De Toekomst van Energieopslag – Technologie voor Nutsvoorzieningsschalen Batterijen

Het elektriciteitsnet heeft batterijen nodig

Batterijen zijn geëvolueerd van een goedkoop onderdeel van kleine elektronica tot een duur sleutelonderdeel in de EV-revolutie. Maar er is een ander segment naast mobiliteit dat een steeds grotere hoeveelheid batterijcapaciteit vereist: het elektriciteitsnet.

Hernieuwbare energiebronnen groeien als onderdeel van de totale elektriciteitsopwekking. Maar ze zijn ook meer intermitterend dan fossiele‑brandstofcentrales, omdat ze meestal stroom produceren wanneer de zon schijnt of de wind waait. Dit kan niet samenvallen met de piekconsumptie, vaak in de avond of winter. Het elektriciteitsnet slaat geen elektriciteit op, maar moet te allen tijde in balans zijn tussen productie en consumptie.

Dus hoe meer hernieuwbare opwekking, hoe meer batterijen nodig zullen zijn om uw elektriciteitsnet stabiel te houden. Dit is een belangrijk nieuw investeringsgebied, met nutsvoorzieningsbatterijprojecten die gepland zijn om de huidige capaciteit tegen 2025 meer dan te verdrievoudigen.

Bron: EIA

Voor nu, een groot deel van deze batterijparken gebruiken lithium‑ionbatterijen. Maar dit kan veranderen.

Verschillende behoeften

Voor nu is de batterijindustrie vooral geëvolueerd om te voldoen aan de markt voor kleine elektronica en EV’s. Dit komt omdat beide vergelijkbare eisen hebben voor de ideale batterij:

• Klein en licht, dus met een hoge energiedichtheid gemeten in Wh/kg.
• Werkt in een “normaal” temperatuurbereik.
• Niet extreem prijsgevoelig.
• Kan minstens 5‑10 jaar meegaan, met ongeveer één volledige lading per dag.

Voor deze specifieke set criteria is lithium‑iontechnologie tot nu toe de beste voor batterijtechnologie. Dit kan binnenkort veranderen, met mogelijkheden zoals solid‑state batterijen, natrium‑ion, of lithium‑ijzerfosfaat (LFP) batterijen als potentiële alternatieven. U kunt er meer over lezen in ons artikel: “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Maar batterijen voor het elektriciteitsnet / nutsvoorzieningsschalen hebben zeer verschillende behoeften.

• Geen harde beperkingen op gewicht. Batterijen bewegen zich nergens heen, dus een gewicht dat een EV zou verlammen is geen probleem.
• Geen harde beperkingen op ruimte. Batterijparken worden gebouwd op goedkoop land rond energiecentrales. Geen noodzaak om ze strak te verpakken in een computer of EV.
• Hoge temperaturen zijn niet zo problematisch. Als een specifieke chemie beter werkt bij 200°C, zal dit de passagiers van een EV niet koken. Echter, in de meeste landen moeten de batterijen koude weersomstandigheden kunnen weerstaan, omdat het verwarmen in de winter zeer kostbaar zou zijn. Iets waar lithiumbatterijen moeite mee kunnen hebben.
• De kosten per Wh zijn de belangrijkste factor.
• Hoe langer de batterij meegaat, hoe meer de kosten over een lange periode kunnen worden geamortiseerd, waarbij nutsbedrijven gewend zijn te investeren met een tijdshorizon van 30‑40 jaar.

Gezien de zeer verschillende behoeften tussen EV’s en nutsvoorzieningsbatterijen, is het geen verrassing dat er nieuwe technologieën en nieuwe batterijchemieën worden ontwikkeld om meer kosteneffectieve oplossingen te bieden aan energiebedrijven en netbeheerders.

In de praktijk kunnen we verwachten dat verschillende energieopslagtechnologieën samen “winnen”, aangezien sommige beter geschikt zijn voor directe netbalancering, en andere voor verschillende tijdschalen (uren, weken, volledige seizoenen).

Bron: CleanTech

Terwijl dit artikel u een overzicht van het onderwerp geeft, wilt u misschien ook dit gedetailleerde rapport van Ara Ake over stationaire energieopslagsystemen lezen.

