Thermische batterij: energie opslaan als hitte in steen, zout of koolstof
Een thermische batterij slaat energie niet op in chemische vorm, zoals een gewone accu, maar als warmte. Elektriciteit — bijvoorbeeld van een zonnepark op een zonnige middag — verhit een goed geïsoleerd blok baksteen, gesteente, gesmolten zout of koolstof tot honderden of zelfs meer dan duizend graden Celsius. Die hitte blijft dagenlang bewaard, ongeveer zoals een dikke thermoskan koffie warm houdt, maar dan op industriële schaal en bij extreme temperaturen. Wanneer de energie nodig is, wordt de warmte er weer uitgehaald: als stoom of hete lucht voor een fabriek, of — met verlies — omgezet in elektriciteit.
Het idee klinkt eenvoudig, maar lost een lastig probleem op. Zonnepanelen en windturbines leveren stroom wanneer de zon schijnt of de wind waait, niet per se wanneer fabrieken die nodig hebben. Bovendien gebruikt de zware industrie — denk aan cement, staal, voedingsmiddelen of chemie — enorme hoeveelheden hitte, en juist dat is lastig te elektrificeren. Thermische batterijen proberen beide problemen tegelijk aan te pakken: ze vangen overtollige groene stroom op en zetten die om in bruikbare industriële warmte, tegen relatief lage kosten omdat het opslagmateriaal vaak niet meer is dan steen, zand of gietijzer.
Wat is het precies?
Kort uitgelegd werkt een thermische batterij in drie stappen. Eerst wordt elektriciteit via weerstandsverwarming omgezet in warmte — hetzelfde principe als een broodrooster of kachel: stroom door een geleider laten lopen zodat die heet wordt.
Daarna wordt die warmte vastgehouden in een goedkoop, warmtebestendig materiaal, ingesloten in een dik geïsoleerde container. Sommige systemen gebruiken baksteen, keramiek of gesteente en halen 600 tot 1000°C; andere, nieuwere ontwerpen gebruiken koolstofblokken en gaan richting 1500 tot 2400°C.
Ten slotte, als de energie nodig is, stroomt lucht of stoom langs het hete materiaal en neemt de warmte over. Die hete lucht of stoom kan direct naar een fabriek voor een industrieel proces, of naar een turbine om weer elektriciteit te maken.
Dat laatste kost efficiëntie: van elektriciteit naar warmte en weer terug naar elektriciteit gaat doorgaans veertig tot zestig procent van de energie verloren, vooral bij omzetting via een stoomturbine. Gebruik je de warmte direct voor een industrieel proces, dan blijft bijna alles behouden — dat maakt directe warmtelevering de meest efficiënte toepassing. Een nieuwere aanpak gebruikt thermofotovoltaïsche cellen: speciale cellen die, net zoals een zonnepaneel zonlicht omzet, het gloeiende infrarode licht van het hete materiaal rechtstreeks omzetten in stroom, zonder bewegende turbine.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste doel is het verduurzamen van industriële proceswarmte. Wereldwijd gaat naar schatting een vijfde van al het energiegebruik naar hitte voor industriële processen, meestal opgewekt met aardgas of kolen. Die processen rechtstreeks elektrificeren is vaak lastig of duur; een thermische batterij biedt een tussenstap waarbij groene stroom eerst wordt omgezet in de hoge temperaturen die fabrieken nodig hebben.
Het tweede doel is het opvangen van overschotten uit zon en wind. Op momenten dat er meer groene stroom wordt opgewekt dan het net aankan, wordt die stroom soms simpelweg niet gebruikt (curtailment). Een thermische batterij kan die overtollige stroom benutten in plaats van hem weg te gooien.
Het derde doel is kostenbesparing ten opzichte van lithium-ionbatterijen voor opslag over langere periodes — uren tot dagen in plaats van minuten. Lithium is relatief duur per opgeslagen kilowattuur en wordt bovendien hard nodig voor elektrisch vervoer; steen, zand of gietijzer zijn juist goedkoop en overal beschikbaar, wat thermische opslag aantrekkelijk maakt voor langere opslagduur.
