Juni 2024
Zoutbatterij wint zoetjesaan terrein
Nederland voorop in kennis van batterij-ecosysteem
Zoutbatterijen zijn er in verschillende soorten en maten. Vergeleken met lithium-ionbatterijen kunnen zoutbatterijen veel langer stroom opslaan. Ook zijn ze niet milieubelastend. Nederland heeft een prima ecosysteem met veel kennis over elektrochemische processen. Worden zoutbatterijen de derde soort opslag naast loodzuur en lithium?
De geschiedenis van de accu begint met de Leidse Fles, uitgevonden aan de universiteit van Leiden in 1746, waarin elektrische energie kan worden opgeslagen. Schakel je enkele flessen parallel aan elkaar, dan noem je dat accumulator of batterij. De term ‘batterij’ werd geïntroduceerd door Benjamin Franklin, een van de grondleggers van de VS. Hij gebruikte geschakelde Leidse flessen om met een vlieger aan te tonen dat bliksem elektriciteit is.
Aanvankelijk waren batterijen alleen geschikt voor eenmalig gebruik. Pas in 1859 slaagde de Franse natuurkundige Gaston Planté erin om het proces omkeerbaar te maken. Zijn uitvinding bestond uit een rol van twee platen lood, gescheiden door een linnen kleed en ondergedompeld in verdund zwavelzuur.
Auto als aanjager
Tientallen jaren later verbeterde Camille Faure, ook een Fransman, het proces door de platen van groeven en een pasta van loodoxide, zwavel en water te voorzien. Dat vergrootte de capaciteit van de accu aanzienlijk. Al spoedig veroverde de loodzuuraccu de massamarkt voor mobiliteit. Eind 19e eeuw waren er in de VS meer elektrisch aangedreven auto’s dan voertuigen met een benzinemotor. Benzinemotoren moesten met de hand worden aangezwengeld en veroorzaakten veel lawaai en vervuiling. Ironisch genoeg was het ook aan elektriciteit te danken dat accu-auto’s het aflegden tegen de benzinemotor: met de elektrische zelfstarter kon de benzinemotor op gang worden gebracht. Tel daarbij op dat de benzineprijs kelderde, benzineauto’s rap goedkoper werden en dat een accu loodzwaar was, en de degradatie van een accu naar een startmotor wordt begrijpelijk.
De ontwikkeling van de lithium-ionbatterij ging iets sneller dan die van de loodzuurbatterij. Toch duurde het nog ruim een kwart eeuw – van circa 1975 tot begin 2000 – voordat de oplaadbare lithiumbatterij (vandaar de toevoeging ion) een serieus alternatief voor loodzuur ging vormen. Eerst was dat in knoopcellen voor elektronica in mobieltjes en gehoorapparaten, later in hybride en nu in volledig elektrisch aangedreven voertuigen. De voordelen van een lithium-ionbatterij, vergeleken met loodzuur, zijn het lichte gewicht, een hogere energiedichtheid, de snelle, efficiënte manier van laden en een driemaal zo lange levensduur. Net als bij loodzuur zorgt een BMS (battery management system) ervoor dat te diepe ontlading en overladen – die interne schade of zelfs een ontploffing kan veroorzaken – worden voorkomen.
Aan batterijen kleven ook enkele bezwaren. Bij de loodzuuraccu springen die het meest in het oog: de accu is niet alleen loodzwaar, maar lood en zwavelzuur zijn bovendien giftig en milieuvervuilend. Bij lithium is dat minder het geval. Voordat het in batterijen werd gebruikt, was het beter bekend als medicijn tegen bipolaire stoornissen (de band Nirvana noemde een van haar nummers ‘lithium’). Lithium is een licht soort zout dat in grote hoeveelheden in Tibet en op de hoogvlakten van Latijns-Amerika voorkomt. De winning daarvan is omstreden, niet alleen omdat het met te beperkte recycling gepaard gaat en natuurlijke zoutbalansen verstoord worden, maar ook omdat deze regio’s geopolitiek instabiel zijn. Daarnaast is de vraag naar lithium inmiddels zó groot geworden dat er binnenkort schaarste aan de grondstof gaat ontstaan. De zoektocht naar veilige, milieuvriendelijke batterijen, gekoppeld aan een veel langere levensduur, is begonnen.
