Accu’s en batterijen en energieopslagsystemen.

Inleiding Smart grid Underground Gravity Storage
Innovaties bij lithiumbatterijen Large scale opslag Cursus energieopslag 
Innovaties solid state batterijen Energiedragers Les over batterijen 
Innovaties flow batteries Opslag oude batterijen Batterij recycling 
Defecte cellen Betonblokken batterij Lithium recycling
Thuis- buurtopslag Grindtreinen bergop Supercondensator uit cement


 Inleiding

Om de energietransitie te doen slagen moet Europa tegen 2030 over 200 gigawatt aan energieopslag beschikken, schat de European Association for Storage of Energy (EASE). Ter vergelijking: eind 2023 zou ons continent slechts 10 GW aan opgesteld vermogen aan batterijen hebben.

Voor een stabiele elektrische energielevering is energieopslag nodig voor de zeer korte, de korte en de lange termijn:

  1. Milliseconden tot minuten (netstabiliteit):
    - Vliegwiel
    - Magneten
  2. Minuten tot uren (fluctuaties per dag)
    - Pompcentrales
    - Persluchtopslag
    - Accu’s
  3. Dagen tot maanden (seizoensopslag, overbrugging “wintergap”)
    - Waterreservoirs of een heel zwaar gewicht wat je omhoog hijst in een mijnschacht.
      In Edinburgh gaan ze er een bouwen in 2020 voor 1 miljoen euro in een mijnschacht.  
    - Chemische opslag (Power to gas) Waterstof, mierenzuur.

In 2020 gaat Nederland een lithiumbatterij bouwen van 12 MW voor 1,2 miljoen (goed voor 5000 huishoudens) 

Ook op het gebied van accu's wacht men in 2020 een doorbraak namelijk vastestofbatterijen, dus niet gevuld met vloeistof maar met vast materiaal. In deze accu's kan meer energie worden opgeslagen, ze hoeven niet zo groot te zijn en ze gaan langer mee. 

Schermafbeelding 2024 03 12 090129 

Batterijen worden als maar goedkoper en men hoopt uit te kunnen komen op $ 100 per kWh. Dat was $ 1000 in 2010.
Hierdoor kan men steeds goedkopere elektrische auto's maken. In 2017 zei Audi dat ze nu al op $ 100 zitten. Gemiddeld in 2021 $ 141 

Lithiumijzerfosfaatbatterijen (LFP's) gebruiken ijzer in plaats van zeldzame materialen als kobalt, ze zijn goedkoper te produceren, minder brandgevaarlijk en ze gaan ook nog eens langer mee dan de duurdere batterijtypes.  Een kWh opslagvermogen hiervan kostte in 2023 nog 110 euro, nu is dat gedaald tot 40 euro. Ongekend. Auto's die wel 800 kilometer of meer op één batterijlading rijden, maken gebruik van duurdere batterijchemie met meer zeldzame metalen maar goedkope auto's profiteren hiervan. Een 50 kWh  auto is 3500 euro goedkoper geworden.
Bij een thuisbatterij van 20 kWh is alleen al door de goedkopere cellen de productie 1400 euro goedkoper dan in 2023. 

 

De prijs van de lithiumbatterij

 In 2012 kostte een ton lithium 4.450 dollar, in 2022 ruim 78.000 dollar. De vraag naar lithium zal tussen 2020 en 2030 met 1.700 procent toenemen. In 2022 is Portugal de grootste producent van lithium in Europa. Het opschalen leidt tot protesten. Imerys gaat in Frankrijk een nieuwe mijn starten op een ecologisch verantwoorde manier zullen exploiteren. Het bedrijf zegt volgens de strengste normen voor de mijnbouw te handelen en het wil de CO2-uitstoot van de mijn zo laag mogelijk houden, onder andere door het gebruik van elektrische -lithium-ion aangedreven- voertuigen.

Wat zit er in een moderne batterij (die van Tesla)

Innovaties bij lithiumbatterijen

De gemiddelde lithium-ion batterij heeft ongeveer een energiedichtheid van 260-270 wattuur per kilo. Men werkt aan een energiedichtheid van 360 wattuur per kilo. De Chinese batterijfabrikant CATL werkt al hard aan batterijen met een energiedichtheid van 500 wattuur per kilo.

Lithium-ion-batterijen verliezen hun kracht omdat ze geladen ionen en elektronen verliezen naarmate de batterijen meerdere laadcycli doorgaan. Door de batterijcellen in te spuiten met een speciale vloeistof – een vloeistof die ionen en elektronen creëert middels een chemische reactie – kan de batterij weer langer mee. 80 procent van de originele batterijcapaciteit kan dan worden hersteld. Die capaciteit kan voor zo’n honderd laadcycli vastgehouden worden, waarna het verouderingsproces weer intreedt. (2024)

IJzer fosfaat

Build your dreams, BYD is een elektrische autofabricant in China. Ze werken met ijzerfosfaat batterijen die volledig te recyclen zijn. Ze kunnen goed worden opgeladen. Ze maken ook zonnepanelen en hun droom is de Green city die overdag zonlicht gebruikt voor stroom maar die wordt opgeslagen in batterijen en die dan 's-nachts weer gebruikt kan worden. De BYD werd in 2023 de meest verkochte elektrische auto. 29 % goedkoper dan de Europese. Maar met hoeveel Chinese staatsteun?

Ijzer fosfaat in een Tesla die daarmee 1200 km kon rijden. (2022)

ONE gebruikt ook ijzerfosfaat, maar de energiedichtheid van deze LFP-batterijen is lager dan van klassieke lithium-ion. Deze zogenoemde cell-to-pack-techniek kan efficiënter werken. Hij werkt samen met het chassis om de auto stevig te maken, waardoor er minder andere versteviging nodig is en het totaalgewicht afneemt. Dus heeft het bedrijf niet één, maar twee types batterijen in de Tesla gebouwd. Het tweede batterijpakket heeft juist een hoge energiedichtheid. Samen zorgen ze voor de 1200 kilometer range.

Lithium lucht batterij

Onderzoekers van het Japanse Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschap gebruiken geen metaal, maar lucht als een van de polen. Dan kan je 500 wattuur per kilo batterij halen. De meeste autobatterijen halen slechts 100 wattuur per kilo, hoewel sommige modellen 250 wattuur halen. Het is nog experimenteel.

Fosfor zwavel toevoegen aan lithiumbatterij

Onderzoek aan de Universiteit van Waterloo in 2017 kan leiden tot een verdriedubbeling van de actieradius van elektrische auto’s. Het poeder, een mix van fosfor en zwavel, fungeert als een flinterdunne coating op de anode. Die voorkomt vervolgens de vorming van dendrieten. De innovatie brengt lithium-metaalbatterijen niet alleen een stap dichterbij. Het zorgt ook voor een langere levensduur bij bestaande batterijen. Batterijen waarbij de anodes met poeder bewerkt waren, hadden na 340 laad- en ontlaadcycli 70 procent meer capaciteit dan batterijen met ‘gewone’ anodes.(2022)

Lithium in dibutylether 

De elektrolyt in de nieuwe batterij is gemaakt met lithiumzout en dibutylether. Dat bindt zich zwakjes met lithiumionen. Dat betekent dat dibutylether de lithiumionen gemakkelijk kunnen loslaten terwijl de batterij werkt. De batterij kan tot twee keer meer energie per kilogram opslaan dan de huidige lithium-ion batterijen en werkt beter bij een hoge of lage buitentemperatuur. Dat komt doordat er zwavel wordt gebruikt in plaats van kobalt. Dat betekent dat de actieradius van elektrische auto’s zou kunnen verdubbelen. En er zit nog een voordeel aan: zwavel is in overvloed aanwezig in tegenstelling tot kobalt.

Lithium zwavel 

Die kan tot 5 keer meer laden maar de capaciteit ging te snel achteruit. Met een keflarmembraan niet meer en komt de batterij in zicht.(2022)

De zwavelbatterij kan namelijk vijf keer meer energie vasthouden, wat het bereik van elektrische auto’s enorm kan vergroten.

In de zwavelbatterij zit geen kobalt, zoals bij de lithium-ionbatterij wel het geval is. Het grote nadeel aan kobalt is dat het uit de mijnen in Congo komt. Het is zwaar werk om het metaal te delven, en er komen veel misstanden voor. De Duitse start-up Theion zegt dat je 300 % verder kan rijden en dat het een zwavelbatterij kan produceren die qua prijs competitief is met de lithium-ion batterij. Het plan is de batterijen te leveren voor de productie van drones, mobiele telefoons en laptops. In 2024 gaat het zich richten op elektrische auto’s.

Toyota gaan vaste stof zwavel batterijen maken die auto’s 1.500 kilometer op een volle accu kunnen afleggen en in slechts 10 minuten volledig kunnen opladen. In 2027 of 2028 moeten de eerste vastestofbatterijen beschikbaar worden. Maar nu zijn ze nog duur en de elektroden dreigen los te raken. 

Nikkel, mangaan, aluminium

Je kan een kathode maken zonder kobalt met een nikkel, mangaan en aluminium mengsel wat je laat kristalliseren met behulp van ethanol. Dat is veel veiliger dan met ammoniak zoals nu gebeurt. Het ethanol kan daarna weer opnieuw gebruikt worden.
Je kan ook veel sneller werken.

Natrium zwavel

Een nieuw type natrium-zwavelbatterij kan drie keer zoveel energie opslaan dan een lithium-ionbatterij met extreem lange levensduur bij kamertemperatuur. Dat komt door de integratie van op koolstof gebaseerde elektroden en het gebruik van pyrolyse. Dat is een proces om veel effectievere reacties tussen de zwavel en het natrium te realiseren. Maar er zijn veel financiële toetredingsdrempels. Het duurt dus nog jaren.(2023)

4680 batterijpakket (2022)

Tesla werkt hard aan het toekomstige 4680-batterijpakket. De batterijcellen (46 millimeter breed en 80 millimeter hoog, vandaar de naam) zijn vijf keer zo groot als de batterijcellen die Tesla momenteel gebruikt. Hierdoor verhoogt de actieradius van elektrische auto’s met 16 procent en dankzij de eenvoud van de batterijcel wordt het produceren ervan naar verwachting 56 procent goedkoper.

De carbon-ion cell

Een autobatterij opladen in 35 seconden met de Carbon-ion cell van het Britse bedrijf ZapGo. Ze bevat geen lithium of kobalt waardoor hij goedkoper en veiliger wordt maar ook veel sneller op te laden is.
De batterij van een Tesla model 3 kan 250 kilowatt  laden, de Carbon-ion batterij 350 tot 1,500 kilowatt en dat 10 maal sneller.
Dit betekent ook dat een elektrische stofzuiger binnen 20 seconden opgeladen kan zijn en een elektrische boor in 15 seconden en een telefoon in enkele seconden.

Silicium anode batterij

De nieuwe silicium anode techniek van LeydenJar biedt grote kansen voor de gigafabrieken voor batterijen die we in Europa nodig hebben om aan de vraag te voldoen. Het is een nieuwe generatie accu’s met 50 procent meer energieopslag. In 2020 zat en al op 70 % meer opslag. De proeffabriek komt in Brabant en gaat medio 2020 open. De kosten van de batterij zijn vergelijkbaar met de huidige lithium batterijen.

