Waar de focus een aantal jaar geleden nog lag op de productie van duurzame energie, is deze inmiddels verlegd naar een efficiënte opslag ervan. Zoutbatterijen lijken hierin een serieuze plek te gaan innemen. Het principe van een zoutbatterij om energie in op te slaan bestaat al lang, maar had nog wat tijd nodig om uit te groeien tot een commercieel product dat ook praktisch is toe te passen.

Warmtebatterijen: Energie opslaan in zoutkristallen

Een warmtebatterij heeft twee componenten namelijk; water en zouthydraat. Als waterdamp en zout bij elkaar wordt gedaan dan verbindt het water aan het zout en ontstaat er een nieuw kristalvorm. Door de reactie van de componenten samen komt er warmte vrij. Deze warmte kan gebruikt worden voor warm tapwater of voor het douchen.

Dit gebeurt in een gesloten en onderhoudsvrijsysteem dat lijkt op een boiler. Daarnaast is er een component voor een condensor dat water aan de circulerende lucht onttrekt of toevoegt. De opslagcapaciteit is vele malen groter dan die van warmteopslag in water. Als er maandelijks wordt geladen en ontladen blijft het zoutcomposiet stabiel en kan het meer dan twintig jaar mee.

De vorm van opslag is compact want een kubieke meter droog zout bevat ongeveer evenveel energie als 40 kuub aardgas. Het is ook te vergelijken met 3 a 4 kuub water opgestookt tot 90 graden. Daarnaast zijn er relatief beperkte kosten. Per opgeslagen eenheid energie is de opslag van warmte in zout ongeveer één tiende van de opslag van elektriciteit in thuisaccu's is.

Met een warmtebatterij zou een huishouden 2 weken mee kunnen douchen. De richtprijs is vanaf €3.000 tot €6.000 en voor de doorontwikkeling van deze toepassing bood de Europese Unie €7 miljoen subsidie.

Een zoutbatterij is een vorm van thermochemische energieopslag. In de batterij treedt een reactie op van een zouthydraat met waterdamp. De reactie kan worden omgedraaid door juist warmte toe te voegen en daarmee het zout weer te drogen. Koude, vochtige lucht komt zo in de ketel waarin de zoutdeeltjes zitten, reageert met het zout en wordt warm. Lucht gaat rond dankzij een ventilator. De warmtewisselaar haalt de warmte eruit, waarna de afgekoelde lucht in de condensor wederom vochtig wordt gemaakt en opnieuw naar de ketel kan. Dit proces kan ook omgekeerd plaatsvinden.

Het onderzoek van Houben betrof het versnellen van de reacties in de batterij, zodat de batterij sneller kan op- en ontladen. Houben testte verschillende opties, waarvan cesiumcarbonaat zeer effectief bleek maar wel erg duur was. Goedkopere en ruim voorradige organische zouten zoals kaliumacetaat bleken echter ook te werken. Op poederniveau althans. Kort geleden is de eerste praktijkstudie gestart, en plaatste Cellcius in samenwerking met de Eindhovense woningcorporatie Trudo de eerste zoutbatterij in een woonhuis.

Wat zijn de kansen voor een warmtebatterij op basis van zouten? Gaat dit concept een rol spelen in de warmtetransitie tot een aardgasvrije gebouwde omgeving?Zoutkristallen van verschillende soorten zout nemen in vochtige lucht watermoleculen op in hun kristalrooster. Dit is een reactie die vanzelf verloopt en die (dus) energie oplevert, in de vorm van warmte. Dit natuurlijke effect werkt ook de andere kant op. Ondernemende onderzoekers aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben op basis van dit principe een warmtebatterij ontwikkeld.

In 2016 werd een groot Europees onderzoeksproject voor de warmtebatterij afgerond. De vakpers pikte het concept op als een ‘unieke, verliesvrije batterij voor seizoensopslag‘. In 2019 beschreef het Algemeen Dagblad de vinding uit Eindhoven als een 'superbatterij'. In 2020 was het een 'belofte' voor de energietransitie. In 2021 was het een 'gat in de markt'. Deze maand volgde opnieuw een golf van positieve pers. Volgens Trouw zou de vinding de energietransitie wel eens rap kunnen versnellen.