Voorbeelden uit de praktijk
Rondo Energy — Calgren Renewable Fuels, Verenigde Staten (2023). Het Amerikaanse bedrijf Rondo Energy nam zijn eerste commerciële installatie in gebruik bij een ethanolfabriek van Calgren Renewable Fuels in Californië. Bakstenen worden elektrisch verhit en leveren stoom voor het productieproces, waardoor minder aardgas nodig is.
Polar Night Energy — zandbatterij in Kankaanpää, Finland (2022). Het Finse bedrijf Polar Night Energy bouwde bij energiebedrijf Vatajankoski wat wordt beschouwd als een van de eerste commerciële zandbatterijen ter wereld. Zo'n honderd ton zand wordt verwarmd tot circa 500°C en levert warmte aan het lokale stadsverwarmingsnet. Een aanzienlijk grotere versie is aangekondigd voor de Finse plaats Pornainen.
Antora Energy — demonstratieproject in Fresno, Californië (vanaf 2024). Antora Energy verhit blokken koolstof tot ze gloeien en zet dat licht met thermofotovoltaïsche cellen om in stroom, of levert de warmte rechtstreeks als industriële hitte. Het bedrijf werkt onder meer samen met partijen uit de zware industrie om de technologie in de praktijk te testen.
Siemens Gamesa/Siemens Energy — ETES-proefinstallatie, Hamburg-Altenwerder, Duitsland (sinds 2019). Deze pilot met een capaciteit van ongeveer 130 megawattuur verhit vulkanisch gesteente tot zo'n 750°C en zet de warmte via een stoomturbine terug om in elektriciteit, met een rendement van naar schatting 35 tot 40 procent — een van de eerste projecten die liet zien dat ook de terugweg naar stroom werkt.
Hoe ver is de techniek?
De sector bevindt zich in de overgang van proefinstallaties naar de eerste commerciële toepassingen. De meeste bestaande projecten leveren enkele tot enkele honderden megawattuur op — nuttig, maar nog klein vergeleken met de totale industriële warmtevraag wereldwijd.
Het tempo ligt hoog: de afgelopen paar jaar zijn tientallen bedrijven met uiteenlopende varianten gestart, en investeringen in de sector groeien snel. Er is nog geen dominante technologie; baksteen, zand, gesmolten zout, koolstof en gietijzer concurreren allemaal als opslagmateriaal, elk met eigen voor- en nadelen op het gebied van temperatuur, kosten en levensduur.
De belangrijkste obstakels zijn de hoge investeringskosten vooraf, het feit dat bestaande fabrieken vaak zijn gebouwd rond installaties op aardgas en dus (deels) moeten worden aangepast, het efficiëntieverlies bij het terugzetten van warmte in elektriciteit, en de nog relatief hoge kosten van thermofotovoltaïsche cellen, die pas de laatste jaren de labfase ontgroeien. Ook hangt de terugverdientijd sterk af van lokale stroom- en gasprijzen en van eventuele CO2-beprijzing, wat de business case per land en sector sterk laat verschillen.
Wie werken eraan?
- Rondo Energy (Verenigde Staten) — ontwikkelaar van de baksteentechnologie RondoHeat, met investeerders uit de zware industrie en klimaattechnologie.
- Antora Energy en Fourth Power (Verenigde Staten) — koolstofblokken met thermofotovoltaïsche cellen; beide bedrijven hebben wortels in onderzoek rond het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
- Electrified Thermal Solutions (Verenigde Staten) — MIT-spin-off die zelfgeleidende vuurvaste bakstenen ontwikkelt onder de naam Joule Hive Thermal Battery.
- Polar Night Energy (Finland) — zandbatterijen voor stadsverwarming.
- Siemens Energy (Duitsland) — het ETES-systeem op basis van vulkanisch gesteente.
- Malta Inc. (Verenigde Staten) — voortgekomen uit Alphabets onderzoekslab X, ontwikkelt opslag met gesmolten zout aan de warme kant en een koude vloeistof aan de andere kant.
- Kraftblock (Duitsland) en EnergyNest (Noorwegen) — opslagmaterialen op basis van onder meer gerecycled beton en industrieel afval.
Daarnaast volgt het Internationaal Energieagentschap (IEA) de ontwikkeling van thermische opslag als onderdeel van bredere analyses over de verduurzaming van industriële warmte.