In huidige Li-ion batterijcellen is de grafietanode het knelpunt bij het verhogen van de energiedichtheid. Silicium biedt een tienvoudige capaciteit ten opzichte van grafiet als anodemateriaal. De uitdaging is echter om silicium op een mechanische stabiele manier te gebruiken, omdat silicium tijdens lithiatie opzwelt. Bijgevolg wordt slechts een klein percentage silicium gebruikt in moderne composiet koolstof-siliciumanodes, waardoor een kleine verbetering van de energiedichtheid mogelijk is.

Maar een nieuwe pure siliciumanode is poreus, waardoor het de zwelling van het silicium tijdens lithatie kan absorberen, en dus de maximale capaciteit van silicium gebruikt, terwijl het mechanisch stabiel blijft. Het silicium wordt rechtstreeks op het kopersubstraat gekweekt met plasmadampafzetting (PECVD), een methode die in de PV- en halfgeleiderindustrie wordt gebruikt om dunne films te laten groeien. Ze hebben dit proces gewijzigd om siliciumkolommen te laten groeien die leiden tot een hoge belasting van het anodegebied, waardoor een energiedichtheid tot 1.200 Wh / l of 450 Wh / kg op gelithieerd stapelniveau mogelijk wordt. In 2020 zat men al op 1350 watt-uur per liter. Het apparaat is vergelijkbaar met een gigantische magnetron en is in staat om een dun laagje poreus silicium op een drager te dampen. ASML helpt mee.

https://youtu.be/kQC8arNxFpo

De Nederlandse start-up LionVolt ontwikkelt batterijen waarmee elektrische auto’s een drie keer grotere afstand afleggen, en vijf keer sneller opladen.

Met behulp van een 3D-batterijtechnologie maakt LionVolt een nieuwe batterij die achteraf kan worden gebruikt in bestaande apparaten, zoals in je telefoon maar ook in een elektrische auto of vliegtuig. De batterij is een stuk veiliger, weegt de helft minder en werkt twee keer zo snel dan bestaande litium-ionbatterijen. De nieuwe techniek kan zo worden opgeschaald dat de kosten van de batterij laag zijn.

https://lionvolt.com/wp-content/uploads/2021/11/3Dbattery-Lionvolt-V17.11.21-1.mp4

De batterij bestaat uit miljarden paaltjes, bedekt met laagjes duurzaam materiaal. Die laagjes worden gemaakt met de techniek Spatial Atomic Layer Deposition. Dat is een methode om extreem dunnen lagen, van enkele nanometers, op een oppervlak aan te brengen. Zo ontstaat er een 3D-constructie met een groot oppervlak. De ionen hoeven nu nog maar een korte weg af te leggen waardoor het laden en ontladen veel sneller gaat dan een doorsnee batterij.

De batterijen van LionVolt worden gemaakt zonder zware metalen. Het alternatieve materiaal is volgens LionVolt circulair en kan aan het einde van de levensduur opnieuw gebruikt worden.

LionVolt komt voort uit zeven jaar Research en Development in het TNO Holst Centre. De financiering van 4 miljoen euro wil de start-up gebruiken om de techniek uit te rollen en de productie op te schalen. In eerste instantie zullen de batterijen gebruikt worden in draagbare producten, zoals telefoons of smartwatches. Later kan de batterijtechnologie een goed alternatief zijn voor de huidige batterijen die worden gebruikt in elektrische auto's. (2021)

Vanwege de beperkte levenscyclus, veiligheidsproblemen en hoge kosten van Silicium lukte het steeds maar niet om die voordelen ook daadwerkelijk in concrete resultaten om te zetten. GDI zegt al die drempels nu te hebben overwonnen. Met een investering van 13 miljoen euro gaat het Amerikaanse bedrijf dit jaar aan de slag met proefproductie in Eindhoven.

In 2023 haalde E-magy hiervoor 22,5 miljoen op. 

batterij

Zonder cobalt 

Zwitserse start-up Innolith komt met de Energy Battery voor 1000 km en zelfs zonder zeldzame materialen, maar ze laten er niets over los. Nu zijn lithium en kobalt belangrijke materialen. Batterijproducent Panansonic ontwikkelt een accu waar geen kobalt in verwerkt is. Deze batterij krijgt een vermogen van 1000 wattuur per kilo. De Tesla model 3 heeft er een van 250 wattuur per kilo.

Of vervang het kobalt in de kathode van de batterij door een combinatie van nikkel, ijzer en aluminium (ze noemen de combinatie NFA) (2020)

Grafiet anode 

Bij lithiumbatterijen is de grafiet-anode (minpool) de bottleneck. Zuiver silicium heeft een tien keer grotere capaciteit heeft maar het materiaal zet sterk uit bij het laden, en krimpt weer bij ontladen waardoor het broos wordt en breekt. Maar nu heeft LeydenJar de anode een specifieke poreuze structuur te geven, waardoor het werkt als een spons. Deze vinding komt voort uit het zonnecelonderzoek van ECN. Het bijbehorende plasmaproces (“PECVD”) dat door ECN ontwikkeld is, biedt de mogelijkheid om zulke anodes te maken in massaproductie. 

Grafeen

In plaats van conventionele lithium-ion-batterijen een supercondensator met grafeen als batterij in auto's. Het Deense Fisker gaat er mee beginnen.
Grafeen maken was nog heel duur maar Fisker claimt nu een techniek te hebben waarin ze 1000 kg grafeen kunnen produceren voor 10 ct per gram. 
Grafeen bestaat slechts uit een enkele laag van atomen, maar door de structuur van kippengaas is het wel 200 keer sterker dan staal.
Een van die eigenschappen is dat elektronen zich gemakkelijk door het materiaal bewegen: grafeen is daarmee een betere geleider dan koper. Ook is het extreem dun waardoor het in vele laagjes opgevouwen kan worden. Het electrolyt is gebaseerd op zeewater. Dus geen zeldzame of giftige stoffen meer. 
De batterij is voledig te recyclen en kan gewoon op de composthoop. 

Een supercondensator is een grote condensator die elektrische lading op kan slaan en bestaat uit twee geleiders met daartussen een niet-geleidend materiaal. Hij kan heel snel worden geladen: binnen enkele seconden. Daarmee is het een alternatief voor de huidige accutechnologie.

Het probleem is dat supercondensatoren heel groot moeten zijn om voldoende lading vast te houden voor gebruik in bijvoorbeeld smartphones en laptops. Grafeen moet uitkomst bieden. Wetenschappers doen al jaren onderzoek naar supercondensatoren van grafeen en slagen erin om steeds meer energie op te slaan.

Koolstofnanobuisjes als elektrode

Deze elektroden bevatten koolstofnanobuisjes, extreem dunne kokertjes gemaakt van koolstof. Omdat ze zo klein zijn, hebben ze allerlei gunstige elektrische eigenschappen. De buisjes geleiden stroom bijvoorbeeld heel goed. En de kaarsrechte structuur van miljoenen nanobuisjes in een elektrode zorgt ervoor dat een elektriciteitsdeeltje heel makkelijk door de elektrode kan reizen. Bij de huidige lithium-ionbatterijen moet een elektron zich door de atomen in een elektrode wurmen. Dat kost meer tijd en moeite.

Het resultaat mag er wezen: volgens berekeningen van Nawa kan een batterij hiermee drie keer meer energie opslaan. Ook gaat opladen veel sneller en gaat een batterij mede daardoor veel langer mee. Opladen tot tachtig procent hoeft nog maar vijf minuten te duren. Dat zou een gigantische stap zijn voor batterijen, waar de energiedichtheid maar mondjesmaat stijgt. Aangezien de vraag naar grote, krachtige batterijen alleen maar toeneemt nu steeds meer apparaten (zoals auto’s) elektrisch worden, komt de uitvinding op het juiste moment. (Frans bedrijf Nawa)

Grafeen nanobuisjes (2022)

247 Energy gebruikt in zijn batterijen supercondensatoren op basis van grafeen-nanobuisjes met een intelligente softwarelaag, zogeheten solid state condensatoren. Die nanocomposieten zijn honderd keer sterker dan staal en kunnen honderd keer zoveel energie opslaan als de gangbare elektrolytische condensatoren. De techniek heeft nog veel meer duurzame voordelen ten opzichte van lithium-ion batterijen. Een lithium-ion batterij gaat maximaal 5000 tot 8000 cycli mee, terwijl de supercondensator een miljoen keer opgeladen en ontladen kan worden en minstens 45 jaar meegaat. Daarna is hij voor 100 procent te recyclen. Er zitten geen gevaarlijke stoffen en chemicaliën in en daardoor is de batterij niet brandbaar of ontplofbaar. “Daardoor kan ook de chemische industrie de batterij gebruiken”, stelt Smits. Een ander groot voordeel is dat hij 20 keer sneller laadt en ontlaadt dan een traditionele batterij.

Electroden via carboniastie van papier (2022)

Door middel carbonisatie wordt papier bij hoge temperaturen en zonder zuurstof omgezet in pure koolstof.Hierdoor blijven er zuivere koolstof, waterdamp en oliën over die gebruikt kunnen worden voor biobrandstof. Doordat er geen zuurstof bij komt kijken, komt er dus ook nauwelijks CO2 vrij. Van de koolstof worden elektroden gemaakt. 

Cannabis

Energie opslaan in cannabis blijkt goedkoop en effectief. De hennepplant overschaduwt daarmee het supermateriaal grafeen. Onderzoekers van onder ander de Canadese Universiteit van Alberta hebben de potentie van cannabis laten zien. Door de bastvezels van hennep in twee fasen te verhitten zijn ze er in geslaagd zeer efficiënte koolstofelektroden te maken. Deze gebruiken ze als materiaal om energie op te slaan in batterijen en supercondensatoren.

Groot voordeel van het materiaal is dat het goedkoop is om te maken. Veel onderzoek in energieopslag richt zich op dit moment op het supermateriaal grafeen, maar dat is juist zeer kostbaar. Het resulterende materiaal van het verhitte hennep is ook veel toleranter voor extreme temperaturen. Het materiaal blijft energie opslaan bij het vriespunt, maar ook als het tegen het kookpunt aanzit. Een Canadese start-up is de technologie al aan het ontwikkelen voorbij de conceptfase. Vooral de toepassing in supercondensatoren is veelbelovend. Deze laden bijna direct op en verliezen geen capaciteit. Daarmee komt een elektrische auto met goedkope batterijen die snel oplaadt een stap dichterbij.

Keramiek en peroxide

LithiumairEen elektrische auto die geen andere brandstof nodig heeft dat zuurstof? Lithium-air is een sprookje waar zelfs giganten als IBM in investeren en een bedrijf als Polyplus waanzinnige doorbraken bereikt
Door het brandbare lithium met een laagje keramiek te bedekken kan zuurstof en zelfs water (zeewater) passeren, zonder dat er ongelukken gebeuren. Door de keramiek functioneren de membramen als de kieuwen van een vis. PolyPlus kan op basis van deze techniek al een werkende batterij tonen die ‘1.300 watt-hours' per kilogram aan elektriciteit kan leveren. Dat is drie keer zoveel als het theoretische maximum van de lithium-ion batterij.Inmiddels heeft IBM een techniek in huis waarmee een auto meer dan 500 kilometer kan rijden.

