Elke batterij heeft zijn plussen en minnen

enexis-smartstorage

De stijgende productie van - en toenemende vraag naar - elektriciteit maakt energieopslag steeds belangrijker. Dan kun je niet om batterijen als opslagmedium heen. Maar een rondgang langs  deskundigen leert: de ene batterij is de andere niet. Niet alleen de techniek verschilt, ook de toepasbaarheid in bijvoorbeeld woonwijken en auto’s.

Artikel uit FD EnergiePro, augustus 2014 - ook beschikbaar in pdf

Batterijen zijn een chemische vorm van opslag, waarbij elektriciteit via een elektrochemische reactie wordt opgeslagen. Masterstudent Lars Beke (Sustainable Energy Technology, TU Eindhoven) deed dit  voorjaar onderzoek naar verschillende vormen van energieopslag in onder andere batterijen, in opdracht van Knooppunt Innovatie Elektrotechniek Nederland (KIEN). Hij richtte zich uitsluitend op toepassingen in huizen of woonwijken. Beke constateert dat er in wetenschappelijke publicaties over energieopslag vooral aandacht is voor de meer traditionele ‘lood-zure’ en ‘lithium-ion’ batterij. Maar volgens hem zijn voor grootschalige opslag van energie in woonwijken de nu nog weinig gebruikte ‘natriumzwavel’ en ‘vanadium redox’ batterij waarschijnlijk geschikter.

Oude technologie

Beke: ‘De lood-zure batterij (Pb-A) is een van de meest voorkomende batterijen. Deze is uitgevonden in 1859 en wordt vooral toegepast in de auto-industrie, bij accu’s. Het gaat om een relatief oude technologie, die vanwege het gebruik van zwavelzuur erg milieuvervuilend is. Een ander nadeel is dat de batterij een lage energiedichtheid heeft. Dat betekent dat er voor een bepaalde hoeveelheid  energie, grotere volumes nodig zijn.’

Dit zorgt er volgens de masterstudent voor dat de batterij moeilijk binnenshuis te gebruiken is. ‘Om een bepaalde hoeveelheid vermogen te halen heb je een flinke kast nodig waarin een aantal batterijen  opgestapeld zijn weggewerkt. En dan kun je slechts een periode van tijdelijke stroomuitval overbruggen. Om een huis met zonnepanelen volledig onafhankelijk te maken van het energienetwerk, heb je al snel een container aan batterijen nodig. Het grootste Pb-A systeem in de wereld staat Californië en heeft een capaciteit van 10 megawatt.’ Een ander nadeel van de lood-zure batterij is de beperkte ‘cycle  life’: het aantal keer dat de batterij kan worden opgeladen en ontladen zonder dat haar capaciteit onder de 80% daalt. ‘Bij Pb-A is de cycle met gemiddeld 1250 keer niet bijzonder groot. Ook de periode dat de batterij opgeslagen energie kan vasthouden als die niet gebruikt wordt, de opslagtijd, is met minuten tot dagen niet erg efficiënt voor het gebruik in of rond woningen.’
Op het punt van de cycle life scoort de lithium-ion (Li-ion) batterij aanzienlijk beter, constateert Beke. ‘Deze kan oplopen tot wel 10.000 keer. Ook op het gebied van energiedichtheid en impact op het milieu overtreft Li-ion de lood-zure variant. Een nadeel is wel dat de investeringskosten van de lithium-batterij aanzienlijk hoger liggen. Maar de kosten vallen weer lager uit als je ook de hogere cycle life van Li-ion meeneemt in de berekening, namelijk 15-80 cent/kWh versus 20-100 cent/kWh.’ Dit zijn overigens Amerikaanse dollarcenten.