De geschiedenis van de accu begint met de Leidse Fles uit 1746.
Voorsprong
Nederland loopt voorop in die zoektocht. Althans, dat is de mening van ir. Dirk van Asseldonk, trekker op het thema stationaire batterijen vanuit het BCC-NL (Battery Competence Cluster Nederland). ‘Ruim vier jaar geleden kwamen we erachter dat elektriciteitsopslag op heel veel terreinen bijzonder belangrijk zou worden’, zegt hij. ‘Op advies van een expertgroep onder leiding van prof.dr.ir. Mark Huijben, professor nanomaterialen voor energieconversie en -opslag aan de Universiteit Twente, is toen een actieplan opgesteld voor de ontwikkeling van een sterk batterij ecosysteem in Nederland. Bedrijven, kennisinstellingen en overheden bundelen daarin hun krachten op vier pijlers: batterijcellen en productie, toepassingen voor ‘heavy duty’ (zoals vrachtwagens, boten en bussen), stationaire (bulk)batterijen en hergebruik en recycling.’
Want op welk moment loopt de energietransitie nu grotendeels vast? CE Delft, een van de oudste onderzoeks- en adviesbureaus op gebied van milieu- en duurzaamheidsvraagstukken, toonde eerder al aan dat de huidige lithium-ionbatterijen uitstekend functioneren voor een periode van twee tot vier uur, maar dat ze daarna qua kWh-prijs behoorlijk duur worden. ‘Waar we dus behoefte aan hebben’, stelt Van Asseldonk, ‘zijn bulkbatterijen die elektriciteit voor enkele uren tot twee weken kunnen opslaan. Bulkbatterijen hebben als kenmerk dat ze het vermogen van de opslag kunnen loskoppelen, waardoor het vermogen apart valt te regelen en de kostprijs per hoeveelheid energie daarop is af te stemmen.’
Volgens hem heeft Nederland daarin nu een koppositie. ‘In tegenstelling tot innovatie in batterijcellen doet ons land het hierin goed’, vervolgt hij. ‘Zo’n 20 tot 40 procent van de nieuwe bedrijven in bulkbatterijen in de EU bevinden zich in Nederland. Van oorsprong zijn we sterk in chemie en wetenschappelijk onderzoek. De uitdaging is echter wel dat we de ‘valley of death’ moeten oversteken, dus van ‘proof of concept’ naar commerciële toepassingen, anders verliezen we terrein aan buitenlandse partijen. De focus van het BCC-NL ligt op opschaling van 10 - 100 kW naar meer dan 1 MW vermogen en de ontwikkeling van opslagsystemen tot 100 MWh. Wij ondersteunen Nederlandse bedrijven daarin; vervolgens zullen ze zelf moeten doorgroeien naar opslagcentrales die 1 GWh of meer aan capaciteit kunnen leveren.’
‘Het elektrochemische proces is vrijwel oneindig omkeerbaar, veilig en relatief goedkoop’
Dr Ten
Een van de partijen die inzet op een zoutbatterij, is Dr Ten van dr.ir. Marnix ten Kortenaar, de vroegere topschaatser, gepromoveerd elektrochemicus en eerder werkzaam bij DSM. Hoewel hij al in 2011 met dergelijke batterijen in de weer was, is het rondom Dr Ten sinds 2016 lang stil geweest. ‘We groeien langzaam en organisch, uit de wind van voortdurende vragen naar prijs en levertijd’, zegt hij vanuit zijn Israëlische vestiging. ‘Momenteel lopen er verschillende pilots in Zwolle en in de Flevopolder, op de Green Village van TU Delft, in Maassluis, Markelo en twee in Jeruzalem.’
