Wat is thermische energieopslag en kan het de industrie op korte termijn verduurzamen?

Industriële warmte en -koeling zijn lang een vergeten aspect van de energietransitie geweest. De industrie, goed voor maar liefst 26 procent van het totale eindverbruik van energie in Europa, is sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen, en stoot jaarlijks meer dan 500 miljoen ton CO2 uit. Meer dan 60 procent van deze emissies zijn afkomstig van 'hoge-temperatuur'-processen zoals staal (tot 1.500 graden Celsius), bio-raffinage (tot 600 graden Celsius) en voedsel- en drankproductie (tot 400 graden Celsius). Aardgas en steenkool zijn nog steeds de leverancier van warmte in deze industrieën, en verandering is lastig.

Schonere verwarmingsoplossingen zoals industriële warmtepompen op groene stroom, of geconcentreerde zonne-energie kunnen een oplossing bieden voor 'lage-temperatuur'-verwarmingbehoeftes tot 200 graden Celsius, maar er zijn maar weinig alternatieven voor het 'hetere' werk.

Industriële warmteopslag

Het is vooral voor deze hogere temperaturen (hoger dan 200 graden Celsius), dat industriële warmteopslag, ook wel thermische energieopslag (TES) genoemd, een mogelijke oplossing biedt. Net zoals de batterij in je telefoon energie oplaadt en opslaat voor later gebruik, kunnen we warmte opslaan als energie voor later gebruik. Dit maakt het mogelijk om hernieuwbare energiebronnen te gebruiken voor warmteopwekking en -opslag, of om restwarmte op te vangen voor hergebruik, waarbij elk beetje energie weer een beetje fossiel vervangt.

Er zijn in de basis drie technieken om warmte op te slaan die in verschillende fase van volwassenheid zijn. Op volgorde van meest naar minst volwassen zijn dat:

• Voelbaar; het opwarmen van zand, stenen, of andere massa
• Latent; gebruik van materialen die een fase veranderen met temperatuur
• Thermochemisch; via chemische reacties zoals bijvoorbeeld zout-oplossingen

Combinatie met hernieuwbare energie

In combinatie met hernieuwbare energie kan TES meer dan 50 procent van het huidige brandstofverbruik van industriële verwarming processen bij ijzer-, staal-, cement-, en chemische productie vervangen zonder deze processen fundamenteel te veranderen. Verder zien we ook potentie voor bijvoorbeeld het verwarmen van huizen. Deze twee maatregelen kunnen samen het wereldwijde gasverbruik tot wel 40 procent terugdringen in 2050.

Om deze significante reductie te behalen, moeten we verschillende vormen van industriële warmteopslag, voelbaar, latent en thermochemische processen, combineren. Hieronder zet Rubio per TES-innovatie uiteen voor welke temperatuur de toepassing is, wat de geschatte kosten per kilowattuur zijn en in hoeverre de innovatie volwassen is.

1: Opslag met voelbare warmte

Voelbare warmteopslag is eenvoudig: verwarm materialen die een hoge warmteopslagcapaciteit hebben, zoals zand of zout, en gebruik deze warmte wanneer je het weer nodig hebt.

• Temperatuurbereik: 0 tot 1.000 graden Celsius
  
• Kosten: 0,10 tot 35 euro per kilowattuur
  
• Mate van volwassenheid: commercieel bewezen

Een voorbeeld van een start-up die hier aan werkt, is Energynest (Noorwegen) dat HEATCRETE heeft ontwikkeld. Hiermee kunnen ze temperaturen tot 400 graden Celsius opslaan. Het Deense KraftBlock gebruikt gerecycled staal voor warmteopslag tot 1.300 graden. Antora (Verenigde Staten) werkt dan weer met geïsoleerde koolstof blokken tot wel 1.500 graden.

Voelbare warmte is een goedkope en relatief volwassen technologie die al op commerciële schaal wordt toegepast. Het nadeel aan deze aanpak is dat opslag vluchtig is, vooral op hogere temperaturen. Dit maakt het minder interessant voor opslag op de langere termijn.

2: Latente opslag

Latente energieopslag maakt gebruik van de energie die opgeslagen wordt of vrijkomt als een materiaal een faseovergang doormaakt (bijvoorbeeld van vloeistof naar vast).

• Temperatuurbereik: -100 tot 1.000 graden Celsius
• Kosten: 60 tot 230 euro per kilowattuur
• Mate van volwassenheid: technologie moet nog opschalen

Zo ontwikkelde Energy Dome (zie hoofdafbeelding) een demonstratieopstelling in Italië, die warmte op kamertemperatuur opslaat in de vorm van vloeibare CO2. Als de druk afneemt, en de CO2 weer een gasvorm aanneemt, komt warmte vrij, en kan een turbine aangedreven worden. Een ander voorbeeld is MGA Thermal uit Australië. Dit bedrijf werkt met gesmolten legeringen die latente energie opslaan tussen vaste en vloeibare toestand.

Vergeleken met voelbare warmteopslag heeft latente warmteopslag een veel hogere energiedichtheid, waardoor minder ruimte nodig is voor dezelfde opslagcapaciteit. Daarnaast behoudt latente warmte een constante temperatuur, waardoor het meer geschikt is voor stabiele industriële processen. Het is echter alleen effectief binnen een klein temperatuurbereik waarin de faseovergang plaatsvindt, en de specifieke materialen die nodig zijn, kunnen afhankelijk van de situatie zeldzaam en duur zijn.

