ZürichDe machinefabrikant Wipotec uit Kaiserslautern had een probleem dat momenteel veel industriële bedrijven treft: om minder afhankelijk te zijn van hoge elektriciteitsprijzen, installeerde het middelgrote bedrijf zonnecellen op de daken van de fabriekshallen. Maar een deel van de productie draait de klok rond. “We zijn al jaren op zoek naar een manier om de zonne-energie die we zelf ‘s nachts produceren te kunnen gebruiken”, zegt Stefan Pfeiffer, hoofd elektronicaproductie bij Wipotec.
Pfeiffer loste dit probleem samen met Liva Power Management Systems uit Frankfurt op. Liva plant en bouwt hybride energieopslagsystemen, waarvan het hoofdbestanddeel een zogenaamde vanadium-redoxflow-batterij is. Deze batterijen hebben geen lithium nodig, maar het metaal vanadium. “Het concept werkt voor ons heel goed”, zegt Pfeiffer. Zodra het systeem in gebruik wordt genomen, zal Wipotec het aandeel zonne-energie dat het zelf gebruikt, kunnen verhogen van de huidige 30 naar 65 procent.
De vanadiumbatterij is slechts een alternatief voor de lithium-ionbatterij. Hoewel de lithiumtechnologie zeer volwassen en zeer efficiënt is, ontwikkelen veel onderzoekers en start-ups alternatieve energieopslagsystemen vanwege de recente scherpe stijging van de grondstofkosten. Steeds vaker worden batterijen zonder lithium gebruikt, vooral in stationaire batterijen voor de opslag van wind- en zonne-energie. Antoine Koen, analist bij de denktank Future Cleantech Architects (FCA) en expert in oplossingen voor energieopslag, zegt: “De grote uitdaging zal zijn om batterijen te ontwikkelen die veel energie kunnen opslaan en over een langere periode vrij kunnen geven.”
De vraag naar dergelijke grootschalige opslagsystemen zal waarschijnlijk groeien: volgens McKinsey-experts zou de geïnstalleerde energiecapaciteit kunnen toenemen van één terawattuur in 2025 tot 85 tot 140 terawattuur in 2040. “Met de uitbreiding van hernieuwbare energiebronnen groeit de behoefte aan opslag exponentieel”, voegt Koen toe.
Het is verre van duidelijk welke technologie de overhand zal krijgen. Maar FCA-analist Koen zegt: “Redoxflow-batterijen zijn sterke concurrenten voor netgekoppelde opslag.” Dit type batterij is gebaseerd op een ander chemisch proces dan de lithium-ionbatterij en vereist aanzienlijk meer ruimte. Volgens experts van het International Energy Agency (IEA) wordt de technologie echter gekenmerkt door een lange levensduur. “Er worden verschillende batterijchemieën gebruikt, maar de meest volwassen is de vanadium-redoxbatterij”, concludeerden de IEA-experts.
Vanadium: Waardevol afvalproduct van de olie-industrie
Maar de technologie kent ook nadelen, zegt Volker Kölln, hoofd van de batterijopslagspecialist Liva, die gespecialiseerd is in de constructie en planning van bijbehorende systemen. “Als je de installatieprijs per kilowattuur berekent, is een vanadiumbatterij tussen de 50 en 100 procent duurder”, zegt Kölln. Maar over de gehele levensduur verdient een vanadiumbatterij de hoge initiële investering snel terug. “De batterij gaat vrijwel eeuwig mee. “Het is onbrandbaar en kan gemakkelijk worden gecombineerd met andere opslagtechnologieën”, vat Kölln de voordelen samen.
In de industrie en als netwerkopslag is hij daarom superieur aan pure lithiumbatterijen: “Voor veel zware toepassingen is de lithium-ionbatterij de verkeerde keuze”, is Kölln ervan overtuigd. Bij elk laadproces neemt de capaciteit af. “Lithiumbatterijen zijn doorgaans na twee jaar versleten.” Een redoxflowbatterij heeft echter een korte opstarttijd nodig voordat deze stroom kan leveren. Daarom combineert Liva haar vanadium-redoxstroomsysteem altijd met een kleine lithium-ionbatterij die binnen enkele seconden stroom levert.
>> Lees ook:In Zuid-Duitsland wordt 's werelds grootste netwerkopslag gebouwd - wat de "netwerkversterker" kan doen
Het middelgrote bedrijf Wipotec was overtuigd van het concept: “De vanadiumbatterij zal voldoende zijn om onze hele productie, die ‘s nachts draait, van elektriciteit te voorzien”, zegt manager Pfeiffer.
Nog een nadeel van de vanadiumbatterij: het metaal is in veel ertsafzettingen slechts in kleine concentraties aanwezig en is daarom erg duur. Slechts vier landen wereldwijd domineren de vanadiummijnbouw, zo blijkt uit gegevens van de US Geological Survey. De grootste producent is China, de tweede grootste: Rusland.
Batterijspecialist Liva is er nog steeds van overtuigd dat de centrale grondstof niet schaars zal worden. Het bedrijf behoort tot de mijnbouw- en recyclinggroep AMG van de Duitse ondernemer Heinz Schimmelbusch. AMG haalt vanadium uit de opwerking van katalysatoren uit de olie-industrie. Aardolie bevat sporen van vanadium en andere zware metalen die tijdens de raffinage op de katalysatoren worden afgezet, legt Liva-baas Kölln uit. “Vroeger werden de oude katalysatoren gewoon in Afrika begraven. Maar we hebben een manier gevonden om de waardevolle materialen eruit te halen en te gebruiken als actieve materialen voor onze batterijen.”
