Bij AquaBattery maken de concentraties het verschil 

Start-up ontwikkelt batterijen voor tijdelijke opslag van duurzame elektriciteit

In Nederland groeit het aanbod van zonne- en windenergie en daarmee het probleem dat het aanbod van duurzaam opgewekte elektriciteit wisselt met het weer. Een tijdelijke opslag van de geproduceerde elektriciteit kan dit probleem ondervangen, maar er zijn niet voldoende eco-friendly en lang werkende batterijen die vele laad-en-ontlaadcycli kunnen draaien zonder verlies van vermogen. De start-up AquaBattery ontwikkelt veilige, duurzame en recyclebare batterijen, die daarin verandering kunnen brengen.

AquaBattery is in 2014 opgericht door de huidige CEO van het bedrijf, Jiajun Cen en vier andere jonge ingenieurs. Momenteel werken er in totaal dertien mensen bij het bedrijf. Cen: “Bij een lage productie van elektriciteit uit zonne- en windenergie kunnen er lokaal tekorten ontstaan en bij een hoge productie kan het net overbelast raken. Om vraag en aanbod op het net steeds in balans te houden is een opslagsysteem nodig. Echter, om de energietransitie naar 100% hernieuwbare energie te bewerkstelligen moet er voldoende energie worden opgeslagen om een 'Dunkelflaute' van ongeveer twee weken te helpen overbruggen.” 

 

Wie is Jiajun Cen

CEO Jiajun Cen is een entrepreneur met een technische achtergrond, die is gepromoveerd aan het Imperial College London. In het Amerikaanse tijdschrift Forbes stond hij in 2019 op de lijst ‘30 Under 30’ voor Europa vermeld bij de categorie ‘Manufacturing & Industry’. Hij hoopt te kunnen bijdragen aan het versnellen van de energietransitie door duurzame batterijen te ontwikkelen. Ook is hij betrokken bij het ontwikkelen van technieken voor de ontzilting van water met behulp van zonne-energie.

AquaBattery, gevestigd in Leiderdorp, werkt in dit verband hard aan de ontwikkeling van de BlueBattery, GreenBattery en TerraBattery. De eerste twee zijn zogeheten flow batteries, waarvan het vermogen in kilowatt of megawatt losstaat van de opslagcapaciteit in kilowattuur of megawattuur. “Het vermogen en de opslagcapaciteit kunnen dus onafhankelijk van elkaar gekozen worden. Dat maakt het mogelijk om de vereiste opslagcapaciteit voor circa twee weken op een duurzame en relatief goedkope manier te realiseren”, aldus Cen. De derde batterij, de TerraBattery, is een verbeterde versie van een nikkelijzerbatterij.

BlueBattery

AquaBattery heeft eerst de BlueBattery ontwikkeld. Deze maakt bij het opladen gebruik van elektrodialyse (ED) om energie op te slaan in water en een zout, bijvoorbeeld natriumchloride. Het ontladen geschiedt met behulp van omgekeerde electrodialyse (RED). 

 

Electrodialyse is al bekend sinds 1890 en wordt tegenwoordig onder meer toegepast om water te ontzilten. Hierbij worden positieve en negatieve ionen door middel van een elektrisch veld en een semi-permeabel membraan gescheiden. Verder is al meer dan een halve eeuw bekend, dat het verschil in zoutconcentratie tussen zoetwater en zeewater elektriciteit kan opleveren. In 1954 beschreef de Britse ingenieur R.E. Pattle dit voor het eerst in Nature. Het Nederlandse bedrijf REDstack past dit principe momenteel toe bij de productie van ‘Blue Energy’ bij de Afsluitdijk. 

 

Het vermogen van de BlueBattery hangt samen met de grootte van een membraanstack, of om precies te zijn met de grootte van het actieve membraanoppervlak. De stack bestaat uit anion- en kationwisselingsmembranen (AEM en CEM), die om en om gestapeld zijn. Tussen elke twee membranen bevindt zich een spacer. Dit is in feite een pakking met in het midden een poreuze structuur. Deze vormt een compartiment tussen twee parallel geplaatste membranen, bijvoorbeeld een anion- en een kationwisselingsmembraan. In die ruimte kan zout water langs de membranen stromen. Bij het aanleggen van een spanningsveld bewegen de negatief geladen ionen, zoals de chloride-ionen, zich door de AEM naar de positief geladen elektrode. Tegelijk verplaatsen de positief geladen ionen, zoals de natriumionen, zich door de CEM naar de negatief geladen elektrode. Zo ontstaan er compartimenten waar de zoutconcentratie toeneemt en andere compartimenten waarbij die juist afneemt. De elektrodialyse levert zodoende een stroom zoet water en een stroom zout water op, die de stack verlaten en gescheiden van elkaar worden opgeslagen in reservoirs. 

 

Als de BlueBattery elektriciteit moet leveren, stromen het zoute en zoete water weer naar de membraanstack. Het concentratieverschil drijft de ionen vervolgens door de membranen, waarbij door omgekeerde elektrodialyse (RED) elektriciteit wordt opgewekt. De grootte van de waterreservoirs bepalen de opslagcapaciteit van de BlueBattery. Per kubieke meter water kan ongeveer 1 kWh aan energie worden opgeslagen.

