Concentratiebatterij: energie opslaan in een zoutverschil
Stel je twee aquaria voor die naast elkaar staan: het ene gevuld met zoet water, het andere met zout zeewater. Zodra je een opening tussen beide maakt, wil het zout zich vanzelf verspreiden totdat de concentratie overal gelijk is. Dat mengen kost geen moeite, het gebeurt spontaan — en precies daarin schuilt energie. Een concentratiebatterij vangt die energie op door het zoete en het zoute water niet zomaar te laten mengen, maar dat gecontroleerd te laten gebeuren via speciale membranen, waarbij een elektrische stroom ontstaat.
Het woord 'batterij' is hier een beetje misleidend, want er zitten geen lithium of andere metalen in zoals bij een telefoon- of auto-accu. Het gaat om een systeem dat energie kan opslaan door met elektriciteit eerst een zoutverschil te maken (zoet water hier, geconcentreerd zout water daar), en dat verschil later weer kan 'ontladen' door het water te laten mengen en de vrijkomende energie als stroom af te tappen. Vergelijk het met een waterkrachtcentrale die water omhoog pompt als er stroom over is, en het later weer laat vallen om stroom terug te winnen — alleen is hier niet de hoogte van het water het opslagmedium, maar het zoutgehalte.
Wat is het precies?
De basis is een natuurkundig verschijnsel dat een concentratiecel heet. Als je twee poelen water met een verschillende zoutconcentratie van elkaar scheidt met een membraan dat alleen bepaalde ionen (geladen zoutdeeltjes) doorlaat, ontstaat er een klein spanningsverschil, net als bij een gewone batterij. Hoe groter het concentratieverschil, hoe hoger de spanning.
In de techniek die in Nederland het verst ontwikkeld is, omgekeerde elektrodialyse (RED, van reverse electrodialysis), worden tientallen tot honderden van dit soort membranen op elkaar gestapeld. Om en om stroomt er een kanaaltje zoet water en een kanaaltje zout water doorheen. Positieve ionen (natrium) bewegen door de ene soort membraan, negatieve ionen (chloride) door de andere soort, allebei richting het zoete kanaal. Die stroom van geladen deeltjes wordt aan de randen van de stapel via elektroden omgezet in een gewone elektrische stroom, die je kunt gebruiken of aan het net kunt leveren.
Om er een echte batterij van te maken — iets wat je kunt opladen en leegtrekken wanneer je zelf wilt — keer je het proces om tijdens het 'laden'. Met elektriciteit pomp je ionen juist tegen hun natuurlijke neiging in, zodat je twee nieuwe voorraden krijgt: extra zoet water en extra geconcentreerd pekelwater. Die bewaar je in tanks. Wil je de energie later terug, dan laat je de twee stromen weer door de membraanstapel lopen en oogst je de stroom die daarbij vrijkomt. Een variant die onderzoekers ook uitproberen, heet capacitieve menging (CapMix): hierbij gebruiken poreuze koolstofelektroden die zout tijdelijk 'vasthouden', vergelijkbaar met hoe een supercondensator lading opslaat.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is grootschalige, langdurige opslag van stroom uit wind en zon. Zonnepanelen en windturbines leveren niet altijd op het moment dat we stroom nodig hebben, dus is er opslag nodig om pieken en dalen op te vangen. Lithium-ionbatterijen doen dat al op grote schaal, maar zijn afhankelijk van schaarse grondstoffen zoals lithium en kobalt, en zijn minder geschikt voor opslag die dagen tot weken moet duren.
Een concentratiebatterij gebruikt in principe alleen water, zout en membranen: goedkope en overvloedig aanwezige stoffen. Er is geen risico op brand zoals bij lithium-ion, en de techniek kan in potentie heel lang meegaan omdat er geen chemische aftakeling van elektrodemateriaal plaatsvindt zoals bij klassieke batterijen. Bovendien is de techniek interessant voor plekken waar toch al zoet en zout water samenkomen, zoals riviermondingen, of waar pekel als afvalstroom vrijkomt bij ontzilting van zeewater. In dat laatste geval kan de concentratiebatterij zelfs een bijkomend milieuprobleem — het lozen van geconcentreerd zout water — ten dele verzachten door die pekel eerst nuttig te gebruiken.
