Een toekomstig energiesysteem dat draait op wind- en zonne-energie kan niet zonder batterijen om tijdelijk elektriciteit op te slaan. Ook elektrisch vervoer rijdt erop. Op dit moment zijn 99,9 procent van alle batterijen lithium-ion batterijen, blijkt uit het eerste Smart Storage Trendrapport, dat gepresenteerd werd tijdens het congres ‘Noodzaak van Storage’ in Den Haag.
Strengere wetten
Die 99,9 procent aan lithium-ion batterijen leverden ‘slechts’ 85 procent van alle opslagcapaciteit, wat suggereert dat andere technologieën daar beter voor geschikt zijn. Bovendien zijn lithium-ion batterijen brandonveilig, vervuilt de winning van lithium de omgeving en komen alle batterijcomponenten en kritische stoffen - van kobalt tot mangaan, van lithium tot koper - van buiten Europa. Nu komt 70 procent van alle batterijen uit China. Dat wil de EU graag veranderen. Europa heeft al strengere eisen ingevoerd voor het berekenen van de milieu-impact van batterijen. Sinds 2023 geldt ook nieuwe regelgeving die producenten en importeurs verplicht tot het inzamelen en recyclen van batterijen. Zo blijven de gebruikte grondstoffen in Europa.
Natrium-ion batterij
In de batterijsector zelf is de grote vraag: welke opkomende technologie gaat lithium-ion vervangen? Voor mobiele toepassingen wijzen de meeste onderzoeken op de natrium-ion batterij - ook wel sodium-ion- of zoutbatterij genoemd -, stelde Erik Kelder, associate professor aan de TU Delft, tijdens het congres. Hij onderzoekt met een speciaal batterijenlab van de TU mogelijke alternatieven voor de huidige lithium-ion batterij. Voor stationaire opslag van stroom, bijvoorbeeld bij wind- of zonneparken of om netcongestie tegen te gaan, zijn naast natrium-ion- ook flowbatterijen goed inzetbaar. Die maken geen gebruik van vaste stoffen als natrium of lithium, maar van ionen opgelost in vloeistof.
Technologie verbeteren
Natrium - een licht metaal dat makkelijk reageert met andere stoffen - is goedkoper en minder schaars dan lithium. Een natrium-ion batterij vliegt niet makkelijk in brand, is milieuvriendelijker, makkelijker te recyclen en presteert beter in de kou. “In bijna alle aspecten is natrium-ion beter dan een lithium-ion batterij, behalve dat de energiedichtheid wat minder is. Daar kunnen we hopelijk wat aan doen door de technologie zodanig te verbeteren, dat de batterijen wel een hogere capaciteit kunnen krijgen. Het is dus niet zo gek dat deze batterijen misschien wel op zeer korte termijn de lithium-ion batterijen gaan vervangen”, zegt professor Kelder.
China neemt weer voorsprong
In Europa en de VS zijn al acht tot tien bedrijven bezig met dit type batterijen. Bijvoorbeeld Northvolt in Zweden of autoconcern Stellantis, dat investeerde in een natrium-ion batterijenfabriek van 5 gigawatt van Tiamat Energy in het Franse Amiens. Kelder: “Maar het vervelende is: in Azië is dat tien tot honderd keer zoveel. Dus op dit moment zijn nog steeds alle natrium-ion batterijen, ook in elektrisch auto’s, afkomstig uit China. Daar zijn de eerste auto’s er al mee uitgerust. Die kun je via internet gewoon kopen. We willen hier niet altijd achterlopen, maar als alles weer geïmporteerd moet worden uit China dan heeft Europa daar straks een probleem mee.”
Zink-, mangaan- of calcium- batterij
Natrium-ion-batterijen werken op een vergelijkbare manier als lithium-ion-batterijen. Beide hebben een anode (plus pool) en een kathode (min pool). Daartussen zit een elektrolyt die ervoor zorgt dat de ionen van de ene naar de andere pool stromen. Daarbij komt elektriciteit vrij en zo wordt de batterij opgeladen of ontladen. Bij een zoutbatterij zijn dat natrium-ionen, maar die kunnen ook vervangen worden door andere materialen als zink-, calcium- of mangaan-ionen. “Het concept blijft hetzelfde. Het voordeel is alleen dat we deze systemen ook in wateroplossingen kunnen gebruiken”, zegt Kelder. “Dan heb je geen organische materialen nodig die tegenwoordig zo vaak in brand vliegen, zoals bij lithium-ion batterijen. Dan kun je qua veiligheid en energiedichtheid concurreren met lithium-ion. Deze systemen zullen in de toekomst gebruikt kunnen worden, maar dan praat je niet over vijf tot tien jaar. Dat zal waarschijnlijk wel wat langer duren.
