De vraag naar energieopslagsystemen neemt toe. We willen op elk moment van de dag beschikken over duurzaam opgewekte energie. Daarnaast gebruiken we vaak op dezelfde tijden veel elektriciteit, waardoor het net overbelast raakt. Een thuisbatterij helpt deze vraag opvangen en overbelasting van het net voorkomen.
Een batterij van duurzame grondstoffen
Techbedrijf Exergy Storage ontwikkelt, ontwikkelt, in samenwerking met kennispartners en industriële partijen, een nieuwe duurzame batterijtechnologie. Deze batterij maakt gebruik van veelvoorkomende en goedkope grondstoffen, zoals zout en (gerecycled) aluminium. Dit zijn niet-brandbare chemicaliën, waardoor de batterij veilig kan worden gebruikt in tegenstelling tot de veelal gebruikte lithium-batterij. Deze kan vlamvatten en giftige gassen uitstoten, wat zeker bij toepassing in de gebouwde omgeving risicovol is.
Door het gebruik van goedkope grondstoffen biedt deze nieuwe technologie uitzicht op zeer lage kosten, wat past binnen de ambitie van Exergy Storage. Zij streven ernaar een duurzame batterij te ontwikkelen waarbij de kostprijs in grootschalige productie zover omlaag kan worden gebracht tot enkele centen per opgeslagen kWh. Belangrijke stappen om dit voor elkaar te krijgen zijn de verdere technische ontwikkeling van de technologie, het geschikt maken voor seriematige fabricage en opschaling. Daarvoor werken ze samen met partners, waaronder zoutbedrijf Nobian (voorheen AkzoNobel).
De Exergy batterij leent zich goed voor onder andere de volgende marktsegmenten:
- Residentiële markt (thuis- en wijkbatterijen).
- Zon- en windparken en industrieparken.
- Off-grid, telecom, defensie en de bouw (ter vervanging van dieselaggregaten).
Testen Op The Green Village
Op The Green Village test Exergy Storage een prototype thuisbatterij. In de batterij passen 16 cellen, voor een totale capaciteit van 8 kWh. Dit is een belangrijke stap om potentiële klanten en fabricagepartners te demonstreren dat de technologie intrinsiek veilig is en volgens verwachting functioneert. Gedurende een jaar laadt en ontlaadt de batterij onder verschillende omstandigheden.
Over Exergy Storage
Exergy Storage heeft een ontwikkelingslabotorium op Industriepark Kleefse Waard in Arnhem. De batterijcellen zijn op labschaal ontwikkeld en gedemonstreerd. Exergy Storage is vervolgens de cellen aan het opschalen en maakt de stap om de technologie te demonsteren in de vorm van een prototype batterij. Parallel hieraan bereiden ze seriematige fabricage en assemblage in samenwerking met productiepartners voor.
Vervolgonderzoek
Als vervolg op de eerste test voert Exergy Storage de komende jaren een vervolgproject uit. Ze testen een batterijsysteem voor twee verschillende toepassingen: drie thuisbatterijen van elk 16 kWh, gecombineerd met 36 PV-panelen in gebouwen van The Green Village. En een wijkbatterij (200 kWh) met 100 tot 150 PV panelen op het terrein van The Green Village.
Technische verdieping: hoe werkt deze ‘gesmolten zout’ batterij?
Elke cel in de batterij van Exergy Storage heeft een kathode-compartiment (pluspool) en een anode-compartiment (minpool). Als de cel aan het opladen is, stromen de (Na+-)ionen van de kathode naar de anode. Hierbij wordt energie opgeslagen in de batterijcel binnenin de cel. Wanneer de cel ontlaadt, stromen de ionen terug van de anode naar de kathode en komt de opgeslagen energie voor het grootste deel weer vrij. Een klein deel wordt omgezet in warmte in de cel dat benut wordt (zie details verder in de tekst).
De basisreactie is de volgende:
4 NaCl + Al <> 3 Na + NaAlCl4
De reactie naar rechts vindt plaats tijdens opladen (energie wordt opgenomen), de reactie naar links verloopt tijdens het ontladen (energie wordt afgegeven). Om te zorgen dat de Na+ ionen steeds de energie kunnen opnemen en afgeven is er altijd een hoeveelheid vloeibare elektrolyt in de cel. Deze elektrolyt is een gesmolten zout of ‘ionische vloeistof’ waarin de Na+ ionen zeer mobiel zijn. Deze stof is vloeibaar boven ~150 C en daarom worden Exergy Storage’s cellen in een geïsoleerde behuizing opgesteld.
