Elektriciteit moet het liefst meteen verbruikt worden op het moment dat het wordt opgewekt. Bewaren van elektriciteit is namelijk niet zo eenvoudig. Het komt er altijd op neer, dat elektriciteit omgezet wordt in iets anders, waarmee op een later tijdstip weer elektriciteit kan worden opgewekt. Als je het over elektriciteit hebt, gaat het altijd om grote hoeveelheden. Dus zaklampbatterijtjes zijn niet relevant. Toch zijn batterijen, maar dan van een ander type, de meest voor de hand liggende vorm van grootschalige elektriciteitsopslag. Het opslaan van elektriciteit is belangrijk om dat zon en wind soms te veel, en soms te weinig leveren om aan de vraag naar stroom te voldoen.
Tot aan de eeuwwisseling was de lood‑accu de enige manier om elektriciteit op te slaan op een zodanig grote schaal, dat daarmee kan daarmee een automotor gestart kon worden. Rond die tijd is de lithium-ion batterij technologie opgekomen, een revolutionaire ontwikkeling [1]. Volledig opgeladen kunnen auto’s op deze batterij enige honderden kilometers afleggen.
Maar behalve in elektrische auto’s kunnen batterijen ook ingezet worden in een elektriciteitsnetwerk (Engels: ‘grid’). Men spreekt dan van grid- of netwerk-batterijen. Velen beschouwen deze optie als te duur, maar het is maar de vraag of dit een juiste aanname is [2]. Hieronder leg ik uit, waarom 2 cent/kWh in LFP-batterij mogelijk zou worden.
Hoe ziet een batterij er van binnen uit?
Een batterij bestaat uit cellen, dat honderden malen achter elkaar. Een cel is niets anders dan twee metalen plaatjes (elektroden) met daartussen een vloeistof (elektrolyt). Een van de twee elektroden is de anode, de andere is de kathode.
- Anode (opladen): Li+ + e– => Li
De kathode is van aluminium met daar op soortgelijke laag, waarin zich kobalt-oxide bevindt. Vaak is dat in de vorm van het lithium‑zout van nikkel-mangaan-kobalt oxide, vandaar de aanduiding NMC-batterij. Tijdens opladen worden elektronen van de kathode weggepompt. Daardoor gaan de kobalt‑ionen van de driewaardige vorm (LiCoO2) over in de vierwaardige (CoO2). Daarbij komen lithium-ionen vrij, die uiteindelijk op de anode terechtkomen.
- Kathode (opladen): LiCo(III)O2 => Co(IV)O2 + Li+ + e–
Bij ontladen vinden de omgekeerde reacties plaats.
In de elektrolyt hebben de lithium‑ionen een tegen‑ion nodig en dat is hexafluorofosfaat (PF6–). Het oplosmiddel moet ‘aprotisch’ zijn, dat wil zeggen vrij van protonen (H+‑ionen). Want uit H+‑ionen ontstaan watermoleculen en die verkorten de levensduur van deze batterij aanzienlijk. Een van de zeer weinige opties voor lithium is lithium hexafluorofosfaat (LiPF6) opgelost in methyl ethyl carbonaat. Een mengsel van methyl en ethyl voorkomt dat dit oplosmiddel bij lage temperatuur gaat uitkristalliseren.
Alkyl carbonaten zij eenvoudig te maken nl. in dit geval uit methanol (CH3-OH), fosgeen (Cl-(C=O)-Cl) en ethanol (C2H5-OH). Fosgeen is de grondstof voor polyurethaan, beter bekend als PUR-schuim.
- CH3-OH + Cl-(C=O)-Cl + C2H5-OH => CH3-O-(C=O)-O-C2H5
Anders ligt dit bij LiPF6. Dit zijn de benodigde chemische stappen [4]:
- H3PO4 + 6 HF => HPF6 + 4 H2O
- LiCl + HPF6 => LiPF6 + HCl
Alhoewel wereldwijd het meeste lithium buiten China wordt gedolven in de vorm van LiCl, is dit land de grootste producent van LiPF6.
Dan komen we bij grafiet. Dat is een speciale vorm van koolstof, die gesynthetiseerd kan worden uit aromatische koolwaterstoffen, maar ook gewonnen kan worden met mijnbouw.
Tenslotte het kobalt oxide. Dit is nog steeds de standaard in elektrische auto’s, maar in China begint de LFP‑batterij op te komen. LFP staat voor ‘lithium ferro phosphate’. Dit is een lithium‑ion batterij, waarbij kobalt oxide is vervangen door ijzerfosfaat. Ook nikkel en mangaan zijn dan niet meer nodig. Dat alles maakt deze batterij een stuk goedkoper.
- Kathode (opladen): LiFe(II)PO4 => Fe(III)PO4 + Li+ + e–
Maar de ontwikkelingen gaan verder: In China rijden nu de eerste elektrische auto’s rond op natrium‑ion batterijen [5]. Dat is nog weer een stukje goedkoper.