AMG heeft onder meer een recyclingsamenwerking gesloten met Saudi Aramco, de grootste oliemaatschappij ter wereld. AMG zal voorlopig dus niet zonder vanadium komen te zitten.
IJzer: nieuw gebruik voor een duizenden jaren oud materiaal
De beschikbaarheid van vanadium is misschien geen probleem voor AMG en Liva, maar de sterke concentratie van de mijnbouwproductie in China en Rusland blijft een beperkende factor voor de technologie. Dat is de reden waarom bedrijven en bedrijven over de hele wereld batterijchemie onderzoeken die gebruik maakt van het meest voorkomende metaal dat mogelijk is. Eén kandidaat: ijzer, een van de oudste materialen van de mensheid en in grote hoeveelheden op elk continent aangetroffen.
De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA ontwikkelde in de jaren zeventig de eerste op ijzer gebaseerde redoxflow-batterij. Maar hoewel de technologie al tientallen jaren bekend is, ontbreken commerciële producten nog steeds.De Duitse start-up Voltstorage doet bijvoorbeeld onderzoek naar een batterij met ijzersulfaat.
>> Lees ook:Daling van de lithiumprijzen – wat dit betekent voor de prijzen van elektrische auto’s
“IJzerredoxstroomtechnologie is een sleuteltechnologie voor de elektriciteitsopslagindustrie, omdat de materialen die nodig zijn om de batterij te produceren milieuvriendelijk, uiterst kosteneffectief en wereldwijd beschikbaar zijn”, zegt Jakob Bitner, CEO van Voltstorage. “Er is grote interesse onder nutsbedrijven, we zijn ook in gesprek met grote spelers in Europa”, vertelde Bitner onlangs aan het Handelsblatt.
In hun rapport ‘The Future of Energy Storage’ noemen onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een aantal factoren die tot nu toe het commerciële succes van op ijzer gebaseerde redoxflow-batterijen hebben verhinderd. Een belangrijke: het strijkijzer moet zeer zuiver zijn voor gebruik in de accu. Een complexe raffinage van het ijzer doet het kostenvoordeel van het goedkope originele materiaal teniet.
Natrium: Lithium alternatief uit de zee
Als het gaat om de snelheid waarmee energie wordt geleverd, is de lithium-ionbatterij momenteel onverslaanbaar. Dit is ook de reden waarom veel redoxflow-batterijen in het dagelijks leven worden gebruikt in combinatie met een lithiumbatterij. Een deel van het onderzoek is daarom gericht op het vervangen van lithium door een verwant metaal: natrium. Bedrijven als Daimler experimenteren al sinds de jaren tachtigAlgemeen Elektrischmet batterijen waarvan het hoofdbestanddeel natriumchloride is - keukenzout. Van alle geteste batterijmetalen komt natrium het meest voor. Het kan ook gemakkelijk uit zeewater worden gewonnen en hoeft niet in mijnen te worden gewonnen.
De natriumbatterij bleek al snel te zwaar voor gebruik in auto’s. Door het groeiende belang van stationaire energieopslag is de belangstelling voor natriumbatterijen echter nieuw leven ingeblazen. Volgens de MIT-onderzoekers is een voordeel dat natriumbatterijen tussen de 3.000 en 5.000 oplaadcycli kunnen weerstaan zonder veel van hun capaciteit te verliezen. Maar de technologie is nog niet volwassen genoeg om serieus te concurreren met de lithiumbatterij. “De kosten zijn tegenwoordig het grootste concurrentienadeel”, zeggen de MIT-onderzoekers. Per geïnstalleerd kilowattuur is de natriumbatterij ongeveer twee keer zo duur als de lithiumbatterij.
>> Lees erover:Een batterij gemaakt van zout: in Saksen wordt de eerste fabriek voor de opslag van natriumchloride gebouwd
Onder andere het Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen (IKTS) probeert daar verandering in te brengen. Het instituut heeft tientallen jaren oud onderzoek naar natriumchloridebatterijen verder ontwikkeld. Alexander Michaelis, hoofd van Fraunhofer IKTS, legt uit: “Het ontwerp was oorspronkelijk erg complex omdat het ontworpen was voor elektrische auto’s. We hebben dit vereenvoudigd en de omvang ervan geoptimaliseerd, zodat we een extreem goedkope batterij krijgen.” In Dresden staat al een proefsysteem. Nu wil het instituut samen met het Australische batterijbedrijf Altech een systeem op industriële schaal bouwen in de Saksische stad Schwarze Pumpe.
>> Lees hier: Europese greentechs verhuizen steeds meer naar de VS
Er bestaat consensus onder onderzoekers dat er meer opslagsystemen moeten worden gebouwd zodat de energietransitie kan slagen. Koen van Future Cleantech Architects rekent voor: Om het aandeel hernieuwbare energieën in de elektriciteitsmix te vergroten van ongeveer 45 procent nu naar 80 procent in 2030, zoals gepland door de federale overheid, moet de capaciteit van de geïnstalleerde opslagsystemen vertienvoudigd worden.
Serie “Deze groene ideeën kunnen de wereld veranderen”: Van golfenergiecentrales, koolstofvrij cement en zonnepanelen in de ruimte tot energieleverende algensoorten: er zijn ideeën met het potentieel om de wereld overal te veranderen. Slechts enkelen bereiken de doorbraak. We presenteren enkele van de meest interessante innovaties. De serie wordt wetenschappelijk ondersteund door de onafhankelijke denktank Future Cleantech Architects.
Meer: Hoe oude kolenkachels kunnen helpen bij de energietransitie
Eerste publicatie: 7 augustus 2023, 14.56 uur