Een warmtewisselaar, ventilator en condensor zijn bewezen componenten, en kaliumzout is geen kostbaar materiaal. Dat er na twaalf jaar ontwikkeling nog geen warmtebatterij te koop is, is geen aanbeveling. Het suggereert dat het realiseren van het op het oog simpele systeem in de praktijk toch complex is. Als je een buffervat met water opstookt tot 90 graden, dan koelt het snel af, ook als het goed geïsoleerd is. Als je zo’n buffer ’s middags opwarmt om de volgende ochtend te douchen, is dat warmteverlies prima te overzien. Het grote voordeel van warmteopslag in zout is dat het ‘verliesvrij’ is.

Voordelen van warmteopslag in zout

  • Relatief compact
  • Relatief beperkte kosten

Een tweede voordeel dat veel genoemd wordt, is dat deze vorm van opslag relatief compact is. Een kubieke meter droog zout bevat ruwweg evenveel energie als 40 kuub aardgas, of als 3 à 4 kuub water opgestookt tot 90 graden. Een derde voordeel zijn de relatief beperkte kosten. Per opgeslagen eenheid energie kost de opslag van warmte in zout ruwweg een tiende van de opslag van elektriciteit in thuisaccu’s.

Zoutwaterbatterijen: Werking en voordelen

In beginsel werkt een zoutwaterbatterij op basis van een klassieke anode en kathode die verbonden zijn via een elektrolyt. Bij de zoutwaterbatterij fungeert het zoute water hier als elektrolyt, waardoor ionen zich bij ontlading van de batterij verplaatsen van de anode naar de kathode en omgekeerd bij het opladen van de batterij.

Een belangrijk voordeel van een zoutbatterij ten opzichte van een lithium-batterij, is de intrinsiek veilige werking. Door de toegepaste materialen bestaat er ook bij hoge temperaturen, overladen of diep ontladen geen kans op een zogenaamde ‘thermische runaway’. Ook niet wanneer de batterijen vallen of ergens tegenaan stoten. Verder zijn de materialen van zoutbatterijen niet brandbaar en komen er bij beschadiging geen gevaarlijke stoffen vrij. De batterij is dus veilig in gebruik, maar ook tijdens transport.

De stoffen die wel zijn toegepast in een zoutbatterij zijn ecologisch en in grote hoeveelheden, relatief goedkoop te verkrijgen. Er worden dus geen zeldzame, dure grondstoffen opgebruikt, wat de batterij tevens onaantrekkelijk maakt om te stelen. Daarnaast is de batterij veelal 100 procent recyclebaar.

De belangrijkste beperking van de standaard zoutwaterbatterij is op dit moment de relatief lage energiedichtheid. Voor de opslag van een grotere hoeveelheid energie is dus een groot volume nodig, wat de batterij in elk geval niet geschikt maakt voor mobiele toepassingen. Maar ook bij toepassing in woningen of bedrijven vraagt een zoutbatterij vaak om een technische ruimte met serieuze afmetingen. Dit draagt dan wel weer bij aan de ongevoeligheid voor diefstal. Verder leveren zoutbatterijen slechts een beperkte hoeveelheid stroom per tijdseenheid. Dit maakt ze ook minder geschikt voor het opvangen van piekstromen die ontstaat wanneer bijvoorbeeld verschillende gebruikers gelijktijdig worden ingeschakeld.

Een zoutwaterbatterij wekt elektriciteit op door zout water en zoet water met elkaar in contact te laten komen. Een zout accu wordt ook wel een zoutwaterbatterij genoemd. De levensduur van een zoutwaterbatterij is erg lang. Bovendien is het een hele duurzame soort batterij. De enige reden waarom deze batterijen niet de meest gekozen accu’s zijn is de verkrijgbaarheid.

Voordelen van een zoutwaterbatterij

  • Veiligheid: Zoutwaterbatterijen bevatten geen zware metalen, waardoor er geen risico is op brand of explosie.
  • Milieuvriendelijk: Ze zijn gemaakt van niet-giftige stoffen zoals zout en zoet water, wat betekent dat ze een lage impact hebben op het milieu.
  • Onderhoudsarm: Zoutwaterbatterijen hebben een lange levensduur, gemiddeld zo’n 20 jaar, en kunnen volledig ontladen worden zonder dat dit de opslagcapaciteit of levensduur aantast.
  • Grote opslagcapaciteit: Dit betekent dat ze in staat zijn om een grote hoeveelheid energie op te slaan, sommige zoutwaterbatterijen hebben een capaciteit van wel 100 kWh, wat handig kan zijn als je veel energie produceert met bijvoorbeeld zonnepanelen.

