Energie opslaan met water en keukenzout

Het kunnen opslaan van grote hoeveelheden energie wordt belangrijker naarmate we verder in de energietransitie komen. Lithium-ion technologie is weliswaar efficiënt, maar ook kostbaar. Bovendien worden de grondstoffen voor dergelijke batterijen schaarser en kan het delven ervan tot milieuschade leiden. Met AQUABATTERY is er een goedkoper en milieuvriendelijk alternatief om elektriciteit op te slaan: middels keukenzout en water. 

Waar het idee van energie opslaan met water en keukenzout precies vandaan komt, is lastig te zeggen. Feit is dat Emil Goosen, COO bij AQUABATTERY, al sinds zijn studententijd gefascineerd is door het concept. Goosen deed lang geleden, samen met een medestudent (inmiddels een collega) mee aan de ‘Energy Battle’, een studentencompetitie in Groningen. “We werden daar uitgenodigd door Fujifilm om te kijken naar nieuwe applicaties voor haar onlangs ontwikkelde membraan. Tijdens die competitie werkten we aan een idee om een batterij te maken op basis van water en keukenzout, door energie op te slaan in zoet en zout water. Daarbij maakten we gebruik van dat destijds nieuwe Fujifilm membraan. Op hetzelfde moment draaide er op de Afsluitdijk een project waarbij energie werd opgewekt met behulp van zoet en zout water. Daarbij werd eveneens drinkwater geproduceerd uit zout zeewater, met behulp van datzelfde membraan. Je zou het eerste proces als een ontlaadproces kunnen zien en het tweede als een laadproces. Zo kwam bij ons het idee om die twee processen te combineren in een flow batterij.”

Werking

Anno 2024 is AQUABATTERY talloze labopstellingen en pilotplants verder en is het jonge bedrijf de enige partij ter wereld die deze technologie voorbij de onderzoeksfase heeft weten te krijgen. “Het lijkt misschien geen rocket science, maar het is toch een behoorlijke uitdaging om het hele proces operationeel te krijgen”, weet Goosen.

De technologie achter AQUABATTERY werkt als volgt: er zijn drie vaten, allen gevuld met een oplossing van water en keukenzout. Die oplossing gaat door een stack heen, waardoor, na toevoeging van elektriciteit en met behulp van een aantal membranen, de oplossing wordt gescheiden in een zuur en een base (HCl en NaOH, opgelost in water). Zowel het zuur als de base komen in hun eigen vaten terecht. Meer in detail is de vergelijking als volgt: H2O plus NaCl worden met behulp van elektriciteit HCl (zuur) en NaOH (base). Bij de omgekeerde reactie, waarbij het zuur en de base weer door de stack heen lopen, komt elektriciteit vrij en worden de concentraties van zout en zoet water weer naar de uitgangssituatie hersteld. 

De gebruikte membranen vertonen gelijkenissen met de membranen die worden gebruikt bij de productie van drinkwater, maar ook met de membranen die in een elektrolyserstack worden gebruikt. De membranen zijn gevormd door polymeren. De elektrodes zijn nu nog gecoat met titanium, maar er wordt inmiddels gewerkt aan een alternatief. “We kijken continu naar optimalisatiemogelijkheden wat betreft de componenten en materialen die we gebruiken”, verduidelijkt Goosen.

Lokale opslag

AQUABATTERY zit inmiddels in de fase van de wat grotere pilots. Goosen: “We maken nu flowbatterijen op de schaal van zeecontainers. Over een jaar of twee zijn we daar waarschijnlijk uitgegroeid.” Op dit moment wordt er bijvoorbeeld gewerkt aan een pilotinstallatie bij een zonnepark van Deltares in Delft. Deltares wil graag de mogelijkheden van lokale opslag van elektriciteit onderzoeken. “De installatie die we gaan bouwen, heeft zo’n 10 uur aan opslagcapaciteit.” 

Levelized cost of storage

De AQUABATTERY heeft een aantal onbetwistbare voordelen ten opzichte van Li-ion batterijen: er wordt geen gebruik gemaakt van kostbare en milieuverontreinigende delfstoffen én de batterij degradeert niet tijdens de levensduur. Dat lithium vele malen duurder is dan water met keukenzout, moge duidelijk zijn. “Het kostbaarste onderdeel van onze flowbatterij is de stack. De verwachte levensduur van een stack is twintig jaar”, weet Goosen. “Hoeveel goedkoper onze oplossing is ten opzichte van Li-ion, hangt eigenlijk vooral af van de opslagduur van energie. Het maakt nogal wat uit of je energie voor vier, acht of honderd uur opslaat. Het gaat dan om de levelized cost of storage. Op basis van die waarde worden energieopslagoplossingen met elkaar vergeleken. Die waarde wordt bepaald door de efficiëntie van je oplossing, levensduur, maar ook andere CapEx-factoren.”

