Je leest:

Moderne energieopslag volgens stokoude technieken

Moderne energieopslag volgens stokoude technieken

Auteur: | 24 juni 2022

Lang was energie opslaan nauwelijks nodig. De aarde had voor ons genoeg steenkool, olie en gas bewaard om eeuwen mee door te komen. Maar nu de nadelen van fossiele energie zich overal wreken, moet de mens zélf zijn energie bewaren. Ingenieurs grijpen daarvoor naar stokoude technologieën.

‘Een perfecte harmonie van lijnen – gracieus, onderscheidend en toch waardig; een uitzonderlijk rijcomfort.’ Fabrikant Detroit Electric wist in 1920 wel hoe het zijn elektrische auto’s moest aanprijzen. Toch mocht het niet baten: het bedrijf ging in 1939 na ruim dertig jaar failliet. De benzinewagens die vanaf 1908 onder andere bij Ford van de lopende band afrolden, hadden een grotere actieradius, hogere snelheid, waren goedkoper en hoefden niet opgeladen te worden. Toen iets later de elektrische startmotor zijn intrede deed, was aanzwengelen niet meer nodig en verdween het laatste obstakel voor de langdurige hegemonie van de brandstofmotor.

Oliewinning in het Canadese Alberta. Gas-, olie- en steenkoolvoorraden op aarde hebben ervoor gezorgd dat de mens relatief weinig innoveerde op het gebied van energieopslag.

Nu we gedwongen worden ons oliegebruik te beperken, heeft de batterij in auto’s een doorstart gemaakt. Waar de auto’s van Detroit Electric een topsnelheid hadden van 32 km/h en een actieradius van zo’n 130 kilometer, is dit bij moderne elektrische auto’s een veelvoud. Dat is te danken aan grote investeringen in technologie: de nikkel-ijzer-batterij van begin vorige eeuw is vervangen door een veel sterkere lithium-ion-batterij. Qua prestaties concurreren elektrische auto’s inmiddels met benzine-auto’s. De prijzen van batterijen zullen verder zakken en met stijgende belastingen op brandstofauto’s komt de elektrische auto binnenkort als economische winnaar uit de bus.

Maar de batterij vormt niet de enige bron voor energieopslag die een tweede kans krijgt. Nieuwe technieken zijn nodig, want er is nog geen conventionele batterij die genoeg energie kan vasthouden ons door koude en donkere winters te loodsen, of om een vliegtuig de Atlantische Oceaan over te krijgen. Met het natuurkundeboek in de hand zoeken ingenieurs naar manieren om oude concepten nieuw leven in te blazen. NEMO Kennislink bekijkt drie alternatieven en mogelijk kansrijke vervangers voor fossiele brandstoffen.

1 – Waterstof

Waterstof is vooral bekend als grondstof en als brandbaar gas, maar het kan ook gebruikt worden voor energieopslag. “Het regelen van een economisch rendabele opslag van energie op seizoensniveau is de grootste uitdaging van de energietransiatie”, zegt Mark Boneschanscher, directeur van het EIRES-instituut van de Technische Universiteit Eindhoven dat onderzoek doet naar systemen voor hernieuwbare energie. Waterstof kan er volgens hem voor zorgen dat we genoeg energie opslaan voor de winter, wanneer er veel meer energie nodig is voor het verwarmen van gebouwen.

Dat gaat zo: je maakt eerst waterstof met duurzame stroom, die je opslaat in gastanks. De benodigde gasinfrastructuur ligt al in Nederland. Als je de energie weer nodig hebt, stuur je het gas naar een zogenoemde brandstofcel, die er weer elektriciteit van maakt. Een doorn in het oog is nog wel de efficiëntie van het meest gebruikte procédé voor het maken van waterstof. Bij het maken van waterstof en het vervolgens weer omzetten naar elektriciteit gaat doorgaans 75 procent van de energie verloren. Er zijn efficiëntere methodes, maar die zijn vooralsnog duurder. Ook is het mogelijk om de geproduceerde restwarmte nuttig in te zetten in industriële processen, waardoor je het niet als ‘verlies’ hoeft te beschouwen.

Demonstratie van de productie van waterstof op een middelbare school in de Australië in 1951. De eerste melding van productie van waterstof stamt uit 1789, door de Nederlander Adriaan van Troostwijk.

Moderne elektrolyzers, de apparaten die met elektriciteit waterstof uit water maken, zien er nog praktisch hetzelfde uit als de elektrolyzers van bijna honderd jaar geleden. ‘Mooie technologie, maar het is alsof we nog steeds in een T-Ford rondrijden’, zegt TU/e-onderzoeker Thijs de Groot op de website van de universiteit over elektrolyzers. Hier zit dus nog ruimte voor vooruitgang. Aan de universiteit doen ze onderzoek naar hóe elektrolyse werkt – het proces is op moleculaire schaal nog altijd niet helemaal opgehelderd – en wordt gekeken of de apparaten uit kunnen met minder platina en iridium, zeldzame en dure metalen die nu meestal in de elektrodes zitten om de waterstofproductie te versnellen.

