Vijf duurzame alternatieven voor de Li-ion batterij

De overgang van het gebruik van fossiele brandstoffen naar duurzame energiebronnen om klimaatverandering tegen te gaan, is al een tijdje aan de gang en wordt de energietransitie genoemd. Zo meldt het CBS dat elk jaar er steeds meer 'groene' elektriciteit opgewekt, bijvoorbeeld via windmolens en zonneparken.

Dat is geweldig nieuws, maar er is een groot nadeel: er is niet altijd zon of wind. 's Nachts als het donker is, kunnen zonnepanelen geen stroom opwekken en op een windstille dag staan windturbines er werkloos bij. Het aanbod van duurzame energie kan dus sterk variëren, niet alleen tijdens de dag, maar ook gedurende het hele jaar. Tegelijkertijd is ook de vraag naar energie afhankelijk van het tijdstip en het seizoen.

Waarom batterijen zo belangrijk zijn in de energietransitie

De vraag naar en het aanbod van energie komen dus bijna nooit overeen. Om dit verschil te overbruggen, zijn batterijen een uitkomst. Deze kunnen energie opslaan als het aanbod de vraag overtreft. Bovendien kunnen ze de energie bij een omgekeerde situatie (meer vraag dan aanbod) weer terugleveren aan het net. Zo kunnen we niet alleen hernieuwbare energie slimmer gebruiken, maar ook geld besparen door te profiteren van periodes van goedkope, overvloedige duurzame energie zoals bijvoorbeeld op hete zomerdagen of tijdens stormachtig weer.

Batterijen zijn dus onmisbaar voor de energietransitie. Maar niet alle batterijen werken op dezelfde manier of zijn even duurzaam.

Leestip van de redactie: Hoe onduurzaam zijn batterijen?

Het succes en de problemen van de onduurzame Li-ion batterij

Li-ion batterijen zijn overal te vinden. Ze zitten in onze smartphones, laptops, elektrische auto's en tegenwoordig ook in onze huizen. Volgens het EESI, een onafhankelijk kenniscentrum op het gebied van energie en milieu, domineren Li-ion batterijen zelfs meer dan 90% van de wereldwijde markt voor batterijopslag.

Waarom zijn ze zo gewild? Dat komt door hun hoge energiedichtheid (de mogelijkheid om veel energie te kunnen opslaan in een klein volume) en lange levensduur.

Batterijdeskundigen verwachten dat de vraag naar Li-ion batterijen in dit decennium zal vertienvoudigen tot zo'n 9.300 GWh in 2030. Is dit veel? Ja! Met 1 GWh kun je 1 miljoen huishoudens een uur lang van stroom voorzien. Ondanks hun populariteit zijn er echter zorgen over de impact van Li-ion batterijen op het milieu en de maatschappij.

Maar het produceren van Li-ion batterijen vereist grote hoeveelheden energie en heeft een grote koolstofvoetafdruk. Batterijfabrieken staan er over de hele wereld. Daarnaast zitten deze batterijen vol vervuilende materialen, zoals kobalt, nikkel en lithium. Bij het winnen van deze grondstoffen vindt milieuvervuiling plaats en wordt soms gebruik gemaakt van kinder- of gedwongen arbeid.

Een ander probleem met Li-ion batterijen is dat ze een beperkte levensduur hebben en aan het einde van hun levensduur gerecycled moeten worden. Helaas is het recyclen van Li-ion batterijen duur en ingewikkeld. Er bestaan ook geen goede manieren om alle materialen die erin zitten terug te winnen. Dit leidt tot onnodig extra afval van schaarse grondstoffen en schadelijke uitstoot als de Li-ion-batterijen in afvalcentrales worden vernietigd.

Gelukkig zijn er de laatste jaren steeds meer duurzame opslagmethodes ontwikkeld als alternatieven voor Li-ion-accu’s. Vijf veelbelovende innovaties zijn een Nederlandse batterij op basis van basalt, een Finse ‘zandbatterij’, een Zwitserse mega ‘waterbatterij', een Australische uitvinding die oude zonnepanelen upcycled tot nieuwe batterijen en een zoutbatterij die recent veel bekijks kreeg op de zonne-energievakbeurs in Amsterdam.

1. Batterij van basalt uit Nederland

De basaltbatterij van Cees van Nimwegen is een interessante uitvinding in de wereld van energieopslag. In plaats van schaarse en vervuilende grondstoffen, zoals lithium en kobalt, maakt deze batterij gebruik van basaltsteen. Dit is een vulkanisch gesteente dat vrijwel overal ter wereld te vinden is en je eenvoudig kunt kopen bij de bouwmarkt.