‘Je kan de werking van onze zeezoutbatterij vergelijken met een emmer water. Hoe robuust is de emmer, hoeveel water gaat erin, bij hoeveel liter per seconde raakt de emmer leeg en met wat voor snelheid gaat dat? De robuustheid staat voor de levensduur, de hoeveelheid voor de capaciteit, de snelheid van vol of leeg gieten voor het vermogen. Netbeheerders zijn vooral geïnteresseerd in het vermogen en de reactietijd. Het maakt nogal wat uit hoe lang een stroomonderbreking duurt.’
Wat de zeezoutbatterij van Ten Kortenaar van andere systemen onderscheidt, is niet alleen dat het uit ruimschoots voorradige grondstoffen als mineralen, zouten en koolstof put, maar ook dat op de plus- en minpool van de batterij een pv-paneel kan worden aangesloten en over het hele voltagebereik kan laden, zonder tussenkomst van een inverter of een BMS. ‘Zoiets is uniek ter wereld’, stelt hij. ‘Omdat de batterij goed tegen temperatuurverschillen bestand is, kan je hem ook prima buiten zetten of meteen achter een pv-paneel monteren. Dat maakt het systeem geschikt voor gebieden in India, Afrika en het Midden-Oosten. De batterij kan oneindig worden geladen en weer ontladen.’
Blijvend ontwikkelen
Met de zeezoutbatterij mikt Dr Ten eveneens op de residentiële markt en medium/low voltage markt in Europa. Binnen enkele jaren wil Ten Kortenaar starten met massaproductie. Ons land is vooralsnog niet als eerste aan de beurt: de salderingsregeling schrapt de belangrijkste stimulans voor installatie van thuisbatterijen, terwijl er bovendien geen subsidies op netstabilisatie zijn. Maar ondertussen zit het team van Dr Ten niet stil. ‘In de totale markt voor batterijen gaat ruim vijftig miljard euro om’, licht hij toe. ‘Technisch is het niet zo dat als je grote investeringen pleegt, de kans op succes daarmee recht evenredig verveelvoudigt. Vergelijk het maar met een plant, die heeft water nodig voor zijn groei. Door er een gigantische bak water over uit te storten, gaat de plant niet sneller groeien. In een competitieve markt waarin prijs en superieure technologie telt, verlies je de race als je de R&D er te snel uit licht. Vanaf 2011 is onze batterij meer dan dubbel zo goed geworden en groeien we steeds meer toe naar semi-automatische productie.’
Er een 1 kW opstelling van Aquabattery in Gorinchem bij een RWZI van Waterschap Rivierenland.
Aquabattery
Dat ligt iets anders bij Aquabattery, een startup van de TU Delft en nu gevestigd in Alphen aan de Rijn. Eind april haalde het bedrijf zes miljoen euro op bij EIT InnoEnergy, InnovationQuarter en Invest-NL, Init Power en een groep business angels. Met het nieuwe kapitaal wil men nieuwe mensen in dienst nemen, de technologie verder verfijnen en in Nederland een eerste productielijn opzetten. Op zich is de installatie vrij simpel: alles wat je ervoor nodig hebt, is een zeecontainer, watertanks en zout water.
Toch is er ruim tien jaar verstreken voordat de kans op commercialisering aanbrak. De technologie van Aquabattery bouwt voort op die van ‘Blue Energy’, de proefinstallatie die REDstack in 2014 aan de Afsluitdijk heeft geplaatst en indertijd als icoon voor duurzame energieopwekking gold. Bij REDstack wordt uit zoet en zout water, stroom en brak water opgewekt door middel van membranen. Aquabattery past ook membraantechnologie toe voor het opslaan van elektriciteit in zout water.
Dr. Armin Michel is sinds november vorig jaar cto van Aquabattery. Eerder werkte hij bij DSM Zwolle, daarna stapte hij over naar meer duurzame chemische toepassingen, eerst bij Corbion, dat van zetmeel uit suikers biobased en biologisch afbreekbare polymeren maakt, daarna als hoofd R&D bij Voltea, producent van waterzuivering- en ontziltingsystemen (ionenuitwisseling membraantechnologie). Hoewel zowel Blue Energy als Aquabattery membranen gebruiken, zijn er grote verschillen.
