Elektrochemische energieopslag: hoe batterijen de energietransitie dragen
Stel je voor: het is een winderige dinsdagmiddag en alle windmolens langs de kust draaien op volle toeren. Er wordt veel meer stroom opgewekt dan op dat moment nodig is. Zonde om weg te gooien - maar hoe bewaar je elektriciteit voor het moment dat de wind weer gaat liggen? Elektrochemische energieopslag is het antwoord dat de meeste mensen al in hun broekzak hebben: de batterij. Elektrische energie wordt omgezet in chemische energie, opgeslagen, en later weer teruggezet in elektriciteit - net zoals de accu van een smartphone of elektrische auto dat doet, maar dan ook op de schaal van hele energiecentrales.
Het woord "elektrochemisch" verwijst naar de combinatie van elektriciteit en chemie: een batterij bevat stoffen die elektronen willen afstaan of opnemen, en dat proces van elektronen uitwisselen levert stroom op. Draai je het om door er stroom in te stoppen, dan keren de chemische stoffen terug naar hun oorspronkelijke staat en is de batterij weer "opgeladen". Deze opslagmethode is de afgelopen jaren cruciaal geworden, omdat zon en wind niet altijd beschikbaar zijn op het moment dat wij stroom nodig hebben. Batterijen overbruggen dat verschil tussen aanbod en vraag.
Wat is het precies?
Elke batterij bestaat uit drie hoofdonderdelen: twee elektroden - een positieve, de kathode, en een negatieve, de anode - met daartussen een elektrolyt: een vloeistof, gel of vaste stof waar geladen deeltjes (ionen) doorheen kunnen bewegen.
Bij het ontladen van de batterij, dus wanneer je er stroom uit haalt, staan atomen aan de anode elektronen af. Die elektronen reizen via de buitenste stroomkring - bijvoorbeeld door een lampje of een elektromotor - naar de kathode en leveren zo bruikbare energie. Tegelijkertijd bewegen de bijbehorende ionen door het elektrolyt van anode naar kathode om de lading in balans te houden.
Opladen is het omgekeerde proces: met externe stroom worden elektronen en ionen teruggeduwd naar de anode, waardoor de batterij weer klaar is voor gebruik. Dit kan honderden tot duizenden keren worden herhaald, afhankelijk van het type batterij en hoe zorgvuldig hij wordt gebruikt.
Er bestaan veel verschillende chemieƫn. Lithium-ion, te vinden in telefoons, laptops en de meeste elektrische auto's, gebruikt lithium-ionen die heen en weer bewegen tussen bijvoorbeeld een grafietelektrode en een metaaloxide-elektrode. Nieuwere varianten zoals natrium-ion werken volgens hetzelfde principe, maar vervangen het relatief schaarse lithium door het overvloedige natrium. Flowbatterijen slaan energie op in twee externe tanks met vloeistof die door een cel worden gepompt, wat ze geschikt maakt voor grote, langdurige opslag. Bij vaste-stofbatterijen ("solid-state") is het vloeibare elektrolyt vervangen door een vast materiaal, wat veiliger en energiedichter zou moeten zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter elektrochemische energieopslag is de overgang naar een energiesysteem dat draait op zon en wind. Deze bronnen zijn wisselvallig: soms is er overschot, soms tekort. Batterijen kunnen binnen milliseconden schakelen tussen laden en ontladen, waardoor ze het elektriciteitsnet stabiel houden en pieken en dalen opvangen.
Daarnaast is er de wens om vervoer te elektrificeren. Elektrische auto's, bussen, fietsen en in toenemende mate ook schepen hebben batterijen nodig die veel energie bevatten per kilo (de energiedichtheid), snel opladen en lang meegaan.
Onderzoekers en bedrijven proberen verder de kosten te verlagen, de levensduur te verlengen en de veiligheid te verbeteren: beschadigde batterijen kunnen ooververhit raken, een fenomeen dat "thermal runaway" heet. Ook willen ze de afhankelijkheid van schaarse of omstreden grondstoffen zoals kobalt verminderen. Tot slot speelt recycling een steeds grotere rol, omdat er aan het einde van de levensduur van steeds meer batterijen grondstoffen teruggewonnen moeten worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraakprojecten is de Hornsdale Power Reserve in Zuid-Australiƫ, gebouwd door Tesla en eind 2017 in gebruik genomen. Dit was destijds de grootste lithium-ion batterij ter wereld en liet zien dat grootschalige batterijopslag het elektriciteitsnet daadwerkelijk kan stabiliseren; de installatie is sindsdien meerdere keren uitgebreid.