Bolloré heeft een lithium metaalpolymeer batterij ontwikkeld die 3000 maal is op te laden, die niet warm wordt en die meer kunnen opslaan als normale batterijen. Ze zitten in de electric blue car.

Een onderzoeksgroep in Japan heeft een oplaadbare accu ontwikkeld die zeven keer het vermogen van een normale lithium-ion accu kan bevatten.
De batterij werkt doordat zuurstofatomen binden aan een kathode van lithium-oxide. Daarbij komt elektriciteit vrij. Het lithium met de extra zuurstof wordt ook wel een peroxide genoemd. Bij het opladen scheiden de zuurstofatomen weer, iets wat tevens als een doorbraak in het onderzoek geldt. De anode, die de elektronen levert, is gemaakt van lithium.De ontwikkeling van de batterij is een gezamenlijk project van de Universiteit van Tokyo en het bedrijf Nippon Shokubai, dat onder andere katalysators maakt. De groep claimt dat de potentiële energie-dichtheid van de nieuwe batterij niet alleen zeven keer groter is dan die van de gangbare lithium-ion accu’s, maar ook nog eens goedkoper en veiliger is. Dat laatste is een groot voordeel ten opzichte van een andere concurrent in de wereld van batterijontwikkeling: de lithium-airaccu. zie boven.( Deze bevat theoretisch een hogere capaciteit, maar is niet afgesloten van de buitenwereld. Problemen met bijproducten uit de lucht zijn daarom een obstakel. Daar heeft de nieuwe batterij geen last van. De accu is volgens de ontwikkelaars vooral interessant voor elektrische auto’s en grote opslagsystemen. Grootschalige toepassing laat echter nog op zich wachten, de theoretische capaciteit moet eerst nog worden waargemaakt.
Door de anode en cathode 3 dimensionaal te maken kunnen nu batterijen worden gemaakt die in een paar seconden kunnen worden opgeladen en die maar enkele millimeters dik zijn.

Koperfolie

Onderzoeksinstituut ECN heeft een nieuwe technologie ontwikkeld waarmee oplaadbare batterijen 50 procent meer opslagcapaciteit krijgen.
De nieuwe technologie (2016) vervangt het traditionele grafiet in de anode door silicium, waardoor dit onderdeel van de lithium-ion batterij tien keer zoveel opslagcapaciteit krijgt en de batterij als geheel 50 procent.

Het probleem van silicium is echter dat het bij het opladen opzwelt en drie keer zo groot wordt, waardoor siliciumlagen los kunnen raken en de batterij uit elkaar valt. ECN brengt het silicium via nanotechnologie in kolommetjes op een koperfolie aan, zodat er ruimte is om uit te zetten en de batterij stabiel blijft. De laag moet uiteindelijk 10 micron dik worden voor commerciële toepassing, tien keer dunner dan een blad papier.

Beton

Door cement te mengen met koolstofvezels, waarvan een deel bedekt zijn met een laagje ijzer of nikkel. Zo worden plus- en minpolen verkregen in de batterij en kan je straks energie opslaan in beton. Deze nieuwe batterij werkt tien keer beter dan eerdere ontwerpen, al haalt deze versie het nog steeds niet bij de ‘gewone’ batterij. Toch: als muren van flat- of kantoorgebouwen van dit materiaal worden gemaakt, heeft deze techniek grote potentie.

Opwarmen

Als je een lithiumbatterij verwamt tot 60 graden kan hij in 10 minuten 200 km laden. Als je hem dan snel afkoelt beschadigt de batterij niet. Je kan tot 1700 keer laden zonder kwaliteitsverlies. 

Om de accu snel te verhitten gebruikten de onderzoekers een nikkelen folie, dat de hele batterij verwarmt in minder dan dertig seconden. Hoe korter het verhitten duurt, hoe kleiner de schade aan de batterij. Dat bleek: na 2500 laadcycli was er nog 90 procent van de capaciteit over. De batterijen uit het experiment zijn dezelfde die nu in het gros van de elektrische auto's zit.

Coctail van zouten toevoegen

In een lithium-ion batterij zit een substantie, de elektrolyt, bestaande uit een vloeistof met daarin lithium zout. De positief geladen lithium ionen hierin ‘zwemmen’ tussen de plus en de min van de batterij tijdens het laden en ontladen. Vooral bij de min aangekomen, gaat de vloeistof en het zout kapot. Hierdoor vormt zich een laagje van kapot gegaan elektrolyt, en hoe stabieler dit laagje, hoe langer de levensduur van de batterij. Door een cocktail te maken van vijf verschillende zouten, zorgen de Delftse wetenschappers ervoor dat dit laagje stabieler wordt, waardoor de levensduur verbeterde.(2023)

Lithium fabriek

In 2023 wordt in Emden (Duitsland) een fabriek gebouwd die uit gesteente uit Australië, Azië, Afrika en Zuid-Amerika lithium raffineert. De vereiste hoogwaardige lithiumchemicaliën hebben een beperkte houdbaarheid en zijn gevoelig voor degradatie tijdens transport. Door dicht bij de consument te verwerken kunnen we traceerbare producten van topkwaliteit leveren. 

Vanaf 2030 moet vijftig procent van de grondstoffen uit batterijen gerecycled zijn. Zwarte massa, het poederachtige residu van onder andere lithium, nikkel en kobalt, dat ontstaat wanneer lithium-ionbatterijen worden ontmanteld, kan worden teruggewonnen en hergebruikt. Dat betekent dat er minder nieuwe grondstoffen uit andere landen nodig zijn.

Solid state accu's en batterijen

All solid state accu

Kort door de bocht is hij in staat om twee a drie keer zoveel capaciteit te huisvesten en kun je hem binnen enkele minuten opladen. Denk je eens in dat je net als vroeger gewoon een week met je smartphone kan doen en als hij leeg is je hem binnen enkele minuten gewoon weer volledig op kan laden. Het klinkt als verre toekomst maar volgens de onderzoekers is het toch echt zo. 

Een solid state-batterij bevat geen vloeistof en daardoor kan er meer energie in de batterij en hij kan niet in brand vliegen of ontploffen. De batterij maakt namelijk gebruik van vast keramisch materiaal in plaats van vloeibare elektrolyten in een lithiumbatterij.
Ze zijn 40 % duurzamer.

De solid state-batterijen hebben echter één grote zwakte: ze houden het meestal niet lang vol. Er ontstaan imperfecte kristallen op de uiteinden van de batterij, waardoor de efficiëntie keldert. Om dat te voorkomen, proberen batterij-onderzoekers over de hele wereld andere uiteinden (kathoden en anoden) uit. Een standaard solid state-batterij heeft lithium aan de uiteinden. Samsung probeert nu een combinatie van aluminium en koolstof. Dit materiaal zorgt ervoor dat de kristalvorming veel langzamer en geleidelijker gaat, waardoor de batterij langer goed blijft werken.

Hij kan duizend keer op- en ontladen. Dat lijkt weinig, maar bij een gewone oplaadbare AA-batterij lukt dat maar een paar honderd keer. En door de hogere energiedichtheid kan je hier volgens Samsung batterijpakketten voor auto’s van maken die wel 800 kilometer kunnen rijden. Dan gaat een batterijblok van een elektrische auto dus 800.000 kilometer lang mee, voordat deze wordt afgeschreven.

De solid state FlashBattery.

Israëlische start-up StoreDot is met een batterij bezig die in 5 minuten op kan laden en bijna 500 km rijplezier geeft. De traditionele lithium-ion batterij wordt vervangen door nieuwe materialen en een nieuwe batterijstructuur. An all-solid-state supercapacitor that works based on electrostatic principles. Zelfs goedkoper dan de normale batterij.

Hoe dat precies werkt, is niet helemaal duidelijk: een deel van de Israelische techniek is geheim. Wel is duidelijk dat StoreDot de koolstof-anoden van gewone lithium-ionbatterijen vervangen door metalen zoals silicium, in combinatie met organische bestanddelen. Dit zorgt ervoor dat er veel meer stroom in korte tijd in de batterij geladen kan worden. Daarom: eerst zien, dan geloven

batterijen

Zink-mangaan batterij (2019)

goedkoop, veilig en effectief. Het gepatenteerde ontwerp maakt gebruik van niet-giftig zink en mangaan, twee metalen die overvloedig aanwezig en een onbrandbare waterige elektrolyt om een ​​batterij met een hoge energiedichtheid te produceren.

De onderzoekers schatten dat de kosten van deze nieuwe elektrolytische Zn – Mn-batterij minder dan US $ 10 per kWh bedragen, vergeleken met US $ 300 per kWh voor huidige Li-ion-batterijen, US $ 72 per kWh voor Ni-Fe-batterijen en US $ 48 per kWh voor loodzuurbatterijen.

De energiezuinige, veilige batterij opent markten waar het gewicht, de grootte en de veiligheid van de batterij belangrijke factoren zijn, zoals auto's en ruimtevaart, en huishoudelijke en commerciële gebouwen en energieopslag.

De batterij maakt gebruik van basismaterialen en eenvoudige productieprocessen, zodat deze veel goedkoper te produceren en gemakkelijker te recyclen zijn dan bestaande batterijen met een vergelijkbare energiedichtheid.

Flow batteries

De waterstofbromide flowbatterij

De ‘waterstofbromide flowbatterij’ is een innovatieve batterij die een nieuwe en betaalbare manier van energieopslag mogelijk maakt. Daardoor kunnen zonne- en windenergie concurrerend worden met fossiele brandstof.
Ontwikkeld door Witteveen+Bos, Elestor BV, ECN en de HAN. 

Betaalbaar en het is ook mooi dat het gewenste vermogen [kW] en capaciteit [kWh] onafhankelijk van elkaar kunnen worden gedimensioneerd. In de flowbatterij van Elestor bevinden de beide chemische componenten zich elk in een eigen gesloten circuit. De componenten zijn van elkaar gescheiden door een selectief membraan, dat alleen protonen doorlaat. Als op de batterij een spanning wordt aangelegd, vindt een redoxreactie plaats, waarbij protonentransport door het membraan plaatsvindt en de batterij geladen wordt. Bij het ontladen vindt de reactie in omgekeerde richting plaats. Doordat deze redoxreactie 100 % omkeerbaar is, kent het proces intrinsiek geen degradatie, waardoor de opslagcapaciteit van het systeem na verloop van tijd niet afneemt. De beide chemische componenten zijn op aarde in overvloed aanwezig en daardoor zeer goedkoop.

De nanoflowcell

Een membraan scheidt de elektrolyten (de zouten) (Lythium en zwavel). Het zit in een netwerk van nanodeeltjes. Hierdoor ontstaat een krachtige redox accu waardoor een auto vijf maal verder kan rijden dan op lithium-batterijen in huidige elektrische auto's. In redox accu's vindt oxidatie en reductie parallel plaats. Een li-ion accu heeft 120 W/kg energie terwijl de nanoflowcell 11.000 W/kg heeft. Het vermogen is 6000 W/kg.  

De zoutbatterij of SMC batterij

(Sodium Metaal Chloride) van FZSoNick is 32 procent uit keukenzout, 22 procent nikkel, 22 procent uit ijzer en 20 procent uit keramiek. Sodium Nikkel (SoNick) of ZEBRA batterij genoemd. Bèta-aluminium is als een snelle geleider toegevoegd aan het zout en bij 150 graden wordt het mengsel van nikkel en zout vloeibaar. Bij 250 graden kan de batterij-cel waarin dat gebeurt voor energieopslag worden gebruikt. Nikkel vormt de positieve elektrode en het verwarmde zout de negatieve elektrode. De batterij moet dus wel eerst opgewarmd worden voor gebruik. 

