Juli/Augustus 2023
Het zout in de opslagpap
Waar de focus een aantal jaar geleden nog lag op de productie van duurzame energie, is deze inmiddels verlegd naar een efficiënte opslag ervan. Zoutbatterijen lijken hierin een serieuze plek te gaan innemen. Het zijn efficiënte en verliesvrije oplossingen die gebruik maken van ongevaarlijke, ecologische materialen die tevens in grote hoeveelheden beschikbaar zijn.
Het principe van een zoutbatterij om energie in op te slaan bestaat al lang, maar had nog wat tijd nodig om uit te groeien tot een commercieel product dat ook praktisch is toe te passen. Onder ander TNO doet in samenwerking met de TU Eindhoven, onderzoek naar deze technologie, maar inmiddels hebben ook andere bedrijven het concept opgepakt en zijn bezig met de vertaling ervan. Of ze zijn al zover. Onder andere het Zwitserse FZSoNick, dat in Nederland wordt vertegenwoordigd door Fortona (onderdeel van Hanzestrohm), bracht eind vorig jaar een commerciële zoutbatterij op de Nederlandse markt.
Wat is een zoutbatterij?
In beginsel werkt een zoutwaterbatterij op basis van een klassieke anode en kathode die verbonden zijn via een elektrolyt. Bij de zoutwaterbatterij fungeert het zoute water hier als elektrolyt, waardoor ionen zich bij ontlading van de batterij verplaatsen van de anode naar de kathode en omgekeerd bij het opladen van de batterij.
Een belangrijk voordeel van een zoutbatterij ten opzichte van een lithium-batterij, is de intrinsiek veilige werking. Door de toegepaste materialen bestaat er ook bij hoge temperaturen, overladen of diep ontladen geen kans op een zogenaamde ‘thermische runaway’. Ook niet wanneer de batterijen vallen of ergens tegenaan stoten. Verder zijn de materialen van zoutbatterijen niet brandbaar en komen er bij beschadiging geen gevaarlijke stoffen vrij. De batterij is dus veilig in gebruik, maar ook tijdens transport.
De stoffen die wel zijn toegepast in een zoutbatterij zijn ecologisch en in grote hoeveelheden, relatief goedkoop te verkrijgen. Er worden dus geen zeldzame, dure grondstoffen opgebruikt, wat de batterij tevens onaantrekkelijk maakt om te stelen. Daarnaast is de batterij veelal 100 procent recyclebaar. Andere voordelen van zoutbatterijen zijn de lange levensduur, doordat ze nauwelijks degraderen, de lage onderhoudsbehoefte en dat ze volledig kunnen worden ontladen zonder te beschadigen.
‘De kern van de batterij met gesmolten zout heeft een temperatuur van circa 250 °C’
Beperkingen
De belangrijkste beperking van de standaard zoutwaterbatterij is op dit moment de relatief lage energiedichtheid. Voor de opslag van een grotere hoeveelheid energie is dus een groot volume nodig, wat de batterij in elk geval niet geschikt maakt voor mobiele toepassingen. Maar ook bij toepassing in woningen of bedrijven vraagt een zoutbatterij vaak om een technische ruimte met serieuze afmetingen. Dit draagt dan wel weer bij aan de ongevoeligheid voor diefstal. Verder leveren zoutbatterijen slechts een beperkte hoeveelheid stroom per tijdseenheid. Dit maakt ze ook minder geschikt voor het opvangen van piekstromen die ontstaat wanneer bijvoorbeeld verschillende gebruikers gelijktijdig worden ingeschakeld. Denk daarbij in woningen aan een vaatwasser, wasmachine en stofzuiger.
De SMC-batterij met batterij-managementsysteem.
SMC-batterij
Als oplossing voor deze laatste beperkingen presenteerde Fortona op de vakbeurs Solar Solutions International 2023 een nieuw type zoutbatterij. De SMC (sodium metaal chloride) -batterij, ontwikkeld door het Zwitserse bedrijf FZSoNick.
Kees Compaan, senior sales engineer bij Fortona: ‘De overeenkomst tussen de SMC- en een standaard zoutbatterij is dat beide types gebruikmaken van vloeibaar zout. Een verschil is dat dit bij een conventionele zoutbatterij gaat om een zoute vloeistof op kamertemperatuur, terwijl de SMC gebruik maakt van gesmolten zout. Het gaat hier om een bewezen technologie met continue ontwikkeling en een trackrecord van bijna 25 jaar. De kern van de batterij met gesmolten zout heeft een temperatuur van circa 250 °C. Juist die eigenschap levert uiteindelijk een aantal bijzondere voordelen op.’