Nadelen van een zoutwaterbatterij

  • Gewicht: Zoutwaterbatterijen zijn over het algemeen zwaarder dan andere soorten thuisbatterijen.
  • Stroompieken: Zoutwater accu’s zijn niet echt bestand tegen hoge stroompieken.

Een lithium-ionbatterij is een type oplaadbare batterij waarbij lithium-ionen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode bewegen tijdens ontlading en terug tijdens het opladen van de accu met zonnepanelen. Lithium-ionbatterijen zijn populair vanwege hun hoge energiedichtheid - dat wil zeggen, ze kunnen veel energie opslaan in een relatief klein volume.

Voordelen lithium-ionbatterijen

  • Ze hebben een hoge energiedichtheid, wat betekent dat ze veel energie kunnen opslaan in een klein volume.
  • Ze hebben ook een lage zelfontlading, wat betekent dat ze hun lading over een lange periode kunnen behouden.

Hoewel lithium-ionbatterijen veel voordelen hebben, hebben ze ook een aanzienlijke impact op het milieu. Zeker in vergelijking met zoutwaterbatterijen. Het is daarom belangrijk om lithium-ionbatterijen op de juiste manier te recyclen. Echter, lithium-ionbatterijen hebben ook enkele nadelen. Ze kunnen gevaarlijk zijn als ze niet correct worden gebruikt of opgeladen, en ze kunnen oververhit raken of zelfs exploderen onder bepaalde omstandigheden. Bovendien zijn ze relatief duur om te produceren en hebben ze een beperkte levensduur.

Alternatieven voor lithium-ion accu’s

Er zijn een aantal alternatieven voor lithium-ion accu’s verkrijgbaar, zoals de natrium-ion zoutwater accu.

Wat kost een zoutwater batterij? De prijzen van een zoutwaterbatterij lopen behoorlijk uiteen. Wil je precies weten wat voor Zonnepaneelaccu aanbiedingen er zijn én tot wel 40% besparen op de kosten? Binnen 2 dagen heb je de prijzen al in huis zodat je eenvoudig en snel de beste deal vindt. Zo wordt de keuze nog makkelijker. Binnen een mum van tijd heb je de Zonnepaneelaccu specialist gevonden die je project voordelig kan uitvoeren. Het aanvragen van offertes doe je bij ons volledig vrijblijvend.

SMC-batterijen: Een Nieuw Type Zoutbatterij

Als oplossing voor deze laatste beperkingen presenteerde Fortona op de vakbeurs Solar Solutions International 2023 een nieuw type zoutbatterij. De SMC (sodium metaal chloride) -batterij, ontwikkeld door het Zwitserse bedrijf FZSoNick.Kees Compaan, senior sales engineer bij Fortona: ‘De overeenkomst tussen de SMC- en een standaard zoutbatterij is dat beide types gebruikmaken van vloeibaar zout. Een verschil is dat dit bij een conventionele zoutbatterij gaat om een zoute vloeistof op kamertemperatuur, terwijl de SMC gebruik maakt van gesmolten zout.

Het gaat hier om een bewezen technologie met continue ontwikkeling en een trackrecord van bijna 25 jaar. De kern van de batterij met gesmolten zout heeft een temperatuur van circa 250 °C. De SMC-batterij bestaat voor 32 procent uit keukenzout, 22 procent uit nikkel, 22 procent uit ijzer en 20 procent uit keramiek. Veilige en natuurlijke grondstoffen die wereldwijd in voldoende mate beschikbaar zijn. Door toevoeging van bèta aluminium aan dit zout wordt het vloeibaar bij een temperatuur van 150 °C. Het toevoegen van nikkel en het verhogen van de temperatuur tot 250 °C maakt het mengsel vervolgens geschikt voor energieopslag in een batterijcel. Nikkel fungeert hier als de positieve elektrode (anode) terwijl het verwarmde zout de negatieve elektrode (kathode) vormt. Deze anode en kathode zijn van elkaar gescheiden door een keramische separator.