Het rendement is net zo groot als van lithium-ion batterijen, maar de zoutbatterij is lichter. De batterij kan 4.500 cycli aan en kan gewoon uitgezet worden in de wintermaanden, bijvoorbeeld als er weinig zonnestroom is. Wind- of zonne-energie kan er zolang in opgeslagen worden als nodig. Een ander voordeel is dat hij modulair en schaalbaar is, van 3,6 tot 10 kilowattuur aan stroom kan opslaan, en meer als nodig.

Het is een oplossing voor bedrijven of woonwijken die geen zwaardere aansluiting op het net kunnen krijgen en daarom zelf hun wind- of zonne-energie willen opslaan.

Andere zoutbatterijen
De zeezoutbatterij van Dr Ten van maximaal 24 kilowattuur die kan worden ontladen op het net of op een elektrische auto. 

Met accu huizen verwarmen door waterdamp toe te voegen aan zoutkristallen, worden die groter en komt er warmte vrij. Om het systeem vervolgens weer op te laden, worden die zoutkristallen van het water gescheiden en krijgen ze hun oorspronkelijke formaat terug. In Eindhoven gaat Cellcius in een aantal woningen een prototype plaatsen. 

De Battolyser met nikkel ijzer elektroden (2021)

heeft elektroden van nikkel en ijzer. Zulke batterijen bestaan al sinds de 19e eeuw, maar bleken toen gevaarlijk omdat ze zuurstof en waterstof produceren. Maar dat ongewenste bijproduct in deze tijd juist gewenst. Wij willen dat de elektroden zo groot mogelijk zijn, zodat er veel elektriciteit opgeslagen kan worden en daarmee kan je ook veel efficiënter waterstof maken. 

Een Battolyser kan de energie uit wind en zon maximaliseren. Het is een batterij die nooit vol raakt én een elektrolyser die zo flexibel is als een batterij in één. Het kan groene waterstof produceren als er een overvloed aan duurzame stroomopwekking is en het kan stroom terug leveren aan het net als er een tekort is. Dat resulteert in betaalbare waterstof terwijl het licht aan blijft." (2022)

AquaBattery op zoutwater

Bij de Aquabattery wordt met overtollige wind- of zonne-energie 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. 
Je kan er langdurig energie mee opslaan.  Het is in ontwikkeling. (2023)

Supercondensator uit roet, water en cement. (2023)

Zo'n stuk beton van 45 kubieke meter zou zo’n 10 kilowattuur energie kunnen opslaan. Dat is ongeveer net zoveel als een gemiddeld huishouden dagelijks verbruikt. Een huis met zo’n fundering zou dan één dag aan energie kunnen opslaan die bijvoorbeeld wordt opgewekt met zonnepanelen.

Auto opladen tijdens het rijden
Een andere toepassing van het betonmengsel vinden de onderzoekers in het bouwen van wegen. De weg, met daarin de supercondensator, zou energie kunnen opslaan die bijvoorbeeld met zonnepanelen of windmolens langs de weg wordt opgewekt.De weg met de supercondensator geeft de energie weer door aan elektrische auto’s met dezelfde soort technologie die wordt gebruikt om een telefoon draadloos op te laden.

Bij de supercondensator (een soort batterij) gebeurt dat met twee geleidende platen die ondergedompeld zijn in een elektrolyt. Het kan relatief snel ontladen.

Oplossing voor defecte cellen in een batterij 

Duitse onderzoekers hebben een slimme batterij voor elektrische auto’s ontwikkeld. Bij een defect hoeft daardoor niet de hele batterij meer vervangen te worden. Dat kan de kosten flink drukken.

Een batterij kan uit meer dan honderd cellen bestaan. Maar als een van die cellen stuk gaat, dan moet de hele batterij vervangen worden. Dat komt doordat de afzonderlijke cellen van een batterij in serie zijn geschakeld. Daardoor is de capaciteit zo groot als de zwakste cel toelaat. Als die stuk is, is dat 0. De auto valt stil of start niet meer.

Onderzoekers van het Fraunhofer-instituut in Stuttgart hebben daarom een batterij ontwikkeld waarin elke cel een ingebouwde microcontroller heeft. Die registreert onder meer de temperatuur en de oplaadstatus van de cel.

Bovendien zijn de cellen met elkaar (en met de boordcomputer) verbonden. Als een cel het laat afweten, dan wordt die automatisch afgekoppeld en nemen de andere cellen het via slimme sturing over. Hun capaciteit kan momenteel met 4 procent vergroot worden.

Die slimme cellen maken de batterij stukken goedkoper, zeggen de onderzoekers. Dat komt enerzijds doordat de cellen niet meer op gelijke capaciteit hoeven te worden gesorteerd voor productie, en dat bij een kapotte cel niet de hele accu hoeft te worden vervangen. Voordeel voor zowel de producent als voor de gebruiker.

Het prototype is klaar. De onderzoekers moeten de elektronica nu voldoende verkleinen zodat die in de cellen past.

Thuis- en buurt accu's
 
 
 In Nederland stonden in 2023 vorig jaar tussen de 5.000 en 10.000 thuisbatterijen opgesteld. Dat is nog niets vergeleken met omliggende landen. In Duitsland werden in het afgelopen jaar 573.000 nieuwe thuisbatterijen geïnstalleerd en staan er nu 1,1 miljoen. 
Door met je thuisbatterij te handelen op onbalans verlaag je je energierekening drastisch én draag je bij aan de energietransitie.
Dat kan je niet zelf maar dankzij de samenwerking tussen aanbieder van dynamische energiecontracten Frank Energie en drie Nederlandse leveranciers van thuisbatterijen: Bliq, Charged en Accuselect kan dat wel. Ook Zonneplan biedt deze mogelijkheid aan. (2024)

“Powerwall” van Tesla of  de“MyReserve” van SolarWatt in samenwerking met BMW voor zo’n € 3000,-. Het Duitse sonnen, producent van thuisbatterijen, heeft een investeringsronde van € 60 mln succesvol afgesloten. De investeringsronde werd geleid door Shell Ventures.

De introductie van huisaccu’s is een grote stap naar een transformatie van de energie-infrastructuur in de wereld. Huishoudens die zelf energie opwekken, worden met een accu steeds minder afhankelijk van energieaanbieders. Nederlanders die stroom geleverd krijgen van een leverancier, hebben voorlopig nog geen voordeel van een huisaccu”, zegt Paul van Selms van het consumentencollectief UnitedConsumers.

“Huishoudens die zelf stroom opwekken, kunnen door de huisaccu honderden euro’s besparen. Niet alleen de leveringskosten dalen, maar ook de hoge belasting hierop. Omgerekend valt bijna 50% belasting weg voor de thuisproducent van stroom. De huisaccu is ook voordeliger dan het terugleveren van stroom aan het net, ook wel de salderingsregeling genoemd,” aldus van Selms.

Er is echter een verschil tussen de thuisaccu's. Het apparaat van Tesla werkt alleen met systemen van bepaalde fabrikanten. De accu van MyReserve werkt met alle systemen. Ook bijvoorbeeld met de omvormers van zonnepanelen die mensen nu al in huis hebben.

Of een thuisaccu rendeert hangt van de situatie af.  Wie op dit moment stroom teruglevert aan het net, krijgt daarvoor tot het totaal van zijn stroomverbruik het volledige bedrag, inclusief belasting, terug, door middel van salderen. Lever je meer terug dan je verbruikt, krijg je veel minder vergoed. Vanaf dat moment, of als salderen wordt aangepast of verdwijnt, wordt het financieel rendabel om zelf een accu te hebben. In de andere gevallen geeft de thuisaccu vooral meer zekerheid en flexibiliteit.

Helemaal 'off the grid' is echter nog niet mogelijk. Dat kan voor 80 procent, maar voor ongeveer 20 procent van de tijd heb je het stroomnet nog wel nodig. In de winter produceer je bijvoorbeeld niet genoeg stroom met je zonnepanelen.

De huishoudens in Nederland met een piek-dal tarief betalen tijdens het daltarief gemiddeld zo’n 2 cent per kWh minder dan in het piektarief. Het opladen van de huisaccu tijdens daluren, om deze stroom vervolgens in de piekuren te gebruiken, loont nauwelijks om de investering van zo’n € 3000,- terug te verdienen.

Batterijen uit de Nissan leaf voor woningen

In 2018 worden in Voorhout 33 woningen opgeleverd met een xStorage-thuisbatterij van Nissan voor de opslag van zonne-energie. De batterijen zijn gemaakt van gebruikte batterijmodules uit de elektrische Nissan LEAF. Door deze componenten als thuisbatterijen in te zetten voor de opslag van zonne-energie krijgen ze een tweede leven. 

Buurtbatterij

buurtbatterij

Voor het eerst in Nederland wordt een buurtbatterij in een wijk ingezet. In de buurtbatterij wordt zelf opgewekte zonne-energie opgeslagen als je die niet gebruikt. Op het moment dat je de stroom nodig hebt, kan je die er weer af halen. In het dorp in Haarlemmermeer testen 35 huishoudens het komende jaar deze unieke batterij samen met Lyv smart Living, netbeheerder Liander en Tegenstroom, het lokale energiebedrijf van de gemeente Haarlemmermeer.

Het energiemanagementsysteem met een bijbehorende app registreert als energie wordt opgeslagen in de buurtbatterij en wanneer de bewoner die er weer af haalt. Aan de hand van het actuele energiegebruik van de bewoners en de hoeveelheid opgewekte energie wordt bepaald of de energie het beste gebruikt, opgeslagen of teruggeleverd kan worden aan het net. Als een bewoner in de wijk energie nodig heeft dan levert het systeem zijn resterende deel uit de batterij terug. Zo kunnen bewoners maximaal hun eigen opgewekte energie gebruiken en wordt het energienet ontlast.

De hoge aanschafkosten en de sterk wisselende stroomprijzen maken de opbrengsten en dus de exploitatie van buurtbatterijen onzeker. Maar de schaalgrootte van een buurtbatterij maakt het, in tegenstelling tot een thuisbatterij, beter mogelijk de elektriciteitsmarkt op te gaan. (2023)

Batterijen bij energiecentrales of zonneparken

Eén megawatt is genoeg om duizend huishoudens tegelijk van elektriciteit te voorzien.

Energiebedrijf Engie gaat 50 miljoen euro steken in een batterij met een opslagcapaciteit van 100 megawattuur bij Lelystad. Vermogen 35 megawatt. Het bedrijf wil er vooral de eigen zonnestroom in opslaan. Klaar in 2025. In 5-15 jaar terugverdiend.

Bij Tennet, de beheerder van het hoogspanningsnet, liggen momenteel voor 68 gigawatt aan aanvragen voor aansluiting van batterijen op het hoogspanningsnet. Dat is 1943 keer het vermogen van de Engie-batterij die in Lelystad komt.