3: Thermochemische opslag

Thermochemische opslag vangt warmte op uit de reactie tussen twee (of meer) stoffen die omkeerbaar is. Thermochemische opslag onderscheidt zich van meer klassieke batterijen en brandstoffen in dat de primaire input ook warmte is in plaats van een 'hogere' vorm van energie zoals elektriciteit of waterstof.

• Temperatuurbereik: 50 tot 1.800 graden Celsius
• Kosten: nog niet bekend
• Mate van volwassenheid: vroege onderzoeksfase

Hoewel de meeste technologieën zich nog in de onderzoeksfase bevinden, zijn er wel veelbelovende projecten. In Nederland is er onder andere Cellcius, dat aan een zoutbatterij werkt die warmte genereert als er water aan toegevoegd wordt.

Thermochemie heeft de potentie om de hoogste energiedichtheid van alle technologieën te hebben, en tegelijkertijd de hogere (meer dan 1.000 graden Celsius) temperaturen te leveren die processen zoals cement- en staalproductie vereisen. De meeste toepassingen zijn echter nog theoretisch en hebben nog een lange weg te gaan.

Het markt- en concurrentielandschap

De European Energy Research Alliance schat dat TES tot 1.793 terawattuur aan fossiele brandstoffen kan vervangen, met een waarde van 200 miljard euro tegen de huidige prijzen van fossiele brandstoffen alleen al in Europa.

Dat is een grote kans. Maar de technologie heeft nog een lange weg te gaan om competitief te worden met de fossiele standaard. De all-inprijs voor warmte op gas ligt op dit moment rond de 45 euro per megawattuur. Op dit moment komt alleen voelbare warmte in de buurt, en omdat de investering hier voor de baten uit loopt, zit er een lange terugverdientijd op.

Subsidies en wetgeving zoals de Inflation Reduction Act in Amerika en ETS (Emissions Trading System) in Europa zorgen ervoor dat significante investeringen in TES-demonstratieprojecten mogelijk gemaakt worden. Zo verwacht Rubio dat er meer dan 400 megawattuur aan opslagcapaciteit tegen eind 2024 beschikbaar komt in allerlei sectoren.

Wat is er nodig om investeerders aan te trekken?

Terwijl de industrie worstelt met zijn enorme ecologische voetafdruk, kan de combinatie van elektrificatie en TES een potentiële gamechanger zijn. Gesmolten zouten en thermochemische oplossingen kunnen moeilijk te decarboniseren processen boven 200 tot 500 graden Celsius eindelijk uitstootvrij maken en tegelijkertijd nieuwe systemen creëren die efficiënter gebruikmaken van hernieuwbare energiebronnen.

Vanuit een impact perspectief geldt: hoe hoger de vereiste temperatuur, hoe meer waarde in TES, omdat deze processen meer energie nodig hebben en moeilijker te elektrificeren zijn. Vanuit commercieel oogpunt moeten TES-technologieën concurreren met gasprijzen en tegelijkertijd aantrekkelijke rendabele activa bieden voor investeringen (het Rubio-standpunt is dat een terugverdientijd van 10 jaar of minder het minimum is om te wedijveren met de best presterende gasturbines, en idealiter 5 tot 8 jaar om adoptie een 'no-brainer' te maken). Bovendien zullen de meeste industriële toepassingen minstens een capaciteit van voldoende omvang vereisen om een soepele continuïteit van de thermische energielevering te garanderen.

Technologische en commerciële voorwaarden

Wanneer is een TES-bedrijf volgens Rubio dan interessant? Technologisch moet het in ieder geval het volgende aantonen:

• Een systeem dat temperaturen kan bereiken van 500 graden Celsius of meer. Hier is het effect van industriële TES het grootst.
• Energiecapaciteit (opschaling tot 150 megawattuur). Dit is nodig om te voldoen aan aan de minimale eisen van de meeste industriële processen.
• Het systeem moet uit materialen bestaan die makkelijk te verkrijgen zijn. Zo worden lage kosten en voldoende marktgroei gegarandeerd.

Commercieel gezien moeten interessante bedrijven het volgende kunnen aantonen:

• Onderweg naar een prijsniveau dat kan concurreren met gas.
• Terugverdientijd op CAPEX (de investering in de machines, red.) maximaal 5 tot 8 jaar zodat je kapitaalinvesteringen kunt aantrekken.
• Een bedrijfsmodel dat de hoge aanvankelijke CAPEX-kosten dekt. Op die manier zorgt kapitaalverhoging er niet direct voor dat de groei van het bedrijf vertraagt.

Ben jij een ondernemer en ben je van mening dat jouw TES-oplossing voldoet aan deze criteria? Neem dan vooral contact met Rubio op.

Lees ook:

• Changemaker Kadir van Lohuizen legt met zijn camera de wereldwijde voedselketen vast: ‘Beelden zeggen veel’
• Drijvende radar voorkomt dat vogels en vleermuizen botsen met windparken op zee
• Met een bus vol Milieudefensie-activisten naar Unilever in Londen: ‘Ongemakkelijker dan ik van tevoren had gedacht’