’Battolyser’ combineert batterij en waterstofproductie

Voor het eerst hebben onderzoekers van de TU Delft onder leiding van professor Fokko Mulder een geïntegreerd batterij-elektrolyse-apparaat geproduceerd, een zogenoemde ‘battolyser’. Deze kan elektriciteit opslaan of leveren op een manier die net zo efficiënt is als een batterij. Bovendien kan hij water splitsen in waterstof en zuurstof door elektrolyse.


Het grote aanbod aan duurzaam opgewekte elektriciteit uit wind en zon is niet op ieder gewenst moment beschikbaar. Daarom is er grote behoefte aan opslag van elektriciteit, zowel voor de korte termijn (over de loop van de dag) als voor de lange termijn (over de loop van weken of seizoenen). Voor de korte termijn is opslag in batterijen het beste idee, terwijl voor de langere termijn opslag van energie in kunstmatig geproduceerde brandstoffen, zoals waterstof, het meest geschikt is.

800px prinses amalia windmolenpark 4

Het Prinses Amaliawindpark voor de kust van IJmuiden. Wat doen we met de overtollig geproduceerde energie op het moment dat het hard waait? Ad Meskens

“Elektriciteit en waterstof zijn altijd beschouwd als twee gescheiden en zelfs concurrerende oplossingen voor energieopslag”, zegt Mulder. “Met de battolyser hebben we nu voor het eerst een geïntegreerd batterij-elektrolyse-apparaat gemaakt dat heel efficiënt elektriciteit kan opslaan en leveren zoals een batterij, en dat wanneer de batterij vol is vanzelf water gaat splitsen in waterstof en zuurstof door elektrolyse. Door de combinatie van batterijtechnologie met elektrolyse bereiken we een uitstekende totale efficiëntie, tot negentig procent. De battolyser blijkt bovendien stabiel, zowel als batterij als elektrolyser, ook bij lang en intensief laden, ontladen en waterstofproductie.”

Nadeel wordt een voordeel

De battolyser is gebaseerd op een zogenoemde nikkel-ijzerbatterij, een batterijvariant die vorige eeuw vooral door Thomas Edison werd gepromoot. Mulder: “Het is een erg robuuste batterij. Exemplaren van toen doen het nog steeds. De basismaterialen zijn bovendien goedkoop en overal verkrijgbaar.” Tijdens het opladen vormen de elektrodes van de batterij twee stoffen: nikkeloxide-hydroxide en ijzerionen. Deze materialen worden vaak gebruikt als katalysator voor de chemische reactie die waterstof en zuurstof oplevert. De elektrodes maken daarmee in geladen toestand de elektrolyse van water mogelijk.

4087181226 b43e809238 o

Waterstofproductie door een elektrische spanning in water. Dit proces heet elektrolyse. ca_heckler via CC BY-NC-ND 2.0

Dat er bij deze nikkel-ijzerbatterij tijdens het laden ook waterstofgas wordt geproduceerd, werd volgens Mulder altijd als lastig nadeel gezien en dit was een van de redenen dat andere batterijtypes uiteindelijk succesvoller werden. “Omdat de batterijwereld en de waterstofwereld met elkaar concurreren en maar weinig van elkaar leren, heeft er nooit iemand geprobeerd de twee te combineren en te kijken of dat iets zou opleveren. Terwijl we zowel batterijopslag als brandstoffen nodig hebben.”

Mulder bouwde daarom samen met student Bernhard Weninger een eerste prototype ter grootte van een stoeptegel. “Het werkte direct. Zodra de batterij vol begon te raken, begon hij waterstof te produceren”, aldus Mulder. “Heel simpel gesteld maken we nu gebruik van wat de natuur automatisch doet. We gebruiken de natuurlijke eigenschappen van de materialen op een slimme manier.”