Inzicht in niveaus

Voor zowel de procesveiligheid als procesefficiëntie is inzicht in de niveaus in de drie verschillende vaten nodig. Goosen: “Voor de duidelijkheid: de drie vaten raken gedurende het proces nooit leeg. Het water van de tank met de zoutoplossing loopt na het passeren van de stack gewoon terug naar het vat. Alleen de ionen worden naar het base- en zuurvat getransporteerd. De niveaus in de vaten verschillen dus ook niet heel veel in de verschillende stadia van het proces, maar toch moet je ze in de gaten houden. Tijdens het proces zou er namelijk osmose kunnen plaatsvinden en dat heeft uiteraard wél invloed op het niveau. Water kan daarnaast ook uitzetten en krimpen en ook dat merk je in de niveaus. Ook kan het zo zijn dat je ergens lekkage hebt. Kortom: inzicht in de niveaus is echt noodzakelijk.”

Minstens zo belangrijk is dat de data uit de niveaumeter wordt ingezet om de state of charge (SOC) van de batterij te bepalen. Goosen: “De concentratie van de volumes, vermenigvuldigd met de niveaus in de vaten, bepalen de SOC. Dat levert een betrouwbare indicator op van de lading.” 

Type meting

De snelheid van de meting is niet het belangrijkste criterium bij de selectie van een meetmethode. Een of twee keer per minuut meten is ruim voldoende voor deze toepassing, weet Goosen. “Tijdens de pilotfase hebben we heel wat oplossingen de revue laten passeren. We begonnen met carbon-elektroden die in het water hingen. Daarna hebben we verschillende soorten ultrasoonsensoren getest, waarbij de condensvorming een betrouwbare uitlezing bleek te verhinderen. We hebben ook geëxperimenteerd met een vlottermeting, die we als ondervul- en overvulbeveiliging gebruikten. Dat werkte op zich wel, maar het levert geen echte realtime data op en daar kun je dus geen proces op sturen.”

Na enige tijd besluit het team van AQUABATTERY om met radarniveaumeting aan de slag te gaan. “Dit type meting sluit het beste aan op onze applicatie. Vervolgens hebben we verschillende sensoren van verschillende leveranciers vergeleken en toen kwamen we al vrij vlot bij VEGA uit. Zij levert goede sensoren voor competitieve prijzen. Op basis van onze specificaties werd ons de VEGAPULS C11 uit de BASIC serie geadviseerd.”

Accuraat en eenvoudig

Voor VEGA is de applicatie bij AQUABATTERY relatief eenvoudig, weet Jeroen Pellicaan, Account Manager bij VEGA. “We hebben te maken met tanks zonder roerwerken, waarbij er geen schuimvorming optreedt. Op basis van deze omstandigheden en de overige specificaties van de klant is een BASIC radarniveausensor een slimme keuze. Je hebt dan een zeer accurate en betrouwbare niveaumeting voor een relatief kleine investering, die bovendien uitermate eenvoudig in gebruik is.”

Een van de voordelen van contactloze radarniveausensoren is dat de sensor zelf niet in aanraking komt met het medium. Pellicaan: “Bij dit soort oplossingen zou je anders toch te maken kunnen krijgen met kristallisatie op de lens of vervuiling op andere plaatsen. Onze sensor hangt boven de vloeistof en dat zorgt voor een onderhoudsvrije oplossing.”

Snel in bedrijf

De sensor werd door een medewerker van AQUABATTERY zelf geïnstalleerd. “Het werkt inderdaad zeer intuïtief”, weet Goosen. “Het is een kwestie van de handleiding erbij pakken en vervolgens is de sensor heel snel in bedrijf.”

De data uit de niveaumeter wordt bij AQUABATTERY via de 4-20 mA uitgang naar een PLC en vervolgens naar het eigen batterijbeheersysteem (BMS) gestuurd. “Daarin hebben we een onder- en overvulalarm geprogrammeerd, zodat we nooit voor verrassingen komen te staan.” 

Opschaalbaar

Goosen zet met AQUABATTERY in op grootschalige toepassingen, bij zonneparken, windparken en op plekken waar lokaal energie wordt opgewekt voor ‘achter de meter’ opslag. “Onze kleinste unit wordt straks waarschijnlijk de 100 kW voor zakelijke toepassingen. Een toepassing als huisbatterij voor huishoudens is voor ons te klein.”

De units van AQUABATTERY zijn zeer goed schaalbaar. “Het is echt een kwestie van meer vaten toevoegen aan de applicatie en je kunt weer verder. Ook is het mogelijk om grotere vaten te gebruiken.” 

Het grