Goedkope energieopslag in de versnelling

De kostprijs van duurzame energie blijft dalen, en er komen ook steeds meer mogelijkheden voor goedkope energieopslag. Waarmee het eeuwige bezwaar tegen zon en wind (‘wat doe je als de wind niet waait en de zon niet schijnt’) steeds meer wordt ontkracht. We besteedden hier al eerder aandacht aan. Nu twee nieuwe technologieën, op basis van ijzer en basalt. Het Nederlandse programma Tegenlicht wijdde er deze week een uitzending aan.

Een probleem met veel opslagtechnologieën is dat ze gebruik maken van zeldzame materialen. Voor een belangrijke opslagtechnologie, de batterij, is momenteel nog kobalt nodig. En kobalt is een metaal dat veel gewonnen wordt in erbarmelijke omstandigheden, vooral in Congo. Voor accu’s is lithium nodig – geen zeldzaam metaal maar voornamelijk te winnen op de hoogvlaktes van Bolivia. Welke geopolitieke problemen gaan deze nieuwe technieken oproepen als ze massaal worden toegepast? IJzer en basalt daarentegen, waarop wij hier de aandacht vestigen, zijn overvloedig aanwezig in de aardkorst. Hun winning opent geen nieuwe wegen naar uitbuiting of naar machtsposities van krijgsheren.

IJzer als middel tot goedkope energieopslag
IJzer kan branden – als het is gepoederd en in contact komt met zuurstof. Daarbij ontstaan hoge temperaturen, tot wel 1800^oC. Die hoge temperatuur maakt dit proces aantrekkelijk voor de industrie. Deze gebruikt veel stoom bij hoge temperatuur, tot 450^oC. En met stoom kunnen we ook elektriciteit maken, met een stoomturbine. De energiedichtheid van ijzer is hoog, te vergelijken met die van benzine of dieselolie. Een voordeel van ijzerpoeder is dat het eenvoudig voor langere tijd is op te slaan, mits je voorkomt dat er zuurstof bij komt. IJzer zou te zijner tijd zelfs kunnen dienen als brandstof voor vrachtwagens en schepen. Bij deze energieopwekking komt geen CO₂ vrij. Er ontstaat roest; dit moet worden opgevangen en weer worden geregenereerd tot ijzermetaal. Dat kan heel goed met waterstof. Als die duurzaam is geproduceerd, bijvoorbeeld met zon of wind, ontstaat een duurzaam energiesysteem. Dan fungeert ijzer als opslagmedium voor zonne- of windenergie. Maar het aantrekkelijke is dat we ijzer kunnen verbranden waar de vraag naar energie groot is; en de reductie met waterstof waar het aanbod van energie groot en goedkoop is. Er moet dan wel een transportstroom op gang komen: van ijzer naar plaatsen waar energie nodig is, en van roest terug. Maar we hebben voldoende bulkcarriers om het ijzerpoeder resp. het ijzeroxide heen en weer te varen. Uiteraard moeten we dan wel de energieverliezen bij de regeneratie voor lief nemen.

Eind 2020 had de brouwerij van Bavaria in Lieshout de wereldprimeur: hun installatie werd aangesloten op ijzerverbranding (100 kW). Het project wordt technisch begeleid door de TU Eindhoven. Het team proostte erop met een door ijzerbrandstof geproduceerd biertje. Chan Botter, teamleider van studententeam SOLID zegt tegen het blad van TUe dat ze werken aan opschaling tot 1 MW. Ze zijn bovendien plannen aan het maken voor een 10 MW systeem dat klaar moet zijn in 2024. ‘Onze ambitie is om de eerste kolencentrales te kunnen ombouwen naar duurzame ijzerbrandstofcentrales voor 2030.’

Goedkope energieopslag in steen
Net zo vernieuwend is de technologie voor goedkope energieopslag in de vorm van warmte in steen. In lava, zoals ontwikkeld door Siemens Gamesa, of in basalt, zoals ontwikkeld door de Nederlandse uitvinder Cees van Nimwegen. Allebei gesteenten die in overvloed aanwezig zijn in de aardkorst. Het idee is simpel. Stroom uit zonnepanelen en windturbines verhit steen. De steenmassa, met een temperatuur die kan oplopen tot 750^oC, zit opgesloten in een zeer goed geïsoleerd ‘vat’ en houdt de warmte lang vast. Je kunt op deze manier veel energie opslaan, en de energieverliezen in dit deel van het systeem zijn klein. Industrieën die willen verduurzamen kunnen zo’n warmteopslag neerzetten; daarmee overwinnen ze het wisselende aanbod van groene energie. Je kunt de warmte uit de steenbatterij ook gebruiken om er stroom mee op te wekken in een stoomturbine. Daarbij ontstaan wél verliezen, vergelijkbaar met die in een elektriciteitscentrale, die ook niet boven de 45% rendement uitkomt.

Siemens Gamesa ziet deze stroomproductie als kans om bestaande gas- of kolencentrales om te bouwen tot groene-stroomcentrales. Opnieuw wordt de steenmassa verhit door duurzame energie. De boilers waarin steenkool wordt verbrand, worden vervangen door een grote warmteopslag in steen. Als er energie wordt gevraagd, voeren ze daar water doorheen en met de stoom die dan ontstaat, drijven ze een turbine aan. Ze kunnen ook, net als bij de huidige kolencentrale, de lage-temperatuurwarmte die overblijft, gebruiken voor stadsverwarming. Alweer die kolencentrale! Het grote voordeel van beide voorstellen, vooral het laatste, is dat ze gebruik maken van bestaande infrastructuur. Het gebouw staat er, en het is al verbonden met hoogspanningsleidingen die de stroom moeten distribueren. Met dit systeem sla je het overschot aan groene stroom uit de zomer op, en breng je het weer in het net in de winter, als de vraag hoog is. Of je slaat het overschot aan energie overdag op, en distribueert deze ’s nachts. Een slim plan om met goedkope energieopslag de bestaande infrastructuur in stand te houden. Zo blijkt dat duurzame energie toch niet het héle bestaande energiesysteem overhoop haalt. Zoals met alle innovaties aan het begin van hun leercurve, stelt de menselijke creativiteit ons regelmatig voor verrassingen. Nu iedereen van de transitie naar duurzame energie is overtuigd, zullen we zeker nog vaak over het onderwerp kunnen rapporteren.

Interessant? Lees dan ook:
Energieopslag in de transitie
Methaanpyrolyse maakt grijs aardgas groen
Systeemkosten van duurzame energie – het niet-vertelde verhaal