Gesmolten zout
De SMC-batterij bestaat voor 32 procent uit keukenzout, 22 procent uit nikkel, 22 procent uit ijzer en 20 procent uit keramiek. Veilige en natuurlijke grondstoffen die wereldwijd in voldoende mate beschikbaar zijn. Door toevoeging van bèta aluminium aan dit zout wordt het vloeibaar bij een temperatuur van 150 °C. Het toevoegen van nikkel en het verhogen van de temperatuur tot 250 °C maakt het mengsel vervolgens geschikt voor energieopslag in een batterijcel. Nikkel fungeert hier als de positieve elektrode (anode) terwijl het verwarmde zout de negatieve elektrode (kathode) vormt. Deze anode en kathode zijn van elkaar gescheiden door een keramische separator.
Compaan: ‘Doordat deze zoutbatterij in de kern erg warm is, is het rendement vergelijkbaar met die van een lithiumbatterij. De lage energiedichtheid van een standaard zoutbatterij is hiermee geëlimineerd. Het betekent wel dat je deze batterij eerst moet opwarmen voordat je hem kunt gebruiken. Dit kost inderdaad wat energie, maar door de goede isolatie van de roestvaststalen behuizing is het warmteverlies sterk te beperken en draagt de warmteproductie tijdens het laden en ontladen juist bij aan een betere efficiëntie van de batterij. Een ander voordeel is dat je door het gesmolten zout ook de afmetingen van de batterij sterk kunt terugbrengen, tot die van ongeveer een lithiumbatterij. Hiermee is ook het tweede nadeel van een standaard zoutbatterij opgeheven.’
Het opwarmen en op temperatuur houden van de batterij wordt geregeld door het interne besturingssysteem van de batterij: het BMS (batterij-managementsysteem), dat tevens de veiligheid bewaakt. Zo voorziet hij in een ingebouwde DC-beveiliging die beschermt tegen kortsluiting en uitschakelt bij afwijkingen of defecten.
* Een hogere piek kan getolereerd worden gedurende korte tijd ** Optionele externe interface
Beter dan een lithiumbatterij?
Qua opslagcapaciteit en grootte is de SMC-batterij vergelijkbaar met een lithium-batterij, maar de SMC-batterij biedt meer positieve eigenschappen. Zo is hij toe te passen in een veel breder temperatuurbereik, dat loopt van -20 tot 60 °C zonder dat de batterij degradeert. Hiermee is de zoutbatterij eenvoudig te gebruiken in zowel warme als koude omgevingen zonder de noodzaak van extra ventilatie of verwarming. Deze extra componenten zou een lithiumbatterij bij ‘extreme’ temperaturen (lager dan 5 °C en hoger dan 25 °C) zeker nodig hebben.
Daarnaast is de zoutbatterij ook zonder schade eenvoudig uit te schakelen; bijvoorbeeld wanneer er in de wintermaanden zo weinig stroom wordt geproduceerd dat er geen behoefte is aan opslag. Compaan: ‘Tot slot is de SMC-batterij iets lichter dan een lithiumbatterij. De laatste is 5 procent zwaarder, terwijl voor standaard zoutbatterijen of loodzuurbatterijen een percentage van 80 procent geldt.’
Toepassing
Evenals veel andere batterijen is ook de SMC-batterij geschikt voor de opslag van een overschot aan geproduceerde elektriciteit door bijvoorbeeld pv-panelen. Een belangrijke deeloplossing om netcongestie tegen te gaan, maar ook een oplossing voor woningcorporaties en bedrijven. Zo kan de batterij een oplossing vormen voor bedrijven die geen zwaardere aansluiting meer kunnen aanvragen door overbelasting van het net. Ook kunnen ze overschrijding van de contractwaarde voorkomen. Tevens biedt het eigenaren de mogelijkheid om maximaal gebruik te maken van eigen zonne- en/of windenergie. Zeker wanneer de salderingsregeling vervalt is dat een extra reden om te investeren in een zoutbatterij.
Compaan: ‘En uiteraard zijn er nog veel meer toepassingen waar de zoutaccu tot zijn recht komt. De batterijen worden bijvoorbeeld al toegepast in de scheepvaart en in noodstroominstallaties. Maar ook als vervanging van generatoren op festivals. De toekomst voor de SMC-batterij ziet er zonnig uit.’
Zoutbatterij voor opslag van warmte
Ook voor de opslag van warmte zijn zoutbatterijen in te zetten. De werking van deze batterijen berust echter niet op ionen die tussen twee elektroden lopen. In dit type opslagsysteem wordt gewerkt met een zout dat door de toevoer van warmte als het ware gedroogd wordt. Deze opgeslagen warmte is weer te onttrekken door het toevoegen van water, waarna hij kan worden gebruikt voor het verwarmen van bijvoorbeeld woningen of andere ruimtes. Naar wens is deze batterij ook met elektriciteit te laden. Onder meer TNO en de TU Eindhoven werken aan een dergelijke batterij en maken hierin grote stappen. De spin-off Cellcius is opgericht om het idee verder te commercialiseren. Momenteel wordt de werking beproefd met enkele prototypes op verschillende locaties.