Pilotfase

De Li-ion batterij is veel korter op de markt dan de Pb-A. De eerste commerciële toepassing dateert van 1960 en werd geïntroduceerd door Sony. ‘De lithium-ion batterij wordt dan ook vooral gebruikt in  consumentenelektronica, maar ook steeds meer in elektrische en hybride auto’s, weet Beke. ‘Hoewel de technologie vrij ver gevorderd is, verkeert de toepassing voor grootschalig gebruik - zoals energieopslag in woonwijken - vaak nog in de pilotfase.’ In Etten-Leur staat zo’n proefproject voor centrale energieopslag. Het project wordt geleid door netbeheerder Enexis en technisch dienstverlener Technolution. Wilbert Prinssen, projectmanager bij Technolution: ‘Het gaat om 240 woningen, waarvan veertig met zonnepanelen. Voor de opslag is gebruik gemaakt van vier lithium-ion batterijen, die tien jaar mee moeten gaan. De batterijen kunnen een hoeveelheid energie opslaan ter grootte van twee uur verbruik in de wijk.’

Prinssen onderschrijft de technische voordelen van Li-ion boven lood-zuur. Bijvoorbeeld dat een lithiumbatterij helemaal kan worden ontladen zonder dat deze stuk gaat. Maar hij geeft ook aan het  proefproject nog niet kan opboksen tegen het conventionele trekken van extra kabels om zo de capaciteit van het netwerk te vergroten. ‘Kabels gaan met een levensduur van dertig tot zeventig jaar langer mee dan batterijen.’ Zijn collega en senior consultant Marc van Eert wijst nog op een ander nadeel van Li-ion batterijen. ‘Dit type batterij kan niet geladen worden bij een temperatuur onder de nul graden. Dat vormt een probleem in de winter. De batterijen in het project in Etten-Leur staan overigens in een geklimatiseerde ruimte, waardoor ze niet onder nul kunnen komen. Maar je moet hier bij de  toepassing van batterijen wel rekening mee houden.’

Eilandbedrijf

De batterijen in Etten-Leur worden continu gebruikt voor het opslaan van energie waardoor de pieken in stroomverbruik en opwek worden afgevlakt. ‘Hierdoor wordt de maximale capaciteit van het net substantieel verlaagd, tussen 12 en 20%. Een secundair doel is het ‘eilandbedrijf’, waarbij de wijk twee uur zonder aansluiting op het regionale stroomnet kan. Zo’n grootschalige storing is nog niet opgetreden’, zegt Van Eert. Beke onderzocht nog twee andere soorten batterijen: de natrium-zwavel (Na-S) en de vanadium Redox (VRB). ‘Deze twee scoren goed op het gebied van energiemanagement. Daarbij staat niet zozeer de kortetermijnopslag en ontlading van hoge vermogens centraal. Deze eigenschap beoordeel ik in mijn onderzoek onder het kopje ‘power quality’, waarvoor Li-ion en Pb-A erg geschikt zijn. Bij energiemanagement gaat het om langetermijnopslag van grote hoeveelheden energie, voor bijvoorbeeld enkele maanden.’ De onderzoeker zegt dat Na-S in die zin meer voor de hand ligt als het de bedoeling is dat een woonwijk voor een lagere periode in zijn eigen energie moet kunnen voorzien. ‘Los van het net, maar door opwekking van stroom via windturbines en zonnepanelen. ‘Deze batterij wordt in de praktijk nog niet zo veel gebruikt. Wellicht omdat ze qua eigenschappen nergens echt in uitblinkt en daardoor niet snel in het oog springt bij eventuele afnemers.’ Beke wijst erop dat de Energy Storage Association (ESA), een wereldwijde organisatie die zich inzet voor de ontwikkeling van energieopslagsystemen, de Na-S als enige batterij de kwalificatie ‘volledig  capabel en redelijk’ heeft gegeven voor zowel opslag voor de korte als de lange termijn. Beke: ‘Dit geeft aan dat het een waardevolle technologie kan worden.’