Nieuwe batterijchemieën voor grootschalige toepassingen

Door EV’s afgeleide nieuwe chemieën

Batterijen bouwen is een schaalspel. De grootste productiebatches, met de diepste toeleveringsketen, kunnen schaalvoordelen realiseren en daardoor een lagere kosten per Wh.

Om deze reden wedden een aantal nutsvoorzieningsbatterijbedrijven op goedkope batterijchemieën die al in EV’s worden gebruikt om lithium‑ionopslag te vervangen.

LFP-batterijen

Een optie is LFP (lithium‑ijzerfosfaat), een goede kandidaat voor goedkope EV-batterijen, en een batterijchemie die niet afhankelijk is van dure kobalt en nikkel. Ze gaan ook langer mee dan lithium‑ion, waardoor ze op de lange termijn nog economischer zijn. Dit is al beschikbaar in kant‑en‑klare, nutsvoorzieningsoplossingen, onder andere van leiders in de sector zoals CATL of BYD.

Natrium‑ionbatterijen

Naast kobalt en nikkel kan lithium zelf soms erg duur zijn, afhankelijk van de prijsschommelingen. Het vervangen door overvloedig natrium kan de prijzen nog meer verlagen. Het is iets minder energiedicht (Wh/kg) dan LFP’s, maar ook goedkoper, dus kan het een nog betere kandidaat zijn voor een batterijchemie die zowel in EV’s als in het elektriciteitsnet kan werken.

Redox‑flowbatterijen

Deze categorieën batterijen vertrouwen op het chemische proces van oxidatie en reductie van metaal. Een verscheidenheid aan verschillende metalen kan worden gebruikt voor redox‑flowbatterijen, evenals andere soorten ionstromen.

Bron: CellCube

Ijzer‑luchtbatterijen

Deze batterijen werken door de oxidatie van ijzer (algemeen bekend als roest). De batterijen produceren elektriciteit door ijzer te oxideren, en keren het proces vervolgens om door elektriciteit te verbruiken.

Het belangrijkste voordeel is dat door extreem goedkope materialen te gebruiken, deze batterijen zeer kosteneffectief kunnen zijn. Voorstanders van deze technologie beweren dat ijzer‑luchtbatterijen 10 keer goedkoper, beter presterend en 17 keer langer meegaan. Het nadeel dat de batterijen groot, zwaar en traag in laden of ontladen zijn, zou geen probleem moeten zijn voor nutsvoorzieningsapplicaties. Bedrijven zoals Form Energy bouwen al faciliteiten om deze batterijen massaal te produceren.

Zinkbatterijen

Met een ander goedkoop metaal omvatten deze batterijen verschillende opties zoals zink‑broom, zink‑mangaans of zink‑lucht chemieën. Het belangrijkste voordeel van deze technologie is de zeer lange opslagcapaciteit, met zeer weinig verliezen/ontlading. Dit kan het een goede kandidaat maken voor het opslaan van windenergie, waarbij windstille dagen soms enkele weken kunnen duren, iets waar batterijtechnologieën met minder duurzame opslag moeite mee hebben. “Zinkbatterijen zullen naar verwachting 10 % van de opslagmarkt uitmaken tegen 2030, volgens energieanalist Avicenne Consulting”. Enkele opvallende bedrijven in deze sector zijn Redflow (zink‑broom) en Zinc8 (zink‑lucht).

Vanadium Redox Flow Batterijen – VRFB

Vanadium is een metaal dat tegenwoordig vooral wordt gebruikt bij de productie van roestvrij staal. In batterijen zou het batterijen kunnen creëren die het best passen voor dagelijkse cycli en het gladstrijken van de productiekromme van hernieuwbare energie gedurende de dag, dankzij het kunnen verwerken van minstens 10 laad‑ontlaadcycli per dag, terwijl het ook een goed retentievermogen heeft tot 24 uur. De levensduur van de batterij kan zeer lang zijn, tot 20‑25 jaar, en zelfs dan zouden alleen de plastic frame‑onderdelen vervangen moeten worden, terwijl de metalen componenten bijna volledig recyclebaar zijn.

De sector is zeer actief, met bedrijven zoals CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power en VRB Energy die aan deze technologie werken.

Zeezout / Aqueuze zoutwaterbatterijen

Dit concept berust op de stroom van zoutionen door een membraan voor energieopslag. Een versie van deze batterij gemaakt door Salgenx gebruikt zelfs geen membraan, wat kosten, complexiteit en onderhoud vermindert, maar met een op maat gemaakte elektrolyt die niet met water mengt.