Voorbeelden uit de praktijk
Nederland speelt een relatief grote rol in dit onderzoeksveld, mede dankzij de ligging tussen zoet en zout water.
- REDstack-pilotinstallatie op de Afsluitdijk: hier wordt al jaren geëxperimenteerd met omgekeerde elektrodialyse door zoet IJsselmeerwater te combineren met zout water uit de Waddenzee. De installatie, met membranen geleverd door het Japanse Fujifilm, diende vooral om te bewijzen dat het principe op praktijkschaal werkt, met een vermogen in de orde van enkele tientallen kilowatt — klein vergeleken met een windturbine, maar genoeg om te leren voor opschaling.
- Wetsus in Leeuwarden: dit Europese kenniscentrum voor duurzame watertechnologie onderzoekt al zo'n twintig jaar 'blauwe energie' (energie uit het mengen van zoet en zout water), waaronder zowel RED als capacitieve technieken, in samenwerking met diverse Nederlandse universiteiten.
- Blue Battery-onderzoeksproject: een samenwerking waarin onder meer Wetsus en de Universiteit Twente onderzoeken hoe de RED-techniek omgekeerd, dus als oplaadbare batterij, kan worden ingezet voor opslag van stroom op wijk- of industrieschaal, tot dusver vooral op lab- en pilotschaal.
- Osmotic power-proefcentrale in Tofte, Noorwegen: energiebedrijf Statkraft opende hier in 2009 een proeffabriek die met een verwante, maar andere techniek (drukvertraagde osmose in plaats van elektrodialyse) stroom probeerde te winnen uit het verschil tussen rivier- en zeewater. Het project werd enkele jaren later stopgezet omdat de opbrengst te laag bleef voor de kosten — een leerzaam voorbeeld van hoe lastig opschalen in deze sector is.
- Onderzoeksgroepen in Zuid-Korea en China werken eveneens aan verbeterde membranen en elektrodematerialen voor salinity-gradiënttechnieken, vaak gericht op combinatie met bestaande ontziltingsinstallaties.
Hoe ver is de techniek?
De concentratiebatterij bevindt zich grotendeels nog in de fase van laboratoriumonderzoek en kleine pilotinstallaties. Er draait, voor zover bekend, nergens ter wereld een commerciële centrale op deze techniek die stroom levert aan het elektriciteitsnet op een schaal die vergelijkbaar is met bijvoorbeeld een batterijpark met lithium-ioncellen.
De grootste obstakels zijn de kosten en levensduur van de speciale ionenwisselende membranen, en biofouling: het vervuilen van membranen door algen, bacteriën en zwevend materiaal in natuurlijk water, wat het rendement snel laat dalen. Ook het zogeheten retourrendement (hoeveel procent van de ingestopte energie je er weer uithaalt) is bij de huidige stand van de techniek lager dan bij lithium-ionbatterijen, die doorgaans boven de 90 procent zitten. Onderzoekers werken aan goedkopere membranen, betere voorfiltering van het water en slimmere celontwerpen om dit te verbeteren, maar een concrete datum waarop de techniek commercieel rendabel wordt, is niet met zekerheid te geven.
Wie werken eraan?
Nederland is internationaal een van de koplopers in dit onderzoeksveld, met Wetsus in Leeuwarden als centrale speler, in samenwerking met onder meer de Universiteit Twente en TU Delft. Het bedrijf REDstack heeft de eerdergenoemde pilot op de Afsluitdijk gerealiseerd, met membranen van het Japanse Fujifilm. Daarnaast lopen er onderzoeksprogramma's bij Europese kennisinstellingen, vaak met steun van EU-onderzoeksfondsen, en bij universiteiten en instituten in Zuid-Korea en China die zich richten op membraanontwikkeling en combinaties met ontziltingstechnologie. In Noorwegen heeft energiebedrijf Statkraft in het verleden onderzoek gedaan naar de verwante osmotic power-techniek, al is dat specifieke project stopgezet.