“De technologie wordt volop ontwikkeld”, vertelt Boneschanscher. Het kabinet steekt miljarden in de ontwikkeling van een waterstofeconomie, in de Rotterdamse haven legt GasUnie een 35 kilometer lange pijpleiding voor waterstofgas naar bedrijven aan. Toch waakt hij voor te veel optimisme. “Sommigen mensen zien waterstof als de silver bullet, de oplossing voor álles. Ik ben vóór de ontwikkeling van waterstof als energiedrager, maar het ontwikkelen van een op waterstof aangedreven fiets (te koop voor zo’n 8500 euro – red.) of een waterstofstraatveger is zotheid. Economisch gezien kun je dat veel beter met batterijen doen. In het algemeen zou ik zeggen, doe ‘kleine opslag’ met elektriciteit. Ik denk zelfs dat de waterstofauto niet meer gaat winnen van auto’s op batterijen, die veel verder zijn qua ontwikkeling.”

2 – Zout

Zeer goed geïsoleerde huizen kun je verwarmen met een relatief zuinige warmtepomp, die warmte produceert met elektriciteit. Voor andere woningen is het toverwoord wellicht: zout. Een welkome aanvulling, want het gaat om een grote klus. In het gemiddelde Nederlandse huishouden komt via gas ruim vier keer zoveel energie binnen als via elektriciteit. Het is de vraag of we overal de gaskraan kunnen dichtdraaien en dat gat kunnen vullen met stroom. Niet alleen (schone) energiebronnen moet hiervoor opschalen, maar ook het netwerk dat de stroom vervoert. Het elektriciteitsnetwerk waarop de warmtepomp is aangesloten is nu al overbelast en houdt het de energietransitie eigenlijk niet meer bij.

Wetenschappers uit Eindhoven claimen met zout miljoenen huishoudens van het gas af te kunnen halen. In het hart van het systeem dat ze testen liggen korrels van kaliumcarbonaat, een veelvoorkomend zout dat onder andere dient voor de productie van glas en als toevoeging in voedsel. De korrels houden de energie vast en geven deze vrij als je er water aan toevoegt. Het apparaat – ter grootte van een kleine transportcontainer – produceert voor meerdere huizen water van 65 graden.

De ‘verwarmingsreactie’ werkt ook andersom. Door warmte toe te voegen aan het ontstane zout met water (een zogenoemd ‘hydraat’, dat ook een vaste vorm heeft), krijg je weer het oorspronkelijke zout zónder het water. Deze reactie onttrekt warmte aan de omgeving: die wordt effectief opgeslagen in het zout. De onderzoekers denken dat ze met het ‘opladen’ van zout warmte kunnen ophalen op één plek en het kunnen transporteren naar een andere plek, bijvoorbeeld van opgewarmd industrieel koelwater (dat normaal gesproken wordt geloosd of afgekoeld in koeltorens) naar een installatie voor stadswarmte. Een kubieke meter van dit zout bevat 1,3 gigajoule energie, wat gelijk staat aan zo’n 37 kuub gas. Als je van het huidige energiegebruik uitgaat, dan heeft ieder huis daarom ruim 30 kuub zout per jaar nodig. Dat is al gauw een volle vrachtwagen per huis per jaar.

De warmtewisseling bij dit soort chemische reacties staat al zeker een eeuw in de scheikundeboeken, maar lijkt nu te zijn ontdekt door ingenieurs als manier om energie op te slaan. Ook onderzoekers van de TU Delft kwamen in 2016 met een warmtebatterij op basis van een zouthydraat. Voor het langdurig verwarmen van gebouwen zijn relatief grote volumes nodig, iets wat de onderzoekers hopen te ondervangen met bijvoorbeeld betere isolatie.

3 – Schone brandstoffen

“Het zal me niet verbazen als we na een transitieperiode toch weer op brandstoffen uitkomen”, aldus Boneschanscher. Ho wacht, gaan we dan tóch weer dingen verbranden? Dat kan, want ze hebben onmiskenbaar voordelen. Een daarvan is de hoeveelheid energie die je in een bepaald volume kan stoppen, de zogenoemde energiedichtheid. “Op dit moment gaat er wat dat betreft weinig boven fossiele energie”, zegt Boneschanscher. Het is de reden dat sommige passagiersvliegtuigen 15.000 kilometer vliegen zonder te hoeven stoppen.

Maar als we willen blijven verbranden, dan moeten we wél af van de uitstoot van broeikasgassen zoals koolstofdioxide (CO2). Dat kan als we de brandstoffen schoon produceren (en CO2 uit de lucht gebruiken om het te maken) of wanneer we een brandstof zonder koolstof gebruiken. Wetenschappers hebben verschillende stoffen op het oog als schone energiedrager, bijvoorbeeld (bio-)ethanol, mierenzuur of ammoniak. Ethanol kun je maken uit plantaardige bronnen, mierenzuur en ammoniak kun je maken van (groene) waterstof. Die productie kost weliswaar energie, maar het voordeel is dat je de stoffen makkelijk in grote hoeveelheden opslaat in de infrastructuur die er nu al ligt. Dat gaat nog makkelijker dan waterstof dat je extreem moet koelen of onder hoge druk moet bewaren. Verder is het vervoer door pijpleidingen makkelijker dan verplaatsingen met vaste stoffen over bijvoorbeeld de weg.