“Doordat water en keukenzout op veel plaatsen in de wereld ruimschoots beschikbaar zijn, kunnen we met de BlueBattery-techniek op een goedkope en duurzame manier flink wat opslagcapaciteit realiseren. Op megawattuur-schaal zullen de kosten van de opslag in de orde van honderd euro per kilowattuur belopen”, aldus Cen. 
In 2017 bouwde het team van AquaBattery een eerste exemplaar van de BlueBattery met een vermogen van 1 kW en een opslagcapaciteit van 10 kWh. Die is vervolgens geïntegreerd en getest [1,2] in een demonstratie-opstelling op het terrein van The Green Village op de campus van Technische Universiteit Delft. Op dat terrein testen ook andere start-ups nieuwe technologie.

GreenBattery

Inmiddels heeft AquaBattery een verbeterde versie van de BlueBattery ontwikkeld, de GreenBattery. Deze flowbattery heeft een vermogen van circa 1 kW per kubieke meter membraanstack (i.e. 1 kW/m³ stack) en een energiedichtheid van circa 3 kWh per kubieke meter water, drie maal zo hoog als die van de BlueBattery. 

Bij het laadprocess wordt duurzame energie chemisch omgezet in een zuur, base en zoutwater volgens het bipolar membrane electrodialysis (BPM-ED) principe.

 

Naast de ionenwisselingsmembranen AEM en CEM van de BlueBattery bevat de GreenBattery bipolaire membranen (BPM), waardoor de membraanstack van de GreenBattery duurder uitvalt. Cen verwacht echter, dat de prijs van de membranen zal dalen, omdat de vraag naar bipolaire membranen toeneemt, ook voor andere toepassingen, zoals voor het zero-liquid-discharge proces dat voornamelijk wordt gebruikt om ‘brine’ van ontziltingsfabrieken te verwerken. Tegelijkertijd onderzoeken diverse partijen (zoals het bedrijf FujiFilm en onderzoeksinstituut Wetsus) hoe de verhouding van de vermogensdichtheid tot de prijs omhoog kan, dus een hogere W/m²-waarde van het membraan voor een lagere prijs.

AquaBattery bouwt momenteel een demonstratie-opstelling met een GreenBattery op het Italiaanse eiland Pantelleria met een vermogen van 1kW en een opslagcapaciteit van 7 kWh [4] in het kader van een Europees onderzoeksproject.

“Aangezien de BlueBattery en de GreenBattery allebei elektrische energie opslaan in water en zout zijn ze bijzonder geschikt om te combineren met drijvende stations voor zonne-energie en windmolenparken op zee. De techniek is inherent veilig, ook als je ze op of in het water toepast, omdat deze batterijen geen toxische stoffen bevatten, zoals een lithium- of loodzuurbatterij”, licht Cen toe.

TerraBattery

“Flowbatterijen hebben als nadeel dat je ze niet snel kunt starten”, vervolgt Cen. “Wanneer je ze aanzet en de pompen beginnen te draaien, duurt het een paar minuten voordat ze hun volle vermogen kunnen leveren.”

Om ze toch aantrekkelijk te maken voor brede toepassingen heeft AquaBattery een hybridesysteem ontwikkelt dat bestaat uit een ‘opstartbatterij’ en een ‘flowbatterij’. Voor de opstartbatterij is het vereist dat het snel moet kunnen reageren, lang mee gaat - lees: veel laad- en-ontlaadcycli kunnen doorlopen - en gemaakt moet zijn van duurzame en volledige recyclebare materialen. Uiteindelijk kwam het onderzoeksteam uit bij de nikkel-ijzer-batterij (NiFe-batterij), ook wel de ‘Edison-batterij’ genoemd, die de Amerikaanse uitvinder Thomas Edison al in 1901 heeft gepatenteerd. Die batterij kan als opstartbatterij fungeren, zodat er bij het opstarten van de GreenBattery al meteen stroom beschikbaar is.

Volgens Cen is de NiFe-batterij robuust en kan zij vele laad- en ontlaadcycli doorlopen. Verder bestaat ze uit materiaal dat gemakkelijk te recyclen is. De batterij heeft echter drie nadelen. Ten eerste wordt er bij overladen waterstof geproduceerd, wat tot onveilige situaties kan leiden wanneer de concentratie waterstof lokaal te hoog oploopt. Ten tweede verliest de batterij hiervoor relatief snel elektrolyt, wat regelmatig onderhoud vergt. Ten derde is de zelfontlading van de batterij aan de hoge kant. Inmiddels heeft AquaBattery hiervoor oplossingen gevonden en de TerraBattery uitgebracht als verbeterde versie van de NiFE-batterij.

Cen: “In eerste instantie was de TerraBattery bedoeld als opstartbatterij. Maar op de markt bleek er ook vraag te zijn naar afzonderlijke exemplaren van deze batterij. Inmiddels verkopen we die als standalone product.”

 

Referenties

[1] Ontwikkeling en integratie van de Blue Battery, https://bit.ly/360bLhK, last retrieved on 21 April 2020.
[2] Blue Battery at the Green Village, https://bit.ly/3cAZLWg, last retrieved on 21 April 2020.
[3] Van Egmond, W. J. et. al. (2018). Performance of an environmentally benign acid base flow battery at high energy density. International Journal of Energy Research, 42(4), 1524–1535.
https://doi.org/10.1002/er.3941
[4] BAoBaB, https://bit.ly/2X11aiu, last retrieved on 21 April 2020.