Tanks

De Vanadium Redox Batterij (VRB) is een zogeheten flow-batterij, waarin vloedstoffen in twee tanks zijn opgeslagen. ‘Een nadeel is dat de tanks veel ruimte in beslag nemen en daarom op het moment alleen maar in kleinschalige toepassingen worden gebruikt. Bijvoorbeeld bij een boer, die de batterij gebruikt voor de elektriciteitsvoorziening van zijn stal.’ Een voordeel van de VRB ten opzichte van de andere batterijen is dat deze geen zelfontlading kent: als de batterij niet gebruikt wordt, blijft de energie toch behouden. ‘Tevens is de cycle life met 13.000 keer het hoogst van alle onderzochte batterijen.  De VBR is ook makkelijk op te schalen en geschikt voor langetermijnopslag, waardoor het goed gebruikt kan worden om bij te springen in het geval een windmolenpark te maken krijgen met een dip in zijn energievoorziening.’
Beke maakte in zijn onderzoek gebruik van de zogeheten multicriteria-analyse. Hij heeft de batterijen beoordeeld op zeven criteria: efficiëntie; kosten/kW; power quality; kosten/kWh per cycle;  energiemanagement; milieuvriendelijkheid; en de fase waarin de technologie zich bevindt. Voor elke categorie is een rangorde ontstaan. Die is hieronder schematisch weergegeven (klik voor groot beeld). Als de ring voor een bepaald criterium volledig gevuld is, dan betekent dat een relatief goede score op dat punt. De onderzoeker benadrukt dat de batterijen niet alleen onderling met elkaar zijn vergeleken,  maar ook met andere opslagmethodes van energie. ‘Bij Li-ion batterijen waaiert het vlak bij milieu niet erg uit, omdat de batterij het aflegt tegen bijvoorbeeld ‘power-to-gas’ en de vliegwieltechnologie. Terwijl ze ten opzichte van VRB en Pb-A juist wel goed presteren op gebied van milieuvriendelijkheid.’

Batterijreflex

Beke wijst erop dat focus op louter batterijen bij energieopslag te beperkt is. Van Eert is dat met hem eens. ‘De meeste mensen schieten al snel in de batterijreflex, maar energie kun je op verschillende manieren opslaan. Neem bijvoorbeeld condensatoren. Bij een batterij of accu gaat de omzetting van elektriciteit naar een chemische vorm en omgekeerd gepaard met energieverlies. Bij condensatoren,  een vorm van elektrische opslag, is er geen omzetting en dus geen energieverlies. Een nadeel is wel dat ze alleen geschikt zijn om kleine hoeveelheden energie op te slaan.’

Prinssen verwacht dat er uiteindelijk een mix van verschillende soorten energieopslag zal ontstaan per niche. Zelf is hij nogal gecharmeerd van vliegwieltechnologie, bij toepassingen waar voor korte tijd bewegingsenergie moet worden geslagen. Dit gebeurt in een draaiend wiel. Door er een dynamo tegenaan te zetten, komt de energie weer vrij. Beke concludeert in zijn onderzoek dat voor kortetermijnopslag de vliegwieltechniek het geschiktst is. ‘In de beleving van veel mensen is dit een verouderde techniek. Maar het is zeer milieuvriendelijk en dat tegen lage kosten.’

Blijft de vraag of de consument überhaupt behoefte heeft aan energieopslag. Prinssen verwacht dat dit voorlopig niet het geval zal zijn bij woningen of woonwijken. ‘In Nederland is de leveringszekerheid erg hoog als je die vergelijkt met andere landen. Een huishouden krijgt per jaar te maken met een stroomstoring van gemiddeld 22 minuten. Te weinig voor een huizenbezitter om over te gaan naar energieopslag. Een land als Canada zit bijvoorbeeld op gemiddeld 1200 minuten per jaar.’ Daarnaast zal een consument met zonnepanelen op zijn dak zich niet snel los koppelen van het net, omdat hij gebruik kan maken van saldering. ‘Wat de huizenbezitter aan stroom afneemt van de netbeheerder, mag nu nog worden verrekend met de stroom die hij levert aan het net. Wellicht wordt de consument over enkele jaren meer richting opslag geduwd, als de regels rond saldering  waarschijnlijk veranderen.’

