Wie wint de race om de superbatterij?

Een blokkentoren en een hijskraan is, volgens het Zwitserse bedrijf Energy Vault, alles wat je nodig hebt voor het opslaan van zonne- en windenergie. Je kunt energie namelijk opslaan in zwaartekracht. 

Het idee is vrij simpel: wanneer je energie over hebt, laat je de hijskranen blokken op elkaar stapelen tot een toren zo hoog als 35 verdiepingen. Zodra je energie nodig hebt, breek je de toren weer af. De zakkende blokken wekken via dynamo’s elektriciteit op.

Door de blokken vol te scheppen met lokale grond, kan dit bouwwerk volgens Energy Vault overal ter wereld geplaatst worden. Een groot voordeel ten opzichte van bijvoorbeeld een waterkrachtcentrale, die volgens dezelfde principes werkt, maar een grote hoeveelheid beschikbaar water vereist. Het bedrijf sleepte al zo’n 110 miljoen dollar aan investeringen binnen. In Ticino, Zwitserland, staat de eerste toren klaar voor gebruik. 

Het Schotse bedrijf Gravitricity wil iets soortgelijks doen, maar dan ondergronds. Door oude mijnschachten te gebruiken om gewichten doorheen te laten zakken en op te hijsen, wil het bedrijf energie opslaan onder de grond.

Die schachten kunnen tot 1500 meter diep zijn, ten minste vijf eiffeltorens. Afhankelijk van de zwaarte van het gewicht, en de snelheid waarmee de het gewicht zakt, kan deze superbatterij op verschillende tempo’s verschillende hoeveelheden energie aanleveren. 

Door meerdere gewichten achter de hand te houden, kan het systeem meer energie opslaan en vrijlaten wanneer dat nodig is. Momenteel is het bedrijf bezig met een prototype bij Edinburgh, Schotland. Voorlopig wil het zich limiteren tot de plaatsen waar ongebruikte mijnschachten al aanwezig zijn. 

De zoutwinning in de vorige eeuw heeft er in heel Nederland toe geleid dat er in de bodem grote ruimtes zijn ontstaan: zoutcavernes. Ze zijn soms zo groot als een eiffeltoren. Op veel plekken worden die ruimtes al gebruikt voor de opslag van gas en olie. Maar TNO en anderen zien mogelijkheid om in deze ruimtes ook energie op te slaan. In de vorm van lucht.

De techniek heet Compressed Air Energy Storage (CAES). Met uit zonne- en windenergie wordt lucht samengeperst en in een caverne opgeslagen. Wanneer er energie nodig is, wordt de lucht weer vrijgelaten en stroom opgewekt.

Momenteel wordt de techniek alleen op een plek in Duitsland en in de VS gebruikt. Maar met een stijgende behoefte aan opslagcapaciteit voor buitenlandse energie, zijn de Groningse zoutcavernes mogelijk zeer interessant voor CAES.

Ook onderzoekt TNO mogelijkheden in grootschalige warmteopslag in ondergrondse aardlagen. En dan met name in waterhoudende lagen op een paar honderd meter diepte. Zo is het mogelijk om warmteoverschotten in de zomer op te slaan in de bodem en in de winter te gebruiken.

Om de industrie draaiende te houden heeft Nederland meer groene energie nodig dan lokaal opgewekt kan worden. In de toekomst zullen we dus duurzame energie moeten importeren vanuit gebieden met veel zon en wind. Het Rotterdamse opslagbedrijf Vopak onderzoekt daarom hoe we straks zonne-energie uit de Sahara naar Nederland kunnen transporteren via waterstof.

Hoewel er nog een groot energieverlies bij opslag in waterstof komt kijken, is het relatief efficiënt en goedkoop te vervoeren op lange afstand. Daarvoor hoef je geen nieuwe netwerken aan te leggen. Het kan namelijk via bestaande aardgasleidingen.

Deze waterstof zouden we vervolgens ook in de zoutcavernes kunnen opslaan. Een efficiënte brandstofcel kan de opgeslagen warmte weer omzetten in stroom. Hierbij komt als afvalproduct alleen water vrij, een schone verbranding dus. Gasunie is bezig met plannen om in 2026 in Groningen de eerste cavernes met waterstof te vullen. 

Een nadeel van waterstof is dat je nog best veel opslagruimte moet gebruiken per hoeveelheid energie die je eruit krijgt. Wat als je de energie uit waterstof in nog compactere vorm kunt bewaren? Dat kan met behulp van ijzerpoeder. Een studententeam van de TU Eindhoven, onder leiding van hoogleraar verbrandingstechnologie Philip de Goey, bouwde als eerste een systeem dat ijzer gebruikt als duurzame brandstof. Metalen kunnen namelijk heel goed branden en bovendien stoot ijzer geen CO2 uit.
 
Hoe het werkt? Door ijzerpoeder te verbranden wek je stoom op. Die kun je gebruiken om motoren aan te drijven. Bij deze verbranding hou je alleen roestdeeltjes over. Voeg je aan die roest groene waterstof toe, dan krijg je weer ijzerpoeder en is het cirkeltje rond. Een circulair systeem dus, waarmee groene energie kan worden opgewekt, opgeslagen, en veilig en eenvoudig vervoerd kan worden in de vorm van roest.