Enorme boiler

Vattenfall wil een elektrische boiler bouwen met een vermogen van 150 megawatt (MW). De elektrische boiler kan alleen draaien als de geleverde stroom duurzaam is. Het mes snijdt aan twee kanten: door de boiler aan te zetten als er een teveel is aan veel zonne- en windstroom, hoeven windturbines en zonneparken op zulke momenten niet afgeschakeld te worden. Daarnaast is de stroomprijs dan laag. De warmte gaat naar inwoners van Amsterdam, Almere en Diemen.

S4 Energy opslagsysteem

Netbeheerder Tennet neemt een innovatief opslagsysteem in gebruik in Almelo, dat frequentieschommelingen in het hoogspanningsnet sneller moet dempen. Dit helpt de netbeheerder om het net voor te bereiden op de toename in zonne- en windenergie. Daarnaast maakt het opslagsysteem virtuele energiecentrales mogelijk.

Het opslagsysteem, geleverd door S4 Energy, is in staat om op hoge snelheid energie op te slaan en weer terug te leveren aan het net. Daarmee worden frequentieschommelingen op het hoogspanningsnet gedempt. Dit met Kinext-vliegwieltechnologie dat voor kortere perioden instantaan vermogen kan leveren, zonder capaciteitsverlies. De batterijsystemen hebben een grotere capaciteit, maar degraderen snel als die veel en vaak wordt aangesproken. De twee vullen elkaar dus perfect aan. Via de Kinext-unit kunnen we met dit systeem continu vermogen leveren; bij langdurige frequentieafwijkingen kan de batterij ingeschakeld worden. Daardoor gaan de batterijen langer mee en heeft het systeem een gegarandeerde levensduur van meer dan tien jaar. Het biedt ook mogelijkheden tot virtuele energiecentrales: Op termijn gaan de klassieke energiecentrales verdwijnen. Daar komen meerdere, kleinere energieproducenten voor terug, met name zonne- en windparken. Door die met dit type opslag te combineren en optimaal in te regelen, kun je als het ware ‘virtuele centrales’ creëren.

Zandbatterij

Tampare Finland: In het systeem verwarmen elektrisch aangedreven weerstandsverwarmingselementen de lucht tot meer dan 600°C. De hete lucht wordt gecirculeerd door een netwerk van leidingen in een met zand gevuld warmteopslagvat. De hete lucht stroomt vervolgens terug uit het vat in een warmtewisselaar, waar het water verwarmt dat vervolgens door de verwarmingssystemen van het gebouw wordt gecirculeerd. De warmteopslagcapaciteit van het zand zorgt ervoor dat zelfs als de weerstandselementen koel zijn, de circulerende lucht nog warm genoeg is om het water (en gebouwen) warm te houden.

zandbatterij1 Zandbatterij2

Om de nadelen van het opslaan van warmte in water te vermijden, veranderden ze in zand - 42 ton ervan! Nadat de zon ondergaat, wordt de opgeslagen warmte van het zand geleidelijk weer afgegeven aan de circulerende luchtstroom. Hierdoor blijft de lucht warm genoeg om een ​​constante temperatuur te behouden in het water dat door de radiatoren van de klant stroomt. Op deze manier zorgt zand ervoor dat zonne-energie mensen warm kan houden, zelfs tijdens de donkerste en koudste Finse nachten. "Zand biedt vier keer de energieopslagcapaciteit van water", zegt Eronen. "Zand is efficiënt, niet-toxisch, draagbaar en goedkoop!"

Het team berekende dat voor het leveren van warmte aan een district van 35.000 mensen een met zand gevulde opslagcilinder nodig zou zijn met een hoogte van 25 meter en een diameter van 40 meter.

"Tampere heeft, net als veel Europese steden, al een stadsverwarmingssysteem dat het water door hele wijken laat circuleren", zegt Eronen. "Daardoor kunnen we veel gebouwen snel omschakelen naar een hernieuwbare warmtebron", zegt hij. De proeffabriek van Polar Night Energy in Tampere kan ook gebruikmaken van stroom van het bestaande elektriciteitsnet, samen met elektriciteit die wordt opgewekt door nieuwe zonnepanelen. Betrouwbare thermische opslag stelt de stad in staat om stroom op te wekken of in te kopen wanneer dit het meest betaalbaar is en vervolgens warmte te distribueren wanneer dit het meest nodig is.

Aluminium batterij

Een blok aluminium van een kubieke meter kan zo’n 23,5 megawattuur energie opslaan – goed voor de energie van een huishouden voor 2,2 jaar. Deze opslagcapaciteit is maar liefst vijftig keer groter dan een lithium-ion batterij van dezelfde grote. Grote blokken zijn alleen wel lastig te hanteren en daarom wordt nu overgestapt op aluminium balletjes.(2022). Die kan je in de vrachtwagen rijden naar plekken waar energie nodig is. 

Met hernieuwbare energie wordt aluminiumoxide of aluminiumhydroxide omgezte in elementair aluminium. Hiervoor is 800 graden  nodig is. Het resultaat: ‘geladen’ aluminium. Wanneer dit wordt behandeld met een chemisch mengsel komt er waterstof en warmte vrij. Dit kan eeuwig herhaald worden en aluminium is makkelijk verkrijgbaar. 

Tin en koolstof batterij (2023)

Je kan met elektra uit zon en wind vloeibaar tin te verhitten en daarmee grafiet verwarmen. Zo hoog dat ze gaan gloeien. Het ontladen gebeurt door speciale warmtecellen (thermofotovoltaïsche cellen) die van de warmte elektriciteit maken. 

Door de hoge energiedichtheid tien keer goedkoper is – met een prijs van zo’n 25 dollar (ongeveer 23 euro) per kilowattuur elektrische energie – dan lithium-ion-batterijen.

Smart grid

Het grillige aanbod van duurzaam opgewekte energie uit zon en wind en het feit dat opslag van overtollige energie duur is, zijn de grootste bottlenecks voor de opmars van hernieuwbare energievoorziening. 

Het doel van smartgrids is aanbod en vraag op elkaar af te stemmen, een vereffening van de pieken op korte termijn.
 
Daarbij worden in eerste instantie de fluctuaties van de aangeboden energie en afname bijeengebracht (bijvoorbeeld wassen als de zon schijnt en vereffening op wijkniveau). Daarnaast kan overtollige energie worden opgeslagen in korte termijn opslagsystemen zoals thuisaccus of accus in voertuigen.
 
Op het schema zie je een nano-grid, dat is een smartgrid op gebouwniveau. Dit systeem regelt korte-termijn-energieopslag in de warmtapwaterboiler op het moment dat er een overschot is aan elektrische energie. Hierdoor vlakt dit systeem pieken en dalen in de energievoorziening gedurende één of meer dagen uit en wordt er minder gesaldeerd.  De boiler en de pv-installatie moeten hiervoor wel op dezelfde fase staan. De kosten voor dit systeem zijn lager dan een zonnecollector. Dit nano-grid systeem is ook goed aan te sluiten op een microgrid (smartgrid op wijkniveau).

smart grid

Voor een smart grid zijn dikkere kabels nodig. Energieopslag met accu's of waterstof. Meedenkende apparaten en niet dat allerhande elektrische auto's op hetzelfde moment gaan opladen wanneer b.v. half Nederland gaat koken. Auto's die zelf stroom terugleveren als dat nodig is. Daarvoor is kunstmatige intelligentie nodig. Bij een varabele stroomprijs kunnen apparaten zich aanschakelen als de stroomprijs laag is. Maar als bij een lage prijs alle auto's zich beginnen op te laden heb je weer een ander probleem. De stroom zal soepel en eerlijk verdeeld moeten worden op buurtniveau zonder overbelasting. Het systeem moet de weersverwachting zien en de wensen van de gebruikers kennen en de netcapaciteit,. 

Large Scale Energy Storage.

Bij de productie van duurzame energie heb je een mismatch tussen elektriciteitsvraag en -aanbod, en dus onvermijdelijk periodes van goedkope en dure elektriciteit. Opslag (van elektronen) is dan de oplossing

b.v 

- in kleinschalige systemen, zoals vliegwielen en batterijen of
- in de vorm van chemische verbindingen, als CH4, of meststoffen, plastics of waterstof.
- in sommige metalen als aluminium, titanium of zink, ijzer. Je maakt zuiver aluminium als er veel elektriciteit op het net zit en je laat het weer oxideren als energie nodig is.

Het nadeel is dat ze per liter maar weinig energie bevatten en dsu enorme opslagvolumes vergen.

Waterstof

Hierbij wordt eerst water met  elektriciteit ontleed in waterstof. Waterstof kan weer gekoppeld worden aan CO2, om daarmee efficiëntere energiedragers te maken.

Methaan

Uit CO2 en HUit biomassa kan CO2 worden gewonnen door verbranding en CO2-afvang. Deze CO2 vormt dan weer de grondstof voor methaanproductie. Onze huidige gasinfrastructuur kan grote hoeveelheden opslaan. In tijden van schaarste aan duurzame bronnen kan methaan met gasturbines weer in elektriciteit worden omgezet.’

Elektrochemie

Gebruik elektriciteit direct om CO2 via elektrochemie om te zetten in de gewenste moleculen. Het hart hiervan vormt de elektrochemische cel. Het potentieel van deze elektrochemische technologie is groot, omdat de selectiviteit hoog kan zijn en de procescondities zeker qua temperatuur niet extreem uitdagend.

E-Refinery

is een samenwerking van materiaalkunde, katalyse, elektrochemie, transportverschijnselen, reactorkunde, energietechnologie en proces-systeem-integratie, tot aan inbedding in onze nationale infrastructuren via systeemstudies om energie op te kunnen slaan. Hierbij wordt de fluctuerende elektriciteitsproductie, CO2-vangst, de primaire conversie, verder productscheiding en -zuivering, opslag en transport en productgebruik in verschillende sectoren geintegreerd.

 

Tesla leverde in 2017 in Zuid-Australië een opslagbatterij van 100 megawatt capaciteit. 
Een gezin heeft 26.000 MJ energie nodig als je van het gas af bent. = 500 MJ per week. Een batterij kan 0,5 MJ / kg opslaan. Voor één week heb je dus 1000 kg batterijen nodig (als er geen zon schijnt of wind waait).
Nederland verbruikt jaarlijks 450 miljard MJ elektrische energie = 1 miljard per minuut = 2 miljoen kg lithiumbatterijen per minuut.

Compressed air energy storage

De door Storelectric gebruikte technologie betreft Compressed Air Energy Storage. Hierdoor kan een overschot aan wind- of zonne-energie opgeslagen worden voor momenten dat de wind niet waait of de zon niet schijnt. Dat gebeurt onder de grond. Daar wordt de overtollige energie gebruikt om lucht onder hoge druk in een zoutcaverne, een ondergronds reservoir, te bewaren. De lucht wordt dan samengedrukt om energie op te slaan. Wanneer je de energie nodig hebt, laat je de lucht weer vrij. Door het drukverschil ontstaat opnieuw bruikbare energie.

CAES

In Utah is men in 2019 gestart met een grote opslag

Met de waterstof, grote batterijen, brandstofcellen en Compressed Air Energy Storage (CAES) moeten jaarlijks 150.000 huishoudens van duurzame energie voorzien worden. Bij de laatste techniek wordt het overschot aan wind- of zonne-energie in de vorm van samengeperste lucht opgeslagen onder de grond. De capaciteit is 1000 MW. In Nederland doet de NAM op dit moment onderzoek naar de toepassingen van CAES.