Auto’s

Van Eert zegt dat de business case anders ligt bij auto’s. Het succes van batterijopslag hangt af van de investeringsbereidheid van bedrijven en de consumentenvraag. Bij elektrische auto’s zijn beide de afgelopen jaren enorm toegenomen, mede door alle overheidssubsidies die het fiscaal aantrekkelijk maken om in een elektrische auto te rijden. Volgens wetenschapper Mark Bolech (TNO, Sustainable Transport and Logistics) zijn er vooral voor bedrijven die met hun voertuigen lange afstanden afleggen voordelen te behalen met elektrisch rijden. ‘Denk aan een taxi- of koeriersbedrijf. De winst per afgelegde kilometer bedraagt circa 10 eurocent ten opzichte van het rijden op benzine. Uiteraard kan het bedrijf zich zo ook profileren met zijn groene imago.’

Wel wijst Bolech erop dat de traditionele autofabrikanten ‘zoals zo vaak voorzichtig zijn bij een technologiedoorbraak. De mogelijkheden met hybrides en plug-in worden zeker verkend. Neem de  Volkswagen Jetta of de Opel Ampèra. Maar er bestaat nog huiver om volledig elektrisch te gaan. In die zin is het interessant dat Nissan en Renault wel afstand lijken te nemen van de conventionele verbrandingsmotor en agressief inzetten op elektrisch rijden.’ De wetenschapper verwacht dat de hybridisering van het vrachtverkeer de komende jaren een grote impuls gaat geven aan de accumarkt. ‘Het gaat dan om het elektrisch terugwinnen van remenergie en het efficiënter en veel stiller optrekken. Dat is vooral in stedelijke gebieden erg aantrekkelijk en het levert ook nog eens 25 procent brandstofbesparing op. Stadbussen zullen denk ik eerder overgaan op volledig elektrisch rijden.

Kathode

Volgens Bolech bestaan startaccu’s en voertuigen met een lage snelheid vaak nog uit loodzuur. ‘Maar bij volledig elektrische voertuigen, plug-in hybrides en hybrides is de Li-ion accu dominant. Zij hebben een cycle life van 3000 tot 5000 keer, als je de accu telkens helemaal zou ontladen. De kathode, zegmaar de positieve pol van de accu, kan overigens uit verschillende grondstoffen bestaan. Zoals mangaanen of cobaltoxides, lithiumijzerfosfaat. In hybribes worden touwens vaak ook nikkelmetaalaccu’s gebruikt. Zijn er wel genoeg grondstoffen voorradig om tot in lengte van jaren Li-ion batterijen te maken?
Senior consultant Van Eert (Technolution): ‘Op korte termijn wel, maar het gaat om zeldzame materialen die niet oneindig beschikbaar zijn. Mijns inziens in ieder geval onvoldoende om de hele wereld te voorzien van elektrische auto’s met batterijen.’ Bolech sluit niet uit dat er over pakweg tien jaar een levendige recyclemarkt zal ontstaan rond afgedankte Li-ion accu’s. ‘Nu komt deze nog niet van de grond, gezien het geringe aantal accu’s dat op dit moment toe is aan recycling. Maar verwerkte grondstoffen in de accu vormen op zichzelf een kostbaar goed.’

Auteurs

Het artikel is geschreven door FD-journalist Sameer van Alfen.

Aan het artikel werkten mee:
Lars Beke, Masterstudent Sustainable Energy Technology aan de TU Eindhoven
Mark Bolech, Wetenschapper Sustainable Transport and Logistics bij TNO

Contact:

wilbert-prinssen
  • Wilbert Prinssen
  • ✆ +31 (0)182 59 40 00
    Contact

Gerelateerde items

Technolution sluit zich aan bij FAN

Lees verder

Nieuws

Kostenreductie MS/LS-instrumentatie

Lees verder

Project

World Solar Challenge - Nuna8 Special

Lees verder

Publicatie

Aansturing via één standaard; EF-Pi

Lees verder

Project