‘Wij gebruiken overtollige stroom uit wind- of zonneparken om zout water met behulp van ionenuitwisseling via membranen te splitsen in natronloog (NaOH) en zoutzuur (HCl)’, licht hij toe. ‘Daarmee laden we de batterij op. Door die verbindingen weer bij elkaar te brengen – waarbij zout water wordt gevormd – en door dezelfde membranen terug te sturen, ontladen we de batterij weer. Het elektrochemische proces is vrijwel oneindig omkeerbaar, inherent veilig, relatief goedkoop en put uit ruim voorradige grondstoffen. Daarmee kan je stroom voor minimaal acht uur tot enkele weken opslaan en zo de ‘dunkelflaute’ overbruggen.’
Opschalen
Opschalen van pilots naar semi-commerciële demonstratieprojecten is op dit moment de grootste uitdaging. Na een eerste pilot op de Green Village van TU Delft verhuisde Aquabattery de batterij naar het eiland Pantelleria (tussen Italië en Tunesië) waar men het systeem bij een plaatselijke elektriciteitscentrale heeft getest en het vermogen en energiedichtheid zijn vertienvoudigd. Nu staat er een 1 kW-opstelling in Gorinchem bij een RWZI (rioolwaterzuiveringsinstallatie) van Waterschap Rivierenland. Eind 2026 wil men het vermogen van de zoutbatterij naar 100 kW opkrikken.
‘De efficiency van de stacks, momenteel op TRL 6, verbeteren we met onze eigen technologie’, zegt Armin Michel. ‘Voor onze volgende pilot werken we samen met uiteenlopende partners zoals Deltares, het Delftse kennisinstituut op gebied van water en ondergrond. Ook Statkraft, het Noorse energiebedrijf dat al vanaf begin deze eeuw actief is in wind- en zonneparken, brengt de nodige kennis en ervaring in. De volgende proefinstallatie zal bij Deltares in Delft worden geplaatst. Het geld dat we recent uit de markt hebben opgehaald, zorgt ervoor dat we straks onze eigen membraantechnologie verbeteren en goedkoper kunnen maken. Door de energietransitie ligt er een enorme markt voor duurzame energieopslag open.’
Tegenwind?
Volgens Van Asseldonk van BCC NL, hebben zoutbatterijen grote meerwaarde voor duurzame energieopslag op de middellangetermijn (dagdelen tot weken). ‘We moeten echter wel in de gaten houden dat ons land deze voorsprong, qua kWh-prijs en energiedichtheid, ook kan behouden. Ondersteuning is cruciaal. Nu nog staat het Nationaal Groeifonds positief ten opzichte van deze ontwikkelingen, maar ik maak me zorgen. Steun van het fonds staat op dit moment ter discussie. Als we ons alleen op de korte termijn richten, dan gaat dat ten koste van innovatie op de lange termijn. Andere landen in de EU krijgen wel de nodige ondersteuning. Als we niet opletten, dan zullen innovatieve startups als Dr Ten en Aquabattery uitwijken naar het buitenland. Dat moeten we voorkomen’, besluit hij.
Zoutbatterijen
Over zoutbatterijen bestaat soms verwarring. Elke batterij bevat immers een zout. In een natriumbatterij is lithium door natrium vervangen. Ze zijn op veel punten minder goed dan lithium-ion, maar bieden wel kansen voor toepassingen in laptops en in de automotive industrie. Bedrijven die hieraan werken, zijn Dr Ten, Catl en Northvolt.
Bij een zeezoutbatterij is zeezout het hoofdbestanddeel met water als elektrolyt. De batterij, onder meer (door)ontwikkeld door Dr Ten, wordt vooral gebruikt voor opslag van zonnestroom en stabilisatie van het net. Een flowbatterij gaat uit van dezelfde bestanddelen, maar werkt met membranen (en soms ook met pompen). Elestor is daar een voorbeeld van, Aquabattery een ander. Die mikken op grotere, stationaire toepassingen voor stroomopslag.
Tekst: Tseard Zoethout
Fotografie: Aquabattery, Dr Ten, iStock, Rijksmuseum Boerhaave Leiden (Tom Haartsen), Teylers Museum Haarlem