met enige traagheid kan worden opgeslagen, kunnen dergelijke zonne‑stations nog vele uren na zonsondergang stroom leveren, precies wanneer het energieverbruik piekt.

Dit idee, dat aan populariteit verloor door de toenemende opbrengst van fotovoltaïsche panelen, zou een comeback kunnen maken nu de intermitterende aard van hernieuwbare energie een groter probleem wordt naarmate ze een groter deel van de energiemix uitmaken.

Bron: Energy.gov

Hoewel veelbelovend, wordt dit concept historisch geplaagd door hoge kosten. Het transporteren van de warmte van de collector naar de generator is moeilijk gebleken, met gevaarlijke hitte en afvalwaterstof als gevolg. Een ander ontwerp dat gesmolten zouten gebruikt, heeft te lijden gehad onder lekken en betrouwbaarheidproblemen.

Het is ook problematisch voor de fauna, omdat vogels regelmatig kunnen worden verbrand door de onzichtbare en zeer geconcentreerde zonnestralen.

In de toekomst zouden minder massieve en daardoor minder ecologisch ingrijpende ontwerpen geconcentreerde zonne‑energie weer in de schijnwerpers kunnen zetten.