Elektriciteit: wat kost een alkali-ion batterij?
Tot zover de chemie van alkali-ion batterijen. Andere belangrijke aspecten zijn ‘energiedichtheid’, ‘laadcycli’ en ‘round-trip efficiency’.
Allereest energiedichtheid: Een lithium-ion batterij kan 0,25 kWh (kiloWatt-uur) per kg opslaan, terwijl dat voor een natrium‑ion batterij 0,16 kWh/kg is. Voor een elektrische auto betekent dit een aanmerkelijk kortere actieradius tussen twee oplaadbeurten. Maar voor een netwerk-batterij is een lagere energiedichtheid nauwelijks een bezwaar. Ter vergelijking: De energiedichtheid van benzine ligt rond de 10 kWh/liter.
Dan de ‘laadcycli’: Door telkens opladen en weer ontleden neemt de energiedichtheid geleidelijk af, totdat die onacceptabel laag is geworden en de batterij vervangen moet worden. In een netwerkomgeving, kan een afname in van energie‑dichtheid van bijv. 20% na een jaar eenvoudig worden opgelost door in de loop van dat jaar 20% meer batterijen bij te plaatsen. In een elektrische auto is dat niet mogelijk.
Tenslotte de round-trip efficiency: Hoeveel kWh krijg je terug voor elke kWh, die je erin hebt gestopt? Voor alkali-ion batterijen ligt dat boven de 90%. Dat is bijna 3 keer zo hoog als voor opslag met groene waterstof, dat geproduceerd wordt met een elektrolyzer en waarmee vervolgens stroom wordt opgewekt in een elektriciteitscentrale. Die combinatie heeft een round-trip efficiency van slechts 35%.
Op dit moment kost een LFP-batterij ca. € 150 per kWh opslagcapaciteit en kan deze batterij 1.000 – 2.000 laadcycli leveren. Zonder rentelasten komt dat uit op 10 ct/kWh. Bij iedere dag één keer opladen en ontladen gaat deze batterij ruim 4 jaar mee. Veel elektrische auto’s met een lithium‑ion batterij blijken namelijk ook na 4 jaar intensief gebruik nog steeds vrijwel dezelfde actieradius te hebben. Dat is een sterke aanwijzing, dat twee keer zoveel laadcycli haalbaar zijn en daarmee een halvering van de prijs van 10 cent/kWh naar 5 cent/kWh.
Zoals hierboven beschreven bevat een LPF-batterij de elementen koper, koolstof, lithium, ijzer en aluminium. Gemiddeld kosten deze ingrediënten hoogstens €/kg 3. Bij kWh/kg 0,25 heb je 4 kg nodig om 1 kg elektriciteit op te slaan. Dat kost € 12. De batterij kost nu € 150. Dat betekent, dat (150-12=) €/kWh 138 overblijft voor assemblage. Hoe groter de schaal, des te lager de assemblage. Daarmee is de verwachting gerechtvaardigd, dat de aanschafprijs zou kunnen zakken van €/kWh 150 naar €/kWh 50 [6, 7].
Met deze twee ontwikkelingen zou de prijs van opslag van 1 kWh met in totaal een factor 6 omlaag kunnen gaan van 10 cent/kWh naar 1,67 cent/kWh. Afgerond en inclusief rentelasten kom ik dan uit op 2 cent/kWh.
REFERENTIES
[1] Wikipedia (24 november 2024) Lithium-ion battery (https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery)
[2] Auke Hoekstra (24 juni 2024): Batteries: how cheap can they get? (https://aukehoekstra.substack.com/p/batteries-how-cheap-can-they-get)
[3] Eddy Brinkman (29 november 2017) Elektrochemie achter oplaadbare lithiumionbatterijen (https://www.betase.nl/elektrochemie-achter-oplaadbare-lithiumionbatterijen/
[4] Wikipedia (24 november 2024) Lithiumhexafluorfosfaat (https://nl.wikipedia.org/wiki/Lithiumhexafluorfosfaat)
[5] Wikipedia (24 november 2024) Sodium-ion battery
(https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-ion_battery)
[6] Billy Wu (3 januari, 2024; podcast) Sodium ion batteries – The low-cost future of energy storage? (https://www.youtube.com/watch?v=O3jjJb-CcCU)
[7] Jens Peters et al. in Batteries 2019 (5) 10: Exploring the Economic Potential of Sodium-Ion Batteries (https://doi.org/10.3390/batteries5010010)
[8] Andy Colthorpe in Energy Storage News, November 12, 2021: Batteries at world’s largest solar-plus-storage project supplying California community energy group (https://www.energy-storage.news/batteries-at-worlds-largest-solar-plus-storage-project-supplying-california-community-energy-group/)
Alle websites zijn bezocht op 8 december 2024.