Redox flow batterij
Voor grootschalige elektriciteitsopslag zijn andere systemen beter geschikt. Bijvoorbeeld de redox flowbatterij. Die werkt op een totaal andere manier. Bij dit systeem zitten de stoffen met positieve en negatieve ionen opgelost in water in twee verschillende opslagtanks. Als je die vervolgens samenvoegt in een reactor, ontstaat een chemische reactie, waarbij elektriciteit opgewekt wordt, die je kunt opslaan. Als je ze door een membraan weer splitst, kun je de ionen weer apart opslaan in de tanks. De batterijcellen zijn te stapelen in stacks, waardoor je de opslagcapaciteit net zo groot kan maken als nodig is.
Waterstof-broom batterij
Er zijn al redox-systemen in werking. Het nadeel is dat deze systemen vanadium gebruiken, een kritisch materiaal, en duur zijn. Het Nederlandse bedrijf Elestor heeft daarom een goedkopere batterijvariant ontwikkeld waarbij waterstof en broom met elkaar reageren. “Dit soort systemen kunnen prima gebruikt worden voor grootschalige elektriciteitsopslag”, stelt Kelder.
Daarnaast is een scala aan onderzoeken bezig naar verschillende redox flow-batterijen. Kelder vindt vooral de semi-solid flowbatterij interessant. Die gebruikt dezelfde materialen als een lithium-ion batterij, maar maakt er een soort pasta van, die wordt rondgepompt in een grote tank.
Zink-lucht batterij
Ook de nieuwe zink-luchtbatterij maakt gebruik van flow-techniek. Om deze batterij verder te ontwikkelen werkt Kelder samen met de Noorse onderzoeksorganisatie SINTEF en diverse Europese universiteiten in het project ReZilient, dat hiervoor een EU-subsidie heeft gekregen. In potentie kan deze batterij grote hoeveelheden elektriciteit voor langere duur opslaan. Bij deze methode reageert zink met zuurstof uit water. Samen met zuurstof uit de lucht en een katalysator oxideert zink tot zinkoxide. De technologie wordt momenteel op lab-schaal getest. “We maken gebruik van allemaal niet-kritische materialen. Met dit soort eenvoudige systemen kunnen we op termijn veel energie opslaan”, zegt Kelder.
Zoutwaterbatterij
Daarnaast zijn er flow batterijsystemen die zout water splitsen in een zuur en een base, die daarna als elektrolyten worden gebruikt. Het Nederlandse Aquabattery gaat zo’n zoutwaterbatterij testen bij Deltares in Delft. Die werkt als volgt: tijdens het laden stroomt zout water door een membraan en daar gesplitst in het zuur en de base. Die worden opgeslagen in aparte reservoirs. Dit proces slaat elektriciteit op. Tijdens het ontladen stromen de zuur- en de basisoplossing terug door het membraan om te mengen en opnieuw zout water te vormen. Bij dit proces wordt elektriciteit opgewekt. De batterij werkt met eenvoudige stoffen als keukenzout, natriumhydroxide en waterstofchloride, die gewoon bij de bouwmarkt verkrijgbaar zijn.
Goedkoop en veilig
Verder loopt in Nederland het project van Dr Ten, dat een zeezoutbatterij wil ontwikkelen. Die bestaat uit mineralen, koolstof en zout, allemaal gewonnen uit natuurlijke bronnen. De batterij werkt op basis van concentratieverschillen in zeezout, die kleine elektrische stromen opwekken. “Je kunt er weinig energie mee opslaan, maar uiteindelijk is het wel heel goedkoop en veilig”, zegt Kelder. “De vraag is meer aan ons: willen we grote of kleine systemen hebben? Willen we veilige systemen hebben? En wat gaat het kosten? De technologieën die er nu zijn zullen verder ontwikkeld worden. Die moeten we ook niet aan de kant schuiven, maar dat we nieuwe methoden een kans moeten geven is duidelijk.”
Lees ook:
schrijf je in voor de nieuwsbrief
Wil jij iedere ochtend rond 7 uur het laatste nieuws over duurzaamheid ontvangen? Dat kan!
Schrijf je nu in