COcompressie (2024)

Je kan koolstofdioxide in gas en in vloeibare vorm. In een grote koepel. Met de energie van windmolens en zonnepanelen wordt het gas samengeperst tot een vloeistof. Bij die compressie komt veel warmte vrij, en die warmte wordt opgeslagen. Deze twee stappen vormen het oplaadproces van de batterij..

Opslag met een heel zwaar gewicht.

Het Britse bedrijf Gravitricity is bezig met een groot gewicht in een oude mijnschacht energie op te wekken. Door het gewicht te laten zakken of op te hijsen, wordt energie opgeslagen of komt het juist vrij.

Lift energy storage

Via Lift Energy Storage System kan je bij een overschot aan duurzame energie liften in wolkenkrabbers inzetten om zware objecten (zoals zakken gevuld met nat zand) naar boven te vervoeren. Bij een tekort aan energie gaan de zwaar beladen liften weer naar beneden. Tijdens de afdaling fungeren de regeneratieve remsystemen van de liften als dynamo’s, die energie opwekken en terugleveren aan het elektriciteitsnet.

De meeste liften beschikken al over dergelijke remsystemen, maar volgens de wetenschappers kunnen oudere liften er gemakkelijk en goedkoop mee uitgerust worden. Algoritmes kunnen bepalen wanneer de lift omhoog en omlaag moet.(2022)

Vallend water

Met twee grote waterreservoirs - de een 1.400 meter onder de grond, de andere aan het oppervlak - wil Zuid-Limburg misschien energie gaan opslaan. Het gaat om een nieuwe combinatie ‘van bestaande mijnbouwtechnologie en hydrotechnologie.’

Waterkrachtturbines tussen de reservoirs, die stroom opwekken uit vallend water en energie opslaan door hetzelfde water weer omhoog te pompen, verzorgen de energieopslag. Net zoals bijvoorbeeld bij stuwmeren in Scandinavië en de Alpen. De Limburgse ondernemer verwacht dat de OPAC, Ondergrondse Pomp Accumulatie Centrale, € 1,5 tot € 1,8 mrd zal kosten. Adviesbureau EY rekent op basis van een financiële studie op 10,2 procent rendement op eigen vermogen.

Energieopslag in zoutcavernesmet perslucht

Chemieconcern AkzoNobel onderzoekt in Groningen en Twente kansen om energie op te slaan in zoutcavernes. Het bedrijf wil daarvoor, bijvoorbeeld met overtollige wind- en zonne-energie, lucht samenpersen in de bodem.

Energieopslag op basis van het concept Compressed Air Energy Storage (CAES) wordt al toegepast in de Verenigde Staten en Duitsland. Met grote compressors, die draaien op tijdelijke overschotten aan stroom, worden grote ondergrondse holtes onder druk gebracht met gewone lucht. De energiesystemen kunnen honderden megawatts leveren.

Wanneer er behoefte is aan stroom, dan vliegt de perslucht via een turbine weer naar buiten. De installaties in Duitsland en de VS gebruiken daarbij ook aardgas, om de lucht te verwarmen en van extra energie te voorzien. Ten opzichte van een gewone elektriciteitscentrale op aardgas, leveren de CAES-centrales drie tot vier keer meer elektriciteit per kuub aardgas.

 Bij energieoverschotten kan je ook energieintensieve chemicalien gaan maken. Siliciumcarbide maken kost heel veel energie (net als ammoniak en choor). Het is goed aan en uit te schakelen. Fabrieken gebruiken het al. Bij overschot aan energie is de prijs laag en maken ze veel Silicium Carbide. Daarna schakelen ze het proces uit. Of opslag in waterstof of methaan. Maar dan moeten er wel dikke kabels lopen naar de bedrijven die er mee aan de slag gaan.

Of de energie gebruiken om met warmtepompen of compressie laagwaardige restwarmte of stoom om te zetten in hoogwaardige.  

Ook valt te denken aan het gebruik van elektriciteit voor membraaninstallaties die processtromen ontwateren en zo een alternatief voor droogtorens vormen. De membraaninstallaties draaien op stroom, de droogtorens op stoom.

Opslagsysteem Cesar

Normaal kost batterijopslag 20 cent per kilowattuur en met Cesar nog maar een paar cent. Daarnaast is de capaciteit van een batterij relatief beperkt in vergelijking met het systeem van Van Nimwegen. Plus: er zitten geen smerige materialen in.

Een oude zeecontainer, veertig kubieke meter basalt, steenwolisolatie en kronkelende stalenbuizen. Elektriciteit wordt door de buiswanden geleid. Door de wrijving ontstaat warmte. Op die manier warmen de stenen rondom de buizen op en wordt energie in de vorm van warmte opgeslagen. De steenwol isoleert, waardoor de stenen de warmte vasthouden. Als Van Nimwegen vervolgens de warmte wil winnen, dan blaast hij lucht door de buizen. Dan komt die hete lucht eruit.  

Aangezien er geen mechanische snufjes aan te pas komen, zijn de onderhoudskosten laag. Ook de materialen gaan lang mee. Zo kan staal zeer hoge temperaturen aan, terwijl de buizen in Van Nimwegen’s systeem slechts temperaturen van circa 500 graden te verduren krijgen. Qua onderhoud verwacht hij dat alleen af en toe een pompje vervangen moet worden. Op die manier kan Van Nimwegen 10.000 kilowattuur aan energie als warmte opslaan. De initiële kosten: € 50.000. Inmiddels zijn de kosten opgelopen tot € 100.000.

In het ECOdorp Boekel gaat het energieopslagsysteem 36 woningen van verwarming en warm water voorzien. In december vorig jaar hoorden de samenwerkingspartners dat zij in aanmerking komen voor een Europese subsidie vanwege het innovatieve karakter van de wijk. Provincie Noord-Brabant vult de subsidie aan met € 500.000.

Persoonlijk denk ik dat je elektriciteit niet in warmte moet omzetten.

Opslag in stenen van 600 graden

Test Facility In Denmark To Be Proof Of Concept For High Temperature Thermal Energy Storage Using Stones As Storage.

Voor toekomstige theoretische opslag in Denemarken heeft de technische universitaire DTU opslagbehoeften geïdentificeerd van 10% van 1,4 GW baseload in 2035: 830 uur per jaar op volledige capaciteit (> 300 MWh opgeslagen en gemiddeld per dag vrijgegeven). Opslagvereisten zijn gelijk aan 1 opslagoplossing van 1,227 miljoen kubieke meter (bijvoorbeeld 600 bij 200 bij 10 meter). De opslagoplossing kan vrijwel onzichtbaar zijn in de omgeving.

Opslag in zand

Door zand warm te maken en in gigantische thermosflessen op te slaan kun je een heleboel (duurzame) energie opslaan. Zand kan een heleboel warmte vasthouden. Iedereen die wel eens op een strand loopt in een zonnig land kan dat beamen. Door elektrische stroom te gebruiken om warmte te genereren, en zandkorrels langs deze warme elementen te laten lopen (de onderzoekers vergelijken het met een groot, heet broodrooster) warmt het zand op tot 1.200 graden Celsius.

Vervolgens wordt het in silo’s gestort die een isolatielaag hebben. Deze silo dient als thermos en zorgt dat het zand het grootste deel van de hitte bewaart. Als er na een paar uur behoefte is aan meer elektriciteit dan de duurzame bronnen kunnen leveren, gaat het zand uit de silo langs een warmtewisselaar om zo warmte of stroom te leveren. Maar de energiedichtheid is vele malen lager dan bij lithiumbatterijen. Dat is echter alleen een probleem als je een eigen batterij bij je huis wilt hebben. Als energieopslag centraal geregeld is, kunnen er een paar zandsilo’s bij windparken of zonnecentrales komen te staan, waar vaak ruimte genoeg is.

Basalt accu

 Zie hier

Opslag in blokken koolstof.(2022)

De batterijen van Antora kunnen veel meer dan alleen energie uit zon en wind opslaan voor elektriciteit. Het opslagsysteem zet namelijk energie om in warmte en slaat dit op in geïsoleerde massieve koolstofblokken. De interne temperatuur loopt zo hoog op dat de energie gebruikt kan worden in industriële processen om materialen als staal en cement te maken. Koolstof blijft zijn vaste structuur behouden bij temperaturen tot 3.600 °C, zonder dat materiaal smelt of verdampt.

Gravity power

Gravity Power maakt gebruik van een grote zuiger, ook wel een piston genoemd, die in zich in de ondergrondse schacht van de Gravity Power Plant op en neer beweegt. Het principe van Gravity Power’s pompcentrale is verder hetzelfde als die van traditionele pompcentrales.

Bij traditionele pompcentrales wordt energie verbruikt door water naar een hoger niveau te pompen. Als er weer energie geleverd moet worden, stroomt het water terug naar het lager gelegen niveau, waarbij het een turbine aandrijft die weer elektriciteit opwekt.

Voor de oplossing van Gravity Power geldt hetzelfde principe, maar in plaats van water naar een hoger niveau te pompen wordt de piston omhoog gepompt. Als de vraag naar energie hoog is, daalt de piston weer en genereert het water elektriciteit door een ondergrondse turbine aan te drijven.

Energiedragers

Ammoniak

In  hoeverre is ammoniak NH3 de ideale energiedrager ? Het kan gemaakt worden uit lucht (als stikstofbron en water als waterstofbron. volgens het Haber bosch proces. Bij de verbranding van ammoniak komen alleen onschadelijke producten vrij als water en stikstof. Geen kooldioxide. In tegenstelling tot waterstof is ammoniak gemakkelijk op te slaan in tanks onder beperkte druk is het vloeibaar en het is gemakkelijk te transporteren. Het lijkt een ideale energiedrager. 

Bij overschotten aan productie van duurzame energie kan men ook de overschotten met andere landen uitwisselen, kan men de elektriciteitsvraag trachten flexibel te sturen, kan men opslaan in batterijen of tijdelijk windmolens en zonnecellen afschakelen. ook kan men Power to Gas (P2G) inzetten maar dit is duur en als hetl wordt ingezet voor de productie van CO2-vrije brandstof, dan kan het flexibel opereren van de P2G installatie wel extra baten opleveren. Sowieso is volgens ECN nader onderzoek nodig om de technologie op de langere termijn rendabel te maken. Nu is dat nog niet het geval.

Stikstof zit in de lucht en als de waterstof met duurzame elektriciteit geproduceerd wordt, is het ammoniak emissievrij.  Bij verbranding komen er alleen stikstof en waterstof uit de schoorsteen of uitlaat.

Vier grote maritieme bedrijven slaan in 2020 de handen ineen om een tanker te bouwen die kan varen op ammoniak. Ammoniak werkt zowel in een verbrandingsmotor als in een brandstofcel; die laatste techniek werkt ongeveer hetzelfde als een waterstofauto. Uit een Nederlandse studie vorig jaar bleek dat de brandstofcel de meest efficiënte manier is om ammoniak te gebruiken. Op dit moment levert de brandstofcel echter niet genoeg vermogen om een oceaantanker aan te sturen. Dus en wil gaan bijstoken. Als je stikstof uit de lucht laat reageren met waterstof die je duurzaam hebt opgewekt tot ammoniak kan je die weer verbranden.

