Tekst: Loet van Bergen
Foto’s: Elestor
In de energietransitie naar een 100 procent duurzame elektriciteitsvoorziening is goedkope opslag van elektriciteit de ontbrekende schakel. Het produceren van duurzame energie via zonnepanelen en windmolens wordt steeds goedkoper. Een probleem bij deze goedkoop opgewekte stroom is dat de opslag van die energie in batterijen wel tien keer duurder is dan het produceren van energie.
Ontwikkeling
Reguliere batterijen voor energieopslag maken gebruik van grondstoffen die schaars zijn, waardoor de productie duur is. Verschillende wind- en zonneparken kunnen daardoor op dit moment niet economisch verantwoord gerealiseerd worden. Wereldwijd wordt daarom gezocht naar alternatieven voor de huidige dure batterijen. Het Arnhemse bedrijf Elestor heeft een revolutionaire oplossing bedacht voor dit probleem en ontwikkelde een uniek flowbatterijsysteem met als actieve materialen waterstof en bromide die het mogelijk maakt om grote hoeveelheden duurzaam opgewekte energie op te slaan tegen lage kosten. Elestor won al diverse prijzen voor deze innovatie, waaronder de Jan Terlouw Ambition Award en de Europese IDTechEx Award voor ‘Best Development within Energy Storage 2017’.
Technologie
De technologie van zo’n flow-batterij is decennia geleden ontwikkeld door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA dat deze technologie in de jaren zestig wilde gebruiken voor energievoorziening op de maan. De opzet ervan is grotendeels publieke informatie. “De bedrijfskennis en de patenten van Elestor zitten vooral in de zogenoemde ‘membraan stacks’, waarin de chemische reactie plaatsvindt die nodig is om energie op te slaan”, vertelt CEO Guido Dalessi. “De innovatieve flow-batterij maakt gebruik van het zeer goedkope waterstof en broom dat wereldwijd in enorme hoeveelheden in zeewater beschikbaar is. Omdat het uit zeewater wordt gewonnen, kan geen enkele partij de aanvoer domineren, zoals wel bij lithium en kobalt het geval is.
Dit gecombineerd met een gepatenteerd systeemontwerp en gemakkelijk te produceren compacte cellen zorgt voor lage opslagkosten (met circa 5 cent per kilowattuur die drie tot vijf keer lager zijn dan bij conventionele technologieën) en het verdienmodel van Elestor bepalen. Deze ‘triple cost reduction’ strategie opent volgens Dalessi een scala aan winstgevende business cases, die essentieel zijn voor de grootschalige adoptie van de technologie, en daarmee ook voor het versnellen van de energietransitie.
Werking van de flow-batterij
Het hart van alle opslagsystemen van Elestor is de cellenstapel. Deze stapel bestaat uit een aantal individuele elektrochemische cellen zoals hierboven weergegeven, in serie geschakeld. Elk membraan in deze stapel staat aan de ene kant in contact met het elektrolytcircuit, een waterige oplossing van HBr en Br 2, en aan de andere kant met een waterstof (H 2 ) gascircuit. Beide actieve stoffen circuleren in een gesloten lus langs hun eigen kant van de cel. De elektrolyt (HBr/Br 2 oplossing) en waterstof (H 2) circuits zijn gescheiden door een protonengeleidend membraan. Wat er precies gebeurt? “Je stopt er elektronen in en je krijgt er elektronen uit”, zegt Van Bennekom medeoprichter van Elestor. “In de ene tank zit een vloeistof, waterstofbromide. Als je een elektrische spanning op de batterij aansluit, splits je het waterstofbromide in waterstof en broom. Dat waterstof wordt in de andere tank opgevangen. Zo laad je de batterij op. Als je waterstof en broom weer samenvoegt tot waterstofbromide, komt die energie weer vrij en gaat naar het stroomnet. Zo ontlaadt de batterij.”
Het voordeel van de flowbatterij?
“Bij onze batterij kun je goedkoop opslagcapaciteit toevoegen, dat is een kwestie van extra tanks waterstof en broom”, licht Dalessi toe. “De batterij kan wel 150 uur laden. Bij traditionele batterijen is de opslagcapaciteit begrensd, na een paar uur is de batterij van een elektrische auto wel vol. De flowbatterij is niet geschikt voor auto’s. De lithium-ion-batterij die nu in auto’s wordt gebruikt, heeft een veel hogere energiedichtheid dan de flowbatterij.” De flowbatterij is volgens Alessi wel ideaal voor een aanlandpunt van wind op zee. Als de overtollige windenergie tijdelijk wordt opgeslagen in de batterij, kan de netbeheerder die gebruiken om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen.” Ook kunnen fabrieken of datacenters de flowbatterij bijvoorbeeld gebruiken als noodstroomvoorziening. Een ander uniek kenmerk is dat de Elestor-technologie kan worden geïntegreerd in waterstofinfrastructuren en elektrolysers, wat resulteert in een grote verlaging van de productiekosten van groene waterstof.