Interesse van bedrijven

Het unieke van de nikkel-ijzercombinatie is dat elektriciteitopslag en waterstofproductie erg efficiënt gebeurt. Dit apparaat past daarom goed bij de variatie in stroomaanbod en prijzen. Mulder: “Is er veel stroom en is de prijs laag dan slaan we op; is er nog meer goedkope stroom dan maken we waterstof. En is er te weinig stroom en de prijs dus hoog dan leveren we stroom terug.” De battolyser staat daarmee eigenlijk nooit stil en levert twee functies voor de prijs van een. Het geproduceerde waterstofgas kan (later) weer gebruikt worden als brandstof in brandstofcellen of gascentrales en dienen als grondstof voor de chemische industrie, bijvoorbeeld voor de productie van ammoniak.

Battolyser picture

De battolyser. Bernhard Weninger

De volgende stappen zijn onderzoek naar verdere efficiëntieverbeteringen en schaalvergroting van wat er nu al is. Technologiestichting STW heeft het onderzoeksprogramma gehonoreerd en verschillende bedrijven investeren in het onderzoek. John Nijenhuis, Technology Transfer Officer van de TU Delft: “De schaalvergroting tot een battolyser ter grootte van een zeecontainer moet bewijzen dat de techniek ook past op de schaal van de stroomproductie van een forse windmolen.” De grote battolyser moet over anderhalf jaar gereed en getest zijn.

Research Engineer Yasmina Bennani van Proton Ventures, een ingenieursbureau gespecialiseerd in de productie, opslag en transport van ammoniak: “Waterstof is onze grondstof. Wij zijn dus erg geïnteresseerd in methoden om groene waterstof te maken. De battolyser is uniek omdat het tegelijkertijd een batterij is. Een goede en voor ons bijzonder efficiënte combinatie.”

Technology Coördinator Geert Laagland van energieproducent Nuon ziet de ammoniak gemaakt met behulp van duurzame waterstof als de toekomstige brandstof voor de moderne Magnum-centrale in de Eemshaven: “Als er te weinig wind en zonnestroom is, kunnen wij direct op grote schaal schone stroom leveren met behulp van die ammoniak. Nuon zit in de gebruikersgroep van STW. Wij zijn uiteraard erg nieuwsgierig naar de kostprijs, maar ook naar de flexibiliteit. Hoe snel kun je schakelen?”

Img 20160610 140442

Door onder andere elektrische auto’s zal ons totale elektriciteitsverbruik de komende jaren toenemen. Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Meer stroomverbruik

“Wat veel mensen zich niet realiseren is dat we niet alleen overschakelen op groene stroom, maar daar ook veel méér van gaan gebruiken”, zegt Mulder. “Huishoudens gaan van het gas af, personenauto’s worden elektrisch, en ook de industrie werkt in 2050 CO2-neutraal. Veel processen winnen enorm aan efficiëntie als deze elektrisch worden aangedreven. Zo kunnen elektrisch rijden en verwarmen wel tachtig procent minder energie verbruiken vergeleken met benzine of gasgebruik. Daarnaast wordt de duurzame energiebron vooral een elektriciteitsbron.”

“Er zal zo’n drie tot vijf keer meer stroom worden verbruikt dan nu”, schat Mulder, terwijl er tegelijkertijd op energie wordt bespaard – nu wordt slechts dertien procent van alle energie als elektriciteit gebruikt. Om deze verduurzaming en efficiëntieslag te maken moet er wel het hele jaar door stroom zijn. “Met behulp van de battolyser beschikken we over een efficiënte, goedkope, grootschalige en robuuste methode voor elektriciteitsopslag die onbeperkt schakelbaar is tussen elektriciteit en waterstof. De battolyser verbindt daarmee als eerste de infrastructuur voor elektriciteitsopslag en die voor waterstofgasproductie.”

Bron

  • Mulder F. et al., Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe battery and electrolyser, Energy & Environmental Science (14 december 2016), DOI:10.1039/C6EE02923J