Kort uitgelegd werkt de ‘basaltbatterij’ als volgt:

• Vul een zeecontainer met stalen buizen en zo’n 100.000 kilo basalt.
• Plaats hier zo’n anderhalve meter steenwol omheen voor een extreem goede isolatie.
• In de zomer stuur je duurzame stroom, bijvoorbeeld uit zonnepanelen, door de stalen buizen. Deze worden gloeiend heet en verhitten het vulkanisch gesteente tot wel 450 graden Celsius. De steenwol houdt deze warmte maanden, zo niet jaren binnen.
• Wanneer het koud wordt en je je huis wilt verhitten, blaas je lucht door de buizen. Deze dragen via een warmtewisselaar de hitte van het basalt naar je huis.

De uitvinding wordt momenteel op grote schaal toegepast in het Ecodorp Boekel, waar 36 klimaat-positieve woningen worden gebouwd.

Meer weten over de basaltbatterij? Lees dan ons eerdere interview met Cees: Uitvinder maakt batterij van steen

2. Finse commerciële ‘zandbatterij’

Iedereen weet dat zand veel warmte kan vasthouden: loop maar eens met je blote voeten op een warme dag over het strand. Maar weinig mensen wisten dat je van zand ook een batterij kunt maken. Tot eind 2022, toen presenteerden een groep Finse ingenieurs een prototype van 's werelds eerste commerciële ‘zandbatterij’.

De zandbatterij werkt globaal als volgt:

• De 'zandbatterij' slaat energie op in de vorm van warmte. Ongeveer 100.000 laagwaardig bouwzand wordt verwarmd tot 600° Celsius met elektriciteit die is opgewerkt door windturbines of zonnepanelen in de omgeving van de centrale. Dit alles gebeurt in een grote, goed geïsoleerde silo, waardoor het zand warm blijft - net zoals een thermofles.
• Vervolgens blaast een grote ventilator hete lucht door het zand, waardoor de opgeslagen warmte wordt vastgehouden. Het zand kan ongeveer 8 MWh thermische energie opslaan wanneer het vol is.
• Als de energievraag toeneemt, kan de batterij ongeveer 200 kW leveren via warmtewisselaars. Dit is genoeg energie om warm water te leveren aan zo'n 100 huizen en een zwembad te verwarmen.
• Om de kosten zo laag mogelijk te houden, wordt de batterij 's nachts opgeladen wanneer de elektriciteitsprijzen lager zijn.

Hoewel een werkend prototype al is onthuld, is de 'zandbatterij' nog niet beschikbaar voor alledaagse verkoop. De Finnen werken momenteel aan de schaalbaarheid van de technologie. Er is helaas nog geen verkoopdatum bekend.

Toch biedt deze batterij op basis van zand hoop voor de toekomst. Het bewijst dat duurzame energieopslag inderdaad mogelijk is zonder dat dit ten koste hoeft te gaan van natuurlijke hulpbronnen zoals kobalt of lithium.

3. Zwitserse mega waterbatterij in de Alpen

In de buurt van het skidorpje Finhaut, in de Zwitserse Alpen, staat een waterbatterij. Deze enorme installatie kan grote hoeveelheden energie opslaan en die binnen zeer korte tijd leveren als er een energievraag is. Wat het project uniek maakt, is dat het gebruik maakt van de natuurlijke hoogteverschillen in de bergen om energie op te slaan.

Het omvat een stuwmeer op een hoogte van 2.200 meter en een lager reservoir op een hoogte van 1.460 meter. Deze twee waterbassins zijn met elkaar verbonden door een acht kilometer lange tunnel, met een diameter van zes meter. Deze tunnel bevat zes turbines die elektrische energie kunnen produceren wanneer water van het bovenste naar het onderste reservoir stroomt. Dit proces kan tot 900 MWh energie produceren, wat ongeveer genoeg is om 200.000 huishoudens voor vier uur van stroom te voorzien.

Het systeem kan ook worden gebruikt om energie op te slaan. Als er meer stroom wordt opgewekt dan nodig is, bijvoorbeeld op winderige of zonnige dagen waarop de energieopwekking van wind- en zonneparken hoog is, wordt het water van het lagere naar het hogere reservoir gepompt. Daar wordt het opgeslagen voor later gebruik.

Op deze manier kan het systeem de energie die wordt opgewekt, opslaan voor toekomstig gebruik. Wanneer er meer stroom nodig is dan er wordt opgewekt, wordt het water gedumpt in het lagere reservoir en worden de turbines aangedreven. Op deze manier wordt de opgeslagen energie weer omgezet in elektriciteit. De stroomrichting van het water kan in slechts vijf minuten worden omgekeerd.

Nant de Drance is een uniek project omdat het een volledig duurzame oplossing biedt voor energieopslag. Daarnaast heeft het project een efficiëntie van ongeveer 80 procent, wat hoger is dan bijvoorbeeld batterijen op basis van Li-ion.

4. Nieuwe batterijen van oude zonnepanelen

De innovaties in de batterijwereld staan niet stil. In januari 2023 hebben Australische wetenschappers een methode ontwikkeld om het silicium uit oude zonnepanelen te recyclen en te gebruiken als goedkope grondstof voor zeer krachtige batterijen. Dit biedt niet alleen een tweede leven aan afgedankte zonnepanelen, maar draagt ook bij aan het verminderen van de afvalberg en de vraag naar nieuwe grondstoffen voor batterijen.