Compaan: ‘Doordat deze zoutbatterij in de kern erg warm is, is het rendement vergelijkbaar met die van een lithiumbatterij. De lage energiedichtheid van een standaard zoutbatterij is hiermee geëlimineerd. Het betekent wel dat je deze batterij eerst moet opwarmen voordat je hem kunt gebruiken. Dit kost inderdaad wat energie, maar door de goede isolatie van de roestvaststalen behuizing is het warmteverlies sterk te beperken en draagt de warmteproductie tijdens het laden en ontladen juist bij aan een betere efficiëntie van de batterij. Een ander voordeel is dat je door het gesmolten zout ook de afmetingen van de batterij sterk kunt terugbrengen, tot die van ongeveer een lithiumbatterij. Hiermee is ook het tweede nadeel van een standaard zoutbatterij opgeheven.’

Het opwarmen en op temperatuur houden van de batterij wordt geregeld door het interne besturingssysteem van de batterij: het BMS (batterij-managementsysteem), dat tevens de veiligheid bewaakt. Qua opslagcapaciteit en grootte is de SMC-batterij vergelijkbaar met een lithium-batterij, maar de SMC-batterij biedt meer positieve eigenschappen. Zo is hij toe te passen in een veel breder temperatuurbereik, dat loopt van -20 tot 60 °C zonder dat de batterij degradeert. Hiermee is de zoutbatterij eenvoudig te gebruiken in zowel warme als koude omgevingen zonder de noodzaak van extra ventilatie of verwarming. Deze extra componenten zou een lithiumbatterij bij ‘extreme’ temperaturen (lager dan 5 °C en hoger dan 25 °C) zeker nodig hebben.

Daarnaast is de zoutbatterij ook zonder schade eenvoudig uit te schakelen; bijvoorbeeld wanneer er in de wintermaanden zo weinig stroom wordt geproduceerd dat er geen behoefte is aan opslag. Evenals veel andere batterijen is ook de SMC-batterij geschikt voor de opslag van een overschot aan geproduceerde elektriciteit door bijvoorbeeld pv-panelen. Een belangrijke deeloplossing om netcongestie tegen te gaan, maar ook een oplossing voor woningcorporaties en bedrijven. Zo kan de batterij een oplossing vormen voor bedrijven die geen zwaardere aansluiting meer kunnen aanvragen door overbelasting van het net. Ook kunnen ze overschrijding van de contractwaarde voorkomen. Tevens biedt het eigenaren de mogelijkheid om maximaal gebruik te maken van eigen zonne- en/of windenergie. Zeker wanneer de salderingsregeling vervalt is dat een extra reden om te investeren in een zoutbatterij.

Toepassingen van zoutbatterijen

Compaan: ‘En uiteraard zijn er nog veel meer toepassingen waar de zoutaccu tot zijn recht komt. De batterijen worden bijvoorbeeld al toegepast in de scheepvaart en in noodstroominstallaties. Maar ook als vervanging van generatoren op festivals.

Long Duration Energy Storage (LDES)

Nu er meer zon- en windenergie wordt opgewekt - tegenwoordig de helft van alle elektriciteit - moet die stroom langdurig worden opgeslagen om periodes zonder wind en zon te overbruggen. De zogeheten Dunkelflaute. Dat heet Long Duration Energy Storage (LDES). Dat wordt wereldwijd steeds belangrijker voor een hernieuwbaar energiesysteem zonder CO2-uitstoot en zonder fossiele brandstoffen.

Flowbatterijen belangrijk. Met lithium-ion batterijen lukt langdurige opslag niet. Die kunnen de groene stroom maximaal vier tot zes uur opslaan en zijn relatief duur. Bovendien veroorzaakt de winning van lithium veel milieuvervuiling. Daarom wordt overal ter wereld gewerkt aan de ontwikkeling van flowbatterijen, waar de elektriciteit langdurig in vloeistoffen wordt opgeslagen.

De oprichters van Aquabattery onderzochten tijdens hun promotieonderzoek hoe je elektriciteit in een zoutwaterbatterij kan opslaan. Ze startten hun bedrijf in 2014, hielden een paar jaar later hun eerste pilot en zijn nu klaar om de technologie verder op te schalen in de praktijk. “Wij slaan elektriciteit op in water en keukenzout. Wat wij ontwikkelen is grootschalige langdurige energieopslag”, zegt hun CCO Janneke Tjon Pian Gi - Stuijfzand.