IJzerpoeder als energiedrager

Team Solid van TUe is er mee bezig. Een ppt is hier te zien. 

solid

Metaalpoeder wordt in een cyclus gebruikt. Laten we beginnen met roest. Wanneer we energie toevoegen aan de roest, bij voorkeur duurzame energie, verandert de roest in ijzer. In dit ijzerpoeder wordt de energie vervolgens opgeslagen. Dit poeder kan eenvoudig in een container naar de andere kant van de wereld worden getransporteerd. Of u kunt het opslaan van de zomer tot de winter. Vervolgens kan het ijzer worden verbrand. Door het ijzer te verbranden, komt er energie vrij (een vlam is heet). Deze energie kan worden gebruikt om een wijk van elektriciteit te voorzien, een trein te bedienen of een schip te bevaren. Wanneer het ijzerpoeder wordt verbrand, wordt het de roest waarmee we zijn begonnen. Op deze manier wordt een duurzame cyclus gecreëerd, waar we energie toevoegen wanneer we te veel hebben en energie krijgen wanneer we niet genoeg hebben.

Het ijzer dat gebruikt wordt voor dit soort batterijen is relatief goedkoop en op grote schaal beschikbaar. Bovendien is de batterij, die naast ijzer gebruik maakt van water en lucht, vrij van schadelijke stoffen.

Een nadeel is dat het op- en ontladen van een ijzer-luchtbatterij lang duurt. Wat een lithiumbatterij in een paar uur doet, doet deze batterij in zo’n vier dagen. Toch kan dit nadeel in bepaalde situaties juist voordelig werken. Zo kan de ijzer-luchtbatterij gedurende een reeks zonnige dagen hernieuwbare stroom opslaan uit zonnepanelen. Volgt een periode van regenachtig weer dan kan een energieleverancier juist leunen op de lange ontladingstijd.

In de V.S. gaan ze wasmachine-achtige modules plaatsen op een gebied van 2 hectare om 10-1000 MW op te kunnen slaan. Dat is veel ruimte, als je het vergelijkt met eenzelfde opslag capaciteit met lithium batterijen. Toch is de batterij 90 procent goedkoper dan lithiumbatterijen. (2023)

Most (Molecular Solar Thermal Energy Storage Systems).(2022)

Een molecuul dat bestaat uit koolstof, waterstof en stikstof verandert van in een energierijk isomeer door zonlicht. Via een minichip kan de bespaarde energie als warmte omgezet worden en zet de chip de temperatuurverschillen om in elektrische energie. 

Batterijopslag

Kolenmijn als batterijopslag

De Prosper-Haniel kolenmijn in de Duitse staat Noordrijn-Westfalen wordt ingericht als een waterkrachtreservoir, dat fungeert als een opslagbatterij. De opslagfaciliteit krijgt genoeg capaciteit voor de energievoorziening van 400.000 huishoudens.

De oude mijn wordt uitgerust met turbines aan de voet van de mijnschachten, die energie opwekken als er een tekort is aan wind- en zonne-energie. Het wordt mogelijk om 1 miljoen kubieke meter water 1.200 meter diep in de mijn te storten.

batteries
2016 -  Er komt onderzoek naar de mogelijkheden om auto-accu’s aan het einde van hun automotive levensduur te hergebruiken door ze in te zetten in de energieketen voor energieopslag. Het unieke aspect hierbij is de integratie tussen twee ketens. Enerzijds de afvalketen - het ophalen en verwerken van de batterij - en anderzijds de energieketen, waarbij gebruikte accu’s in een ‘power tower’ worden geplaatst met als doel om energieoverschotten uit zonne- en windenergie tijdelijk op te slaan of om spanningspieken mee af te vlakken.

Betonblokken batterij

energy vault

energyvault2

Als je energie over hebt hijs je betonblokken op in een toren. Als je energie nodig hebt laat je de blokken zakken waarmee je elektriciteit kunt opwekken. 

Grindtreinen bergop en -af

gindtreien

Underground Gravity Energy Storage

Wanneer het aanbod hernieuwbare energie hoog is en de energieprijzen laag zijn, wordt het zand van de mijn hoog naar het bovenste gedeelte van de schacht getakeld met behulp van elektromotoren. Is de energie nodig, dan worden de zware zandzakken terug de schacht in gezakt. Dankzij de wrijving met een reeks remmen zorgt de zwaartekracht ervoor dat er energie wordt opgewekt. Hoe dieper de mijnschacht, hoe meer energie je kunt opslaan.

De techniek is volgens de wetenschappers kostenefficiënt, omdat mijnen al de basisinfrastructuur en aansluiting op het net hebben.

Het Amerikaanse Sage Geosystems slaat energie op door water onder hoge druk in scheuren in de grond te pompen. Is de energie weer nodig, dan laat het systeem het water weer ontsnappen langs een turbine waarmee het elektriciteit opwekt.(2023)

Batterij recycling 

Tesla beweert dat het met zijn eigen recyclingproces 92 procent van de materialen in een autobatterij kan terugwinnen. Ze willen er fabrieken voor gaan opzetten.(2021) In 2022 werd 83 % van de batterijen uit auto's hergebruikt.

Het netjes recyclen of hergebruiken van batterijen is doorgaans namelijk niet winstgevend. Er zijn wel voorbeelden (zoals de Amsterdam Arena, die een deel van zijn stroom uit gebruikte autobatterijen haalt), maar ze zijn schaars. Het grootste deel van de batterijen belandt uiteindelijk dus op de vuilnisbelt. Zelfs als ze gerecycled worden kost dat proces veel geld en energie, wat een batterij onderaan de streep minder duurzaam maakt.

De onderzoekers uit Finland haalden de lithium-elektrode van batterijen af en onderwierpen hem aan elektrolyse. Door dit proces groeide er een nieuw laagje lithium op de versleten elektrode, en werkte hij ‘bijna’ zo goed als een nieuwe batterij. Het proces is volgens de onderzoekers relatief eenvoudig.

Voor recyclingbedrijven is dit erg interessant, omdat de techniek recycling van batterijen betaalbaarder maakt. En omdat de vraag naar batterijen de komende jaren waarschijnlijk sterk groeit, kan dat lucratief zijn voor afvalverwerkers.

Recyclen door de elektrode te verfrissen (2021)

Finse onderzoekers ontdekten een manier om een batterij veel eenvoudiger op te frissen, door de lithium-elektroden van een nieuw laagje te voorzien. Hierdoor werkt de batterij (bijna) net zo goed als een nieuwe accu.

Groot recyclingbedrijf in Rotterdam (2021)

Het Singaporese bedrijf TES opent in de haven van Rotterdam een grote fabriek om elektrische autobatterijen te recyclen. In een loods van 10.000 vierkante meter komen straks machines die opgebruikte lithiumbatterijen uit elkaar kunnen halen waarna de zeldzame metalen een nieuwe bestemming wacht.

Metalen halen uit batterijen

Leg batterijen in een vloeistof en je kan 95 % van Nikkel, Mangaan en Cobalt terugwinnen. Northvolt. (2021)

Het Japanse bedrijf Emulsion Flow Technologies (EFT) zegt dat het een proces heeft ontwikkeld dat maar liefst honderd keer zo snel kobalt en nikkel kan scheiden uit batterijen voor elektrische voertuigen dan bestaande technieken.(2022)
EFT gebruikt die emulsie vervolgens om kobalt, nikkel en andere metalen uit batterijen te halen, waarbij die bij de extractie als het ware ‘meesurfen’ op de oliedruppels in de emulsie. Daarna wordt de olie op één plek verzameld, waarna de metalen die eraan zijn vastgehecht kunnen worden geëxtraheerd. Als de oliedruppels een uniforme grootte hebben gaat verzamelen sneller. 

Oude batterijen een tweede leven geven

De batterijen van de elektrische bussen van VDL worden gebruikt voor de elektriciteitscentrale in Moerdijk. De 43 batterijen hebben een capaciteit van 7,5 megawatt. De opslagfaciliteit in Moerdijk zal naar verwachting in 2023 in gebruik zijn.

Lithium recycling nu een stuk makkelijker (2023)

In eerste instantie stroomt lithiumhoudend afvalwater van het recyclingproces tussen de anode en het membraan. Dat afvalwater is een mengsel van metalen van versnipperde batterijen. Dat gebeurt in een recyclingbedrijf nadat de plastic onderdelen zijn verwijderd. Dat afval bevat dus ook lithium.

Wanneer elektriciteit door deze waterstroom wordt geleid, bewegen lithium-ionen door het ionengeleidende keramische membraan naar de kathodekamer. Andere ionen en watermoleculen kunnen er niet doorheen. Vervolgens reageert water op de negatieve elektrode met elektronen tot waterstof- en hydroxide-ionen. Deze reageren met lithiumionen tot lithiumhydroxide, het product dat nodig is om nieuwe batterijen te maken.

Batterijrecycling fabriek (2023)

In het zuiden van Duitsland bouwt Mercedes Benz een grote batterijrecyclingfabriek. Het eerste deel van de fabriek, waar gebruikte batterijen volledig ontmanteld worden, wordt dit jaar al in bedrijf genomen en dan volgt pilotopstelling voor hydrometallurgie waarbij metalen in een waterige oplossing teruggewonnen worden. Volgens de autofabrikant kan het daarmee ruim 96 procent van de grondstoffen in batterijen terugwinnen.

Cursus

Bij de cursus installeren van energieopslagsystemen krijgt u de onderstaande onderwerpen. Zie BDA Dak- en Gevelopleidingen in Gorinchem

Lesprogramma over batterijen

Het begint met een lesprogramma over dit onderwerp gemaakt door docent Ruud Spierings, Koning Willem I College.
Onderaan staan alle innovaties op dit gebied.

Inleiding 

Galvanische elementen is de verzamelnaam van wat wij accu’s en batterijen noemen. Vaak wordt er ook het woord cellen gebruikt als men accu’s of batterijen bedoeld. We moeten al direct een onderscheid maken tussen heroplaatsbare en niet heroplaadbare cellen. We gaan in deze workschop bekijken hoe de chemische reacties plaatsvinden en enige schakelingen bekijken.

EMK Een accu of batterij (vanaf nu gebruiken wij het woord cellen) heb je in een schakelschema nodig als spanningsbron. Dit wordt aangeduid met bron (bronspanning) of de elektromotorische kracht. We korten hierna de term elektromotorische kracht af met de letters EMK. Het potentiaal verschil tussen de aansluitingen van een accu, wanneer er geen stroom loopt wordt EMK of bronspanning van de accu genoemd.

Een accu is geen bron die een constante stroom levert. De stoom varieert namelijk met de weerstand van de schakeling. Een accu blijft wel redelijk constant potentiaalverschil. Het potentiaal verschil daalt wel wanneer veel stroom getrokken wordt. Denk maar aan het starten van een auto. Wanneer je start met de koplampen aan dan zie je dat de lampen zwakker gaan branden. Doordat de startmotor veel stroom trekt daalt het potentiaalverschil. Dat het potentiaalverschil daalt heeft te maken met het feit dat de chemische reactie in de accu de niet snel genoeg lading kan leveren. Het niet snel genoeg kunnen leveren heeft te maken met een inwendige weerstand die de lading ondervind tussen de elektrodes in de accu. We duiden deze inwendige weerstand die elke accu heeft aan met de letter r. klemspanningEen accu is dus een EMK (symbool δ) in serie geschakeld met een weerstand r.