Gesmolten metaalbatterijen

Het concept is gebaseerd op aluminium smelten, een zeer elektriciteit‑hongerig proces; wat als het omgekeerd kon worden?

Veel batterijkosten komen voort uit de moeilijkheden bij de productie. Anoden en kathodes moeten perfect gescheiden zijn om kortsluitingen te voorkomen.

In een gesmolten metaalbatterij zijn alle 3 hoofdcomponenten, de anode, kathode en elektrolyt, vloeibaar. Ze scheiden spontaan van elkaar dankzij verschillende vloeibare dichtheden. Het feit dat er geen vaste componenten zijn, zou theoretisch de levensduur van de batterij dramatisch moeten verhogen, evenals het mogelijk maken om zeer snel te laden en ontladen en volledig recyclebaar te zijn.

Het bedrijf Ambri, dat een calcium‑ en antimoonbatterij gebruikt, streeft ernaar 200.000 batterijcellen per jaar te produceren in zijn nieuwe fabriek tegen 2024, en is een leverancier voor Microsoft sinds 2022.

Bron: Ambri

Het bedrijf NGK insulator werkt ook aan een natrium‑zwavel gesmolten zoutbatterij, en het bedrijf FZSoNick werkt aan een natrium‑nikkel‑chloride batterij.

Metaalwaterstof / Nikkelwaterstofbatterijen

Deze batterijen cyclen waterstof naar water en oxideren vervolgens een metaal. Terwijl nikkel niet het enige mogelijke kathodemetaal in deze technologie is (alternatieven kunnen mangaan, lood of ijzer zijn), is het de meest voorkomende en energiedichte optie.

Dit is het type batterij dat door NASA op het ISS (International Space Station) wordt gebruikt.

Deze technologie zou het voordeel hebben zeer veilig te zijn, met nul onderhoud en een breed temperatuurbereik te beheren (-40 tot +60°C).

Deze technologie wordt met name gepromoot door Enervenue, dat in 2020 uit stealth‑mode kwam, met een nieuwe versie van zijn batterij met een 30‑jaar, 30.000‑cyclische levensduur die in september 2023 werd gelanceerd. Waterstof‑mangaanbatterijen worden ontwikkeld door RFC Power.

CO2-batterijen

Stijgende CO2-niveaus zijn de drijvende kracht achter de push voor hernieuwbare energie en elektrificatie, en dus ook achter de toenemende behoefte aan batterijen. Het zou daarom enigszins ironisch zijn dat dezelfde molecule wordt gebruikt om hernieuwbare energie op te slaan.

Noon Energy CO2-batterij splitst CO2 in koolstof en zuurstof om energie op te slaan. De flow‑batterij werkt bij hoge drukken en temperaturen variërend van 50 tot 200 bar en 600 tot 800 ºC. Dit batterijt type werd eerst ontwikkeld voor de Mars Rover Perseverance.

Dit moet niet worden verward met de “CO2-batterij” van Energy Dome, die vertrouwt op de cyclus van vloeibaar maken en verdampen van CO2, waardoor het geen echte batterij is, maar meer een gecomprimeerde gasenergieopslag.

Natrium‑zwavelbatterijen

Deze batterijen waren tot nu toe beperkt tot toepassingen waarbij de batterij op hoge temperaturen (300°C) werd gehouden. Dit zou geen probleem hoeven te zijn voor nutsvoorzieningsapplicaties. Echter, de technologie is nog enigszins nieuw en mist schaal en massaproductie voor nu. Het maken van deze batterijen zeer lang meegaand kan ook een technologische uitdaging zijn.

Polymeerbatterijen

Ook wel plastic batterijen genoemd, dit concept gebruikt geleidende polymeren in plaats van lithium of andere metalen. Het belangrijkste voordeel van dit concept is dat het vertrouwt op eenvoudige productie en materialen die gemakkelijk beschikbaar zijn. De resulterende batterij zou ook zeer lang meegaand en veilig te bedienen zijn.

Polyjoule, een MIT spin‑off, is een van de leiders in dat idee. Maar het zou op de lange termijn geen batterijtype kunnen zijn dat de kosten zo veel kan verlagen als sommige andere alternatieven.