Volledig omkeerbaar
De chemische reacties voor laden en ontladen in dit systeem zijn 100 procent omkeerbaar. Dus zelfs na tienduizend keer laden en ontladen bevat het systeem nog exact evenveel waterstof en broom. Alessi: “Het belangrijkste verschil met conventionele batterijen is dat in de Elestor technologie vermogen [MW] en energie [MWh] niet gekoppeld zijn, waarmee extreem kostenefficiënt lange periodes (± 8 uur tot 5 dagen) overbrugd kunnen worden. Naast langdurige energieopslag, genereert de batterij waterstof tijdens het laadproces. Dit introduceert nieuwe en unieke mogelijkheden om energieopslag te integreren met waterstof infrastructuren en electrolysers. Hiermee kunnen diverse nieuwe optimalisatiemogelijkheden van het energiesysteem worden geïntroduceerd, waarin beide vormen van energieopslag (door middel van een batterij en in de vorm van waterstof) zijn geïntegreerd.”
Windpark wordt een ‘duurzame energiecentrale’
Bijzonder aan de Arnhemse accu is dat je hem gemakkelijk meer opslagcapaciteit kan geven door de broom- en waterstoftanks groter te maken. Daarbij hoeft het vermogen, dus de hoeveelheid stroom die hij in één keer kan opnemen of afgeven, niet mee te groeien. Dat is bij lithiumaccu’s wel het geval.
Dalessi vergelijkt het met een auto: “Als je heel ver wil kunnen rijden, heb je niet een grotere motor, maar een grotere tank nodig.” Daarom is de flowbatterij volgens hem bij uitstek geschikt voor wind- en zonneparken die ‘duurzame energiecentrales’ willen worden. Met genoeg opslagcapaciteit zouden die uiteindelijk constant stroom kunnen leveren, dus ook als het dagenlang bewolkt of windstil is.
Accu kan gigantisch worden
Naast het kantoor van Elestor staat al een vroege versie van de flowbatterij. De tank met broom is ondergronds, terwijl de waterstof wordt opgeslagen in een iglovormige ballon. Die opstelling neemt nu nog evenveel ruimte in als een paar parkeerplekken, maar in de toekomst moeten de Elestor-batterijen veel groter worden.
Daarom werkt Elestor ook samen met Vopak, het bedrijf dat bekend is van de gigantische opslagtanks voor olie en andere grondstoffen. De bedrijven hopen uiteindelijk een accu te realiseren die zo groot is, dat hij tienduizenden huishoudens tien uur lang van stroom kan voorzien. Uiteindelijk moet dat een batterij opleveren waarmee energie voor maximaal 5 eurocent per kilowattuur kan worden opgeslagen. Dat is twee à drie keer goedkoper dan opslag in bestaande lithiumaccu’s.
Straks koppeling met een waterstofnet
Bijzonder aan de Elestor-accu is dat hij tijdens het opladen waterstof maakt. Dat gas kan worden opgeslagen in een tank, maar zou in de toekomst ook rechtstreeks naar een waterstofnet kunnen stromen. Als de batterij moet worden ontladen, haalt hij weer evenveel waterstof uit datzelfde net. “Je hebt dan geen waterstoftank meer nodig, dus het is goedkoper en het kost minder ruimte”, zegt Dalessi. “Het wordt voor energiebedrijven dan mogelijk om waterstof te produceren als er veel duurzame stroom is en via hetzelfde systeem stroom te produceren als dat nodig is. Naar verwachting wordt deze constructie op steeds meer plekken mogelijk. Voor de verduurzaming van de industrie moeten er in de komende jaren door het hele land waterstofleidingen komen. Zo kunnen bedrijven overstappen van aardgas of kolen naar duurzame waterstof.
Investeringen
Elestor wil met investeringen grote stappen maken richting een duurzaam elektriciteitssysteem. “Zonder investeringen is dat niet mogelijk”, zegt Dalessi. Elestor haalde afgelopen zomer 30 miljoen euro aan investeringen binnen, onder meer van het Noorse energiebedrijf Equinor en Vopak de Nederlandse impactinvesteerder Invest-NL (als co-lead investor) en Somerset Capital Partners, evenals bestaande aandeelhouders EIT InnoEnergy en Enfuro Ventures. “De investering bewijst dat we het vertrouwen en de steun van deze diverse groep van zeer gerespecteerde investeerders hebben verdiend.
Met dit geld wil de Elestor dit jaar een fabriek bouwen om de accu’s grootschalig te produceren om de stroom uit windmolens en zonneweides kunnen opslaan. En kunnen we met deze investering verder opschalen naar een GigaWatt-productiefaciliteit en de commercialisering van de flowbatterij versnellen. Alessi: “We zijn klaar om precies het soort opslagoplossingen voor hernieuwbare energie te leveren die de wereld op dit moment zo nodig heeft en gascentrales overbodig maken.”