Hiernaast zie je dat schematisch weergegeven. We kunnen de klemspanning meten. Wanneer er geen stoom loopt is de klemspanning gelijk aan de EMK (δ). Dus Vab = δ. Ontrekken we nu een stroom I is er een inwendige daling van het potentiaal verschil van Vab = δ-Ir.





Verschillende soorten cellen (accu’s en batterijen). We kunnen twee soorten cellen onderscheiden, namelijk de primaire en secundaire. Primaire cellen zijn chemische spanningsbronnen die stroom kunnen leveren zonder voorafgaande lading. Bij Leclanché-cellen, alkalinecellen, enz. ontstaan, bij het inbrengen van twee verschillende platen in het elektrolyt, ogenblikkelijk een emk. Het zijn primaire elementen. Is de beschikbare elektrische energie afgegeven, dan moet je die primaire elementen vervangen. Het zijn wegwerpcellen. Ze kunnen niet opnieuw geladen worden.

Secundaire elementen zijn ook chemische spanningsbronnen, maar ze kunnen slechts een stroom leveren nadat ze vooraf elektrische energie hebben opgestapeld uit een andere bron. Accumulatoren of afgekort accu's zijn secundaire elementen of herlaadbare cellen. Een galvanisch element (cel) bestaat principieel uit twee geleidende platen (elektroden) uit verschillende materiaal die, zonder dat ze elkaar raken, in een elektrolyt(geleidend zout- of zuuroplossing) geplaatst zijn.

Scheikundige werking


Direct na het inbrengen van een metaalplaat in het elektrolyt ontstaat door de scheikundige werking een spanningsverschil tussen die plaat en het elektrolyt. Tussen 2verdundzwavelzuureen tweede plaat uit het zelfde materiaal en het elektrolyt ontstaat hetzelfde spanningsverschil, zodat tussen beide platen geen spanningsverschil bestaat. Als twee platen uit verschillend materiaal worden geplaatst, dan brengt het elektrolyt de twee platen in een verschillende elektrische toestand t.o.v. het elektrolyt, waardoor tussen de twee platen een emk wordt bekomen. De ene plaat heeft b.v. een hogere spanning t.o.v. het elektrolyt dan de andere plaat waardoor tussen beide platen een spanningsverschil bestaat. Zo is bij de cel van Volta de spanning tussen de twee platen ca. 1V met de koperplaat positief t.o.v. de zinkplaat.  Proeven hebben aangetoond dat de opgewekte emk tussen de twee platen afhankelijk is van het soort elektrolyt en het soort metaal waaruit de platen vervaardigd zijn. Zo zijn, naargelang de gebruikte materialen, verschillende typen van cellen gebouwd. 

De droge cel van Leclanché De cellen met vloeibare elektrolyt worden om het gebruik makelijker te maken vervangen door zogenaamde "droge cellen" De droge cel van Leclanché wordt ook zink-koolcel genoemd. Ze bestaat uit:

Een negatieve elektrode van geamalgameerd zink. Dit is zink dat behandeld is met kwikzilver, om minder door het zuur aangetast te worden. De negatieve elektrode is een cilindervormig doosje en bevat het elektrolyt, de positieve elektrode en de depolarisator.

Elektrolyt: ammoniumchloride(NH4Cl) die , door toevoeging van bv. zaagsel, gelatine of gips vermengd is tot pasta. Er zijn ook stoffen bijgevoegd die de oplossing vochtig houden, bederf voorkomen en de polarisatie tegenwerken.

Een positieve elektrode. dit is een koolstaaf in het midden van het zinken cilindervormige doosje. Om een even goed contact met de stroomkring te bekomen is bovenaan op de koolstaaf een dopje uit messing gedrukt.

De zinken cilinder zit in een isolerend omhulsel en is van boven afgesloten met een laagje pek.3batterij De emk bedraagt 1,5V. Om de cel lekvrij te maken zijn moderne uitvoeringen ingekapseld in een stalen omhulsel

 

Kenmerkende waarden van een cel De emk: De grootte van de opgewekte emk is alleen afhankelijk van de aard van de samenstellende delen. De emk is onafhankelijk van de grootte van de samenstellende delen. Het contactoppervlak van de elektroden met het elektrolyt en de afstand tussen de elektroden hebben geen invloed op de waarden van de emk. Zo heeft een Leclanché-element val elke vormgeving (klein of groot) een emk van 1,5V.

De inwendige weerstand De inwendige weerstand is afhankelijk van:



De regimestroom

De capaciteit

Moderne types van droge cellen

Alkalinecellen

             800px-Alkali battery 5            5alkaline batterij 2

 

Kwikcellen


6kwikcel

Zilveroxydeknoopcellen

   7zinkluchtknoopcel1         8zinkluchtknoopcel2
        

Zinkluchtknoopcellen

De lithiumcellen

9litiumbatterij      10lithuimbatterij                          

11ontladingscurve

Veilig en degelijk gebruik van cellen

 

 

 

 

 

Soorten Accu's.

13accu

.









 

We Kunnen de traktie-accu onderverdelen in de loodzuur accu, calcium accu, GEL accu en de AGM accu.

Loodzuur accu zijn de accu’s gevuld met een elektrolyt (zuur). Deze zijn wel cycli bestendig 300x, maar doordat er gassen vrij komen zijn ze niet zo geschikt voor in de leefruimtes. Deze accu’s hebben afschroefbare doppen om het zuur bij te kunnen vullen. In de schroefdoppen zit een klein gaatje om de gassen te laten ontsnappen.

Calcium accu is in principe als de loodzuur accu, maar is volledig onderhoudsvrij. Deze beter geschikt in leefruimte te plaatsen omdat er niet zo snel gassen zullen ontsnappen.


Gel Accu zijn compleet gesloten accu’s en hoog cycli bestendig (1000x).14accu2Deze accu moet met een speciale gel-lader opgeladen worden om beschadiging van de accu te voorkomen. De oplaadspanning per cel is geringer dan bij een normale accu mogelijk. Bovendien is de temperatuur van de accu van invloed op de maximaal toelaatbare laadspanning. Opladen met een dynamo van een auto is af te raden worden. Deze accu kan veel ontladen worden maar niet diep!

De AGM accu is de nieuwste accu afgeleid van de GEL batterij (600 tot 700x deep-cycle). Deze accu is bestand tegen diep ontladen en kan met een dynamo, zonnepaneel of met een standaard acculader opgeladen worden.

15gelbatterij


Serieschakeling van cellen



Eigenschappen


Formule: Ebat=E1+E2+E3+...


formuleRibat=Ri1+Ri2+Ri3+...

I=Ebat/Rt = Ebat/(Ribat+Ru).

Uvibat=I*Ribat.

Ubat=Ebat-Uvibat.

Voorbeeld -1- Drie cellen zijn in serie geschakeld volgens onderstaande figuur. Bereken de emk van de batterij. De inwendige weerstand van de batterij, de stroom geleverd door de batterij, de klemspanning van de batterij, het inwendige spanningsverlies in de batterij.
17schema

Gegeven: E1=50V,E2=20V,E3=30V,Ri1=5W,Ri2=3W,Ri3=2W,Ru=40W Gevraagd: Ebat,Ribat,I,Ubat,Uvibat Oplossing: 1. Vervangingscel. Ebat=E1+E2+E3= 50V+20V+30V=100V Ribat=Ri1+Ri2+Ri3=5W+3W+2W=10W 2. Stroom geleverd door de batterij. I=Ebat/(Ribat+Ru)=100V/(10W+40W)=2A 3. Spanningsverlies in de batterij. Uvibat=Ribat*I=10W*2A=20V 4. De klemspanning van de batterij. Ubat=Ebat-Uvibat=100V-20V=80V

Voorbeeld -2-  Hoeveel cellen met emk=1,5V en Ri1=0.5W moet men in serie schakelen opdat een stroom van 0,5A zou vloeien door een weerstand Ru=15W? Gegeven: E1=1,5V,Ri1=0,5W,I=0,5A,Ru=15W. Gevraagd: Ns
18schema2
Oplossing: 1. De klemspanning van de bron Ubat=Ru*I=15W*0,5A=7,5V 2. Het spanningsverlies in één cel Uvi1=Ri1*I=0,5W*0,5A=0,25V 3. Klemspanning van elk element U1=E1-Uvi=1,5V-0,25V=1,25V 4. aantal in serie te schakelen bronnen:  Uit de formule Ubat=Ns*U1 halen we Ns=Ubat/U1=7,5V/1,25V=6  

Parallelschakeling van cellen Cellen zijn in parallel verbonden als de positieve klemmen samen verbonden zijn tot één gemeenschappelijke positieve klem en al de negatieve polen samen verbonden zijn tot één negatieve klem. Gewoonlijk schakelt men alleen cellen met een zelfde emk en een zelfde inwendige weerstand parallel. Zo bekomt men een parallelbatterij.

Eigenschappen De elektromotorische kracht van een parallelbatterij is gelijk aan de emk van één van de parallel geschakelde bronnen.
Ebat=E1 De inwendige weerstand van een parallelbatterij is Np maal kleiner dan de weerstand van één parallel geschakelde bron.
Ribat=Ri1/Np De totale stroom geleverd door een parallelbatterij is Np maal groter dan de stroom I1 geleverd door één der parallel geschakelde bronnen
Ibat=I1*Np

Voorbeeld -3-

Vier gelijke cellen met E1=6V en inwendige weerstand Ri1=1W, staan parallel aangesloten op een uitwendige weerstand Ru=0,5W.Bereken de stroom in de uitwendige weerstand, de stroom geleverd door één bron, de klemspanning van de batterij, het inwendige spanningsverlies in de batterij, het inwendige spanningsverlies in één bron en de klemspanning van één bron. Hoeveel zou de stroom zijn als men slechts één cel gebruikt?

 

19schema3 

 

Voorbeeld -4- Je wil een parallelbatterij met emk=6V te maken, die in een weerstand Ru=2,75W een stroom stuurt van 2A. de beschikbare bronnen hebben een emk van 6V en een inwendige weerstand Ri1=2W. hoeveel bronnen moet je parallel schakelen om dit te bereiken? Hoe groot zal de stroom zijn die iedere bron levert? Hoeveel zal de klemspanning bedragen?
20schema Gegeven: Beschikbare bronnen: E1=6V, Ri1=2W, Ebat=6V, Ibat=2A, Ru=2,75W. Gevraagd: Het aantal parallel te schakelen bronnen of Np, I1, Ubat Oplossing: 1. Ebat=E1=6V: De beschikbare bronnen zijn bruikbaar om een batterij met emk=6V te vervaardigen. 2. uit de formule Ibat=Ebat/(Ribat+Ru) Bereken je de weerstand (Rt) van de keten. Rt=Ribat+Ru=Ebat/Ibat=6V/2A=3W 3. Ribat=Rt-Ru=3W-2,75W=0.25W 4. Je weet dat Ribat=Ri1/Np, hieruit haal je Np=Ri1/Ribat=2W/0,25W=8 Je moet bijgevolg 8 bronnen met emk 6V en Ri1=2W in parallel plaatsen. 5. Iedere bron zal dan een stroom leveren: I1=Ibat/Np=2A/8=0,25A 6. De klemspanning van de bron: Ubat=Ibat*Ru=2A*2,75W=5,5V.

Opdracht

 

 

 

 

 

 

 

 

Hits: 34356