In de Verenigde Staten bouwt Form Energy sinds 2022 een fabriek in Weirton, West Virginia, voor zogeheten ijzer-luchtbatterijen. Deze techniek is goedkoop en gebruikt overvloedig ijzer in plaats van lithium, maar is fors zwaarder en minder compact - geschikt voor opslag van meerdere dagen in plaats van uren, wat de sector "long-duration storage" noemt.
In China kondigde CATL, 's werelds grootste batterijproducent, al in 2021 natrium-ionbatterijen aan en werkte het bedrijf de jaren daarna aan opschaling voor onder meer kleinere elektrische auto's en stationaire opslag. Natrium is goedkoper en overal ter wereld beschikbaar, al is de energiedichtheid nog lager dan bij lithium-ion.
Ook in Nederland wordt volop geƫxperimenteerd: op onder meer de Maasvlakte en bij Vlissingen zijn de afgelopen jaren grote batterijparken gebouwd om zonne- en windstroom tijdelijk te bufferen en netcongestie te verminderen - een probleem waarbij het stroomnet de aangeboden of gevraagde hoeveelheid elektriciteit niet meer aankan.
Northvolt in Zweden laat zien hoe lastig het is om een Europese batterij-industrie op te bouwen: het bedrijf werd in 2016 opgericht met de ambitie om Europa onafhankelijker te maken van Aziatische batterijfabrikanten, maar vroeg eind 2024 in de Verenigde Staten faillissementsbescherming aan nadat het worstelde met productieproblemen en financiering - een teken dat opschalen van deze techniek allesbehalve vanzelfsprekend is.
Hoe ver is de techniek?
Lithium-ion is inmiddels een volwassen technologie: ze wordt al decennia geproduceerd, de kosten zijn sinds 2010 zeer sterk gedaald volgens marktanalisten, en de techniek zit in vrijwel elke telefoon, laptop en het merendeel van de elektrische auto's.
Toch lopen onderzoekers tegen grenzen aan. De energiedichtheid van lithium-ion neemt slechts langzaam toe, en de gangbare grondstoffen - lithium, nikkel, kobalt - zijn geografisch geconcentreerd, en de winning ervan brengt milieu- en mensenrechtenvraagstukken met zich mee.
Nieuwe chemieƫn staan op verschillende punten in hun ontwikkeling. Natrium-ionbatterijen zijn net op de markt, maar nog beperkt in schaal. Vaste-stofbatterijen worden al jaren als doorbraaktechnologie aangekondigd door bedrijven als Toyota en QuantumScape, maar massaproductie is herhaaldelijk uitgesteld, onder meer vanwege lastige productieprocessen. Flowbatterijen en ijzer-luchtbatterijen zijn technisch bewezen, maar nog in een vroege commerciƫle fase met een handvol proefprojecten wereldwijd.
Kortom: voor kortdurende opslag (uren) is de techniek volwassen en concurrerend. Voor langdurige opslag (dagen tot seizoenen) staat de ontwikkeling nog in de kinderschoenen, en is elektrochemische opslag niet overal de goedkoopste oplossing - soms is bijvoorbeeld waterstof of pompaccumulatie (opslag door water omhoog te pompen) een alternatief.
Wie werken eraan?
China is veruit de grootste speler: bedrijven als CATL en BYD produceren samen meer dan de helft van alle batterijen wereldwijd en investeren zwaar in zowel lithium-ion als natrium-ion. Zuid-Koreaanse fabrikanten als LG Energy Solution en Samsung SDI en het Japanse Panasonic zijn eveneens grootmachten, met name in de auto-industrie.
In de Verenigde Staten zetten bedrijven als Tesla, QuantumScape en Form Energy in op respectievelijk grootschalige productie, vaste-stofbatterijen en ijzer-luchttechnologie, mede gestimuleerd door Amerikaanse industriesubsidies.
Europa probeert met wisselend succes een eigen industrie op te bouwen. Naast het noodlijdende Northvolt investeren onderzoeksinstituten als het Duitse Fraunhofer-instituut en het Nederlandse TNO in nieuwe batterijchemieƫn en recyclingtechnieken. De Europese Unie financiert dit soort onderzoek onder meer via het Horizon Europe-programma, met als doel minder afhankelijk te worden van batterijen uit Aziƫ.