De technologie staat nog in de kinderschoenen, maar er is toenemende interesse in het verder ontwikkelen van het systeem. De Bavaria-brouwerij van Swinkels Family Brewers is de eerste fabriek die de ijzertechniek gaat testen. In plaats van aardgas, zal een deel van de fabriek op ijzerbrandstof draaien om pils te maken. Volgens betrokken experts gloort er een mooie toekomst voor ijzerenergie. Tanken we straks onze auto met ijzer?

In de woestijn van Nevada bouwt het bedrijf ARES Energy op een helling een twintigtal spoorlijntjes vol treinwagons met zware stenen erin. Het ziet eruit als een verlaten rangeerstation voor zelfsturende wagons, maar het is eigenlijk een gigantische energie-opslag die gebruikmaakt van de reeds bestaande hoogteverschillen in de omgeving.

Net als de batterij van Energy Vault en Graviticity werkt de Gravity Line op zwaartekracht: als er energie over is, worden de zware blokken op karretjes omhoog getrokken, de helling op. Is er energie nodig? Dan rollen de treintjes de berg weer af, en wordt stroom opgewekt.

Samen met de andere zwaartekrachtbatterijen, biedt ARES een duurzaam alternatief voor waterkrachtcentrales in gebieden waar water schaars is. 

In het Brabantse Sint-Oedenrode toverde uitvinder Cees van Nimwegen zijn oude schuur om tot een grote batterij, gemaakt van stalen buizen en stukken basalt: opslagsysteem CESAR. Gesteente kan namelijk gloeiend heet worden. Denk maar eens aan je tuintegels in de zomer. 

Op zonnige dagen stuur je stroom uit de zonnepanelen naar de buizen. De stroom in de buizen kan het basalt tot 500 graden Celsius verhitten. De hitte blijft in de stenen opgeslagen tot je de warmte nodig hebt. Door lucht door de buizen heen te blazen, kan de bewaarde hitte weer uit de basaltkiezels terug worden gewonnen. De lucht draagt, via een warmtewisselaar, de hitte van het basalt naar je huis. 

Zo kan de ‘basaltbatterij’ duurzame energie uit wind en zon, uren, weken, en zelfs seizoenen lang opslaan. In het Ecodorp Boekel wordt de batterij al gebouwd om een hele woonwijk in de winterperiode te verwarmen. Van Nimwegen zelf ziet grote voordelen in zijn ‘low-tech systeem’. Basalt is namelijk, in tegenstelling tot grondstoffen zoals silicium en kobalt, ruim voorradig en bovendien goedkoop.

Van Nimwegen is niet de enige die goud in stenen ziet. In Duitsland heeft het Spaans-Duitse bedrijf Siemens Gamesa de eerste basaltbatterij op megaschaal gebouwd: ETES (een afkorting van Electro-Thermal Energy Storage). De techniek is net iets anders, namelijk op basis van hete lucht. Geblazen door buizen, verhit deze lucht vulkanisch gesteente uit Noorwegen tot 750 graden. Wanneer je warmte nodig hebt, blaas je er weer koude lucht doorheen en haal je hete lucht eruit om stroom op te wekken. 
 
Volgens Siemens Gamesa is het kapitaalvernietiging om bestaande gas- en kolencentrales af te breken en niet te benutten. Veel van de bestaande infrastructuur en expertise kan namelijk worden hergebruikt. Om de energietransitie sneller te laten verlopen, wil het bedrijf daarom gas- of kolencentrales ombouwen tot groene-stroomcentrales voor de warmte uit steenopslag. De eerste staat al klaar voor gebruik in Hamburg, Duitsland. Staan we aan het begin van een nieuw Stenen Tijdperk?

Oud Tesla-medewerker Peter Carlson richtte het bedrijf Northvolt op om Europa weer op de kaart te zetten als het gaat om batterijen. Het Zweedse bedrijf specialiseert zich in het produceren van zo groen mogelijke lithiumbatterijen voor bijvoorbeeld elektrische auto’s. Die rijden op een oplaadbaar soort batterij, genaamd Li-ion. Om zo’n batterij te maken heb je grondstoffen nodig die relatief schaars zijn: nikkel (Ni), kobalt (Co), lithium (Li) en mangaan (Mn). Ook heb je koper, aluminium, plastic en staal nodig voor de buitenkant en de bedrading. 

In plaats van in de grond te boren, wil Northvolt deze materialen terugwinnen via recycling. Oude batterijen worden ‘geleegd’ en ontdaan van hun hulzen. Wat overblijft wordt verpulverd en gesorteerd met behulp van magneten. Het gewonnen koper en aluminium wordt apart gerecycled.

Wat resteert is een zwarte massa, die wordt opgelost in zwavelzuur om de laatste restjes koper, aluminium en ijzer eruit te halen. Nu heb je een pure mix van nikkel, mangaan, lithium en kobalt. Om hiervan weer een batterij te maken waar je mee kunt rijden, hoef je alleen maar de samenstelling een beetje aan te passen. Naast hun fabriek in Skelleftea, Zweden, is het bedrijf van plan uit te breiden naar Duitsland en Polen, om de positie van Europa te versterken als speler in de wereldwijde energiehandel.