Zonnepanelen hebben een gemiddelde levensduur tussen de 25 en 40 jaar, waarbij ze slechts met tienden van procenten per jaar verouderen. Ondertussen worden panelen wel steeds krachtiger, waardoor er nu al tweedehands panelen worden aangeboden omdat men van hetzelfde dakoppervlak veel meer stroom wil oogsten. Het herwinnen van silicium uit oude zonnepanelen biedt daarom een geweldige kans om afval te verminderen en grondstoffen opnieuw te gebruiken.

Dankzij deze nieuwe methode kunnen oude zonnepanelen op een groene manier worden gerecycled. Het silicium uit de panelen kan zonder gebruik van giftige chemicaliën worden gescheiden en er kan meer dan 99 procent zuiver silicium van worden gemaakt. Vervolgens wordt het silicium tot nanokorreltjes vermalen en gemengd met grafiet, een vorm van koolstof, om de plus-pool te vormen in een lithium-ion batterij. Met het grafiet-siliciummengsel kan je vervolgens een batterij maken die tien keer meer stroom opslaat dan de nu gebruikelijke Li-ion batterijen.

Hoewel het gebruik van nano-silicium duurder is dan goud en nu al gauw 50 tot 60.000 euro per kilo kost, verwachten de ontwikkelaars van de Deakin Universiteit dat hun variant veel goedkoper zal zijn. Het herwinnen van silicium uit oude zonnepanelen zou daardoor een enorme, betaalbare en duurzame bron van grondstoffen kunnen worden voor nieuwe batterijen in auto's, thuis- en buurtbatterijen en zelfs voor de elektrische luchtvaart.

Leestip van de redactie: Wat je niet wist over het recyclen van zonnepanelen

5. Zoutbatterij wint eerste prijs op zonne-energievakbeurs

De revolutionaire zoutbatterij van Fortona en FZSoNick, genaamd de SMC batterij (Sodium Metaal Chloride), heeft veel aandacht getrokken tijdens de presentatie op de Solar Solutions International vakbeurs, die plaatsvond van 14 tot 16 maart 2023 in Amsterdam. Dit duurzame alternatief voor traditionele lithium-ion batterijen biedt een veilige en betrouwbare opslagoplossing voor zonne- of windenergie, zonder gevaarlijke stoffen en met de mogelijkheid om voor de volle honderd procent te worden gerecycled.

De zoutbatterij, bestaat voor 32% uit keukenzout, voor 22% uit nikkel, voor 22% uit ijzer en voor 20% uit keramiek. Deze ingrediënten zijn relatief goedkoop, ongevaarlijk en gemakkelijk recyclebaar, en er is genoeg voorraad van beschikbaar in de wereld. Het verwarmen van het mengsel van nikkel en zout met bèta-aluminium als een snelle geleider zorgt ervoor dat de batterij-cel voor energieopslag kan worden gebruikt bij een temperatuur van ongeveer 250 graden Celsius. Nikkel vormt de positieve elektrode en het verwarmde zout de negatieve elektrode. Hoewel de batterij eerst opgewarmd moet worden voor gebruik, doet hij dit zelf via een intern en energiezuinig besturingssysteem.

Een groot voordeel van de zoutbatterij is dat het geen brandbaar materiaal bevat en daarom niet kan verbranden of ontploffen, in tegenstelling tot lood- en lithiumbatterijen. Het rendement is net zo groot als bij lithium-ion batterijen, maar de zoutbatterij is lichter. De batterij kan tot 4.500 cycli aan en kan worden uitgeschakeld in de wintermaanden, bijvoorbeeld wanneer er weinig zonnestroom is. Wind- of zonne-energie kan er zolang in opgeslagen worden als nodig. Het is ook modulair en schaalbaar: het kan tussen de 3,6 tot 10 kWh aan stroom opslaan.

Fortona lanceerde de batterij eind vorig jaar en deze is sinds dit jaar op de markt verkrijgbaar. Het bedrijf richt zich vooral op mkb-bedrijven en woningcorporaties die geen zwaardere aansluiting op het elektriciteitsnetwerk nodig hebben, maar wel behoefte hebben aan een betrouwbare en duurzame energieoplossing.

Bye bye Li-ion batterij?

De 5 uitgelichte batterij-alternatieven zijn kansrijk maar vooral voor grootschalige energieopslag. Op het gebied van formaat, gebruiksvriendelijkheid en energiedichtheid komen ze helaas nog niet in de buurt van de Li-ion-batterij. Voor opslagcapaciteit blijven we nog aangewezen op de Li-ion batterij. Daarom is het van cruciaal belang dat wetenschappers en industrie zeer eerst richten op het verbeteren van de duurzaamheid van de levenscyclus van Li-ion-accu's. Dat kan door internationale richtlijnen voor ethische en duurzame grondstofwinning op te stellen en door stappen te zetten in het recycleproces van oude Li-ion-batterijen.