Dit soort stoffen kunnen vooral een rol spelen in (zwaar) transport – zoals schepen, vrachtwagens of vliegtuigen – en in de industrie. Brandstoffen hebben nog een voordeel: bij verbranding ontstaan veel warmte, die je direct kunt gebruiken voor industriële processen. Onderzoekers kijken zo bijvoorbeeld ook of ze zuiver ijzer kunnen inzetten als brandstof voor de industrie.

Vliegwielen dienden vroeger onder andere om de ‘stokkende’ bewegingen van stoommachines te versoepelen.

Beweging, hoogte & druk

Als je het natuurkundeboek openslaat dan vind je nog veel meer manieren om energie op te slaan. Vrijwel al deze methodes worden in meer of mindere mate gebruikt door de mens. Zo zijn er vliegwielen die vroeger vooral dienden om (stoom)machines soepel te laten lopen. Volgens Mark Boneschanscher kunnen ze wellicht nog een rol spelen in het razendsnel opvangen van overtollige energie in een elektriciteitsnetwerk. Door dingen op te tillen kun je ook hoogte-energie opslaan. Het makkelijkst gaat dat in stuwmeren, waarin je water vanuit een lager gelegen bassin pompt. Als je de energie weer nodig hebt, laat je het water eruit lopen, zodat het een dynamo aandrijft. De eerste pompcentrale werd in 1907 in Zwitserland in gebruik genomen.

Er zijn druk-batterijen waarin je lucht opslaat onder hoge druk; dit kun je ‘in het groot’ doen in bijvoorbeeld luchtdichte grotten of zoutcavernes diep onder de grond. Energieverliezen zitten hem in warmte die ontstaat wanneer je de batterij ‘oppompt’. Tot slot kun je denken aan het isoleren van warmte in een warmtebatterij. Zie het als een grote thermosfles waarin je warmte (energie) zo lang mogelijk bewaart. Dat kan met water, maar ook met bijvoorbeeld vloeibaar (gesmolten) zout. Dat laatste gebeurt in zonnecentrales, die met spiegels zonlicht op een centrale toren concentreren en daarmee zout smelten. Het zout – van honderden graden Celsius – kan op een later moment water verhitten en een turbine aandrijven. Dit concept is de laatste jaren vooral in de Verenigde Staten beproefd, waar de zonnecentrales behoorlijk wat opstartproblemen bleken te hebben.

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Expeditie naar smeltend land

Geesteswetenschappen
Krabbels in de kantlijn vertellen grote verhalen

Biologie
Niet meer de oude na corona

Klein versus groot

Waarschijnlijk zal er uiteindelijk niet één winnende methode zijn, maar zullen er meerdere technologieën naast elkaar bestaan. “Tijdens wetenschappelijke conferenties gaat het vrijwel nooit over de technologische principes, maar wel over hóe of waar we ze moeten inzetten”, zegt Boneschanscher. “Dat is misschien ook wel logisch, omdat er grote belangen spelen. Dat een bedrijf dat een gasleidingennetwerk beheert pleit voor een waterstofeconomie (waterstof is een gas – red.) is wat dat betreft begrijpelijk.”

Technieken voor energie-opslag. Op de x-as staat de hoeveelheid energie die ze doorgaans kunnen opslaan, de y-as geeft weer hoe lang ze die energie kunnen vasthouden.

Is er een algemene succesfactor aan te wijzen? Technologieën die je kleinschalig kunt toepassen hebben een beentje voor op grootschalige projecten, stelt Boneschanscher. “Neem zonnepanelen, de snelheid waarmee deze de laatste jaren de markt veroveren is door vrijwel alle partijen onderschat, zelfs door milieu-organisaties”, zegt hij. “Uit onderzoek bleek toen dat relatief kleinschalige technologieën zich veel sneller ontwikkelen dan projecten op grote schaal. Zo zijn bedrijven in hevige concurrentie om het simpelste, het beste en goedkoopste zonnepaneel te maken. Alleen op die manier win je in de markt.” Het zijn juist de grote en complexe projecten, zoals stuwdammen of onderzoeksreactoren voor kernfusie-energie, die over budget en planning heen gaan. “Nog een voordeel is dat een veel grotere groep mensen direct profiteert van bijvoorbeeld zonnepanelen. Bij de grote projecten wint meestal vooral een selecte club bouwers.”

Bron

  • Wilson C. et al., Granular technologies to accelerate decarbonization, Science (3 april 2020), DOI:10.1126/science.aaz8060
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 juni 2022

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.