Deze keuze van materialen maakt het mogelijk om een hoge energiedichtheid te bereiken, vergelijkbaar met die van Lithium-ion LFP cellen (Lithium IJzer Fosfaat). Er zijn ook op zout gebaseerde water bevattende cellen, deze hebben echter in het algemeen een lage energie-opslagdichtheid. Voor veel toepassingen is de compactheid van de energieopslag echter een belangrijke factor.
Een membraan dat selectief geleidend is voor Na+-ionen zorgt voor een scheiding tussen de plus en de minpolen van de cel.
Energiedichtheid
Omdat de zoutchemie niet gebaseerd is op water, is de energiedichtheid en het vermogen veel hoger dan bij zoutwaterbatterijen en is de energiedichtheid concurrerend met Li-ion ijzerfosfaat (LFP-batterijen).
Als er een defect optreedt in één van de cellen, dan blijven de andere cellen in die serie functioneren.
Veilige batterij
Een belangrijk kenmerk is dat de actieve materialen en het elektrolyt (de zoutchemie) die gebruikt wordt in Exergy Storage cellen niet-brandbaar is.
De eigenschappen van het membraan zijn zo dat de vorming van dendrieten wordt voorkomen. Dendrietvorming is een belangrijke factor voor falen bij Li-ion batterijcellen. Het kan leiden tot interne kortsluiting in een cel, warmteontwikkeling en bij doorgaande reactie (‘thermal run-away’) drukopbouw, ontbranding en explosie van cellen.
Mocht echter onverhoopt door een inslag een membraan in een van Exergy Storage’s cellen beschadigd raken, dan komen de materialen van de plus- en de minpool met elkaar in contact. Op dat moment verloopt de ontladingsreactie die eerder werd beschreven op de plaats van de beschadiging. Er ontstaat dan vast zout en aluminiummetaal. Deze vaste materialen dichten de beschadiging en het aluminiummetaal zorgt ervoor dat de cel als een kortsluiting gaat functioneren. Daardoor kunnen de overige in serie geschakelde cellen blijven werken. Dit betekent dat de cel daarmee een veilige ‘faalmodus’ heeft, wat voor praktische toepassing en veiligheid een groot voordeel is.
Geschikt voor gebouwde omgeving
In tegenstelling tot Li-ion batterijen, kunnen Exergy Storage batterijen zowel in koude als warme omgevingen geplaatst worden. Zo is het bijvoorbeeld ook denkbaar om batterijen buiten te zetten of in de grond te begraven om ruimte te besparen. De eerder genoemde veiligheidskenmerken en hun compactheid maken het mogelijk deze batterijen ook middenin de gebouwde omgeving in te zetten.
De ontlaadtijd bij nominaal vermogen bedraagt ca. 4 tot 8 uur (“C-factor” C/4 – C/8) wat goed aansluit op de dag-nacht cyclus (energieopwek) van hernieuwbare energiebronnen (zoals zonnepanelen en windmolens).
Duurzame batterij
Lithium is het lichtste metaal en wordt in diverse producten toegepast. Batterijen zijn inmiddels de grootste toepassing geworden. Lithium is het lichtste van de alkali metalen, een groep waartoe ook natrium en kalium behoren. Echter, Lithium is schaars het komt ongeveer 2000 keer minder voor op aarde dan natrium. Bovendien kan het niet overal ter wereld worden gewonnen, waardoor landen afhankelijk van elkaar worden en schaarste kan ontstaan. Er is onvoldoende kennis over de schade die het winnen van lithium op de langere termijn aanbrengt aan ecosystemen. De productie van lithium-ionbatterijen vergt daarnaast veel energie om het lithium dat altijd in lage concentraties voorkomt te scheiden van andere stoffen. Aan het delven en zuiveren van Lithium grondstoffen hangt dus een prijskaartje. Vervolgens is het de vraag in hoeverre Lithium aan de sterk groeiende vraag voor energieopslag in batterijen kan blijven voldoen. Naast de veiligheidsrisico’s van lithiumbatterijen zijn dit redenen om batterijen te ontwikkelen waarin geen lithium wordt gebruikt.
De batterij van Exergy Storage is ontworpen vanuit de circulaire gedachte: in principe kunnen aan het einde van de levensduur de vloeibare materialen eruit gegoten worden en kan het membraan worden gereinigd voor hergebruik.