Simpel en eindeloos stroom opslaan. Aquabattery maakt met dat water en keukenzout zoutwater. Dat wordt opgeslagen in een tank die onderdeel is van de batterij. Met overtollige wind- of zonne-energie wordt dat zoutwater door membraan stacks gepompt. Die membranen splitsen dat zoute water in een zuur- en in een base-oplossing, de zogeheten elektrolyten. Die twee oplossingen worden apart opgeslagen in twee andere tanks van de batterij. De elektriciteit zit dan als het ware opgeslagen in die twee wateroplossingen. Als er elektriciteit uit de batterij gehaald moet worden, worden het zuur en de base bij elkaar gebracht via dezelfde membraan stacks en ontstaat zoutwater. Tijdens dat proces wordt elektriciteit opgewekt, zodat de batterij weer ontlaadt. Het zoute water kan weer opnieuw gesplitst worden, zodat het proces eindeloos herhaald kan worden. Hoewel de werking van de batterij zo simpel lijkt als het Ei van Columbus, heeft Aquabattery deze techniek nog als enige gepatenteerd.

Voordelen Aquabattery

  • Veilig
  • Goedkoop
  • Schaalbaar
  • Heeft geen schaarse grondstoffen nodig

De batterij kan minimaal acht uur elektriciteit opslaan, maar als het nodig is ook meerdere dagen of weken. Ook kan de opslagcapaciteit eenvoudig uitgebreid worden door meer of grotere tanks voor zoutwater, zuur- en base-oplossingen toe te voegen. De batterij is veilig, goedkoop, schaalbaar en heeft geen schaarse grondstoffen nodig. Water en keukenzout zijn immers ruim beschikbaar. De start-up werd vorige maand opgenomen in de MT/Sprout Challenger50 en won de ‘Innovative Energy Solutions Award 2023’ tijdens de Vakbeurs Energie in Den Bosch.

Of de batterij in de praktijk net zo goed werkt als in het lab wordt volgend jaar na de zomer getest op de campus van kennisinstituut Deltares in Delft. Dat maakten beide bedrijven bekend tijdens klimaattop COP28 in Dubai. Die pilot duurt zes tot twaalf maanden. In Delft wordt de batterijtechniek opgeschaald en gevalideerd. “Onze technologie is nog in ontwikkeling. We willen volgend jaar stappen zetten om de techniek commercieel beschikbaar te maken voor de markt”, zegt Tjon Pian Gi. “Daarvoor is het belangrijk om de batterij in de echte wereld neer te zetten om te kijken hoe hij bijvoorbeeld reageert op temperatuurschommelingen, hoe het gaat met vergunningen en welke eventuele impact hij heeft op de omgeving.”

In Delft gaat de batterij overdag overtollige zonne-energie van de 5.725 panelen van Deltares opslaan en weer terug leveren als de zon niet schijnt. Door de toepassing van langdurige energieopslag op schaal kunnen de computers en servers van Deltares 24/7 op groene stroom draaien. De installatie bij de pilot kan 10 uur aan stroom opslaan en het batterijvermogen is vijf tot tien keer meer dan bij de huidige pilot opstelling. “Dit is een spannende stap. Als we deze kunnen maken is de stap naar weer vijf tot tien keer groter een stuk makkelijker. Dat is een kwestie van het trucje herhalen”, zegt Tjon Pian Gi.

In de pilot werkt Aquabatterij samen met Statkraft, een van oorsprong Noors staatsbedrijf dat in Nederland al 25 jaar actief is en zon- en windparken ontwikkelt. Ook dat maakten beide bedrijven bekend tijdens COP28. Het bedrijf ondersteunt de pilot financieel en brengt zijn uitgebreide kennis en ervaring in. Inmiddels heeft Statkraft in Nederland dertien zonneparken gerealiseerd en zijn er twee in constructie. Ook het energiebedrijf denkt aan langdurige opslag van groene stroom en onderzoekt welke batterijen daarvoor het meest geschikt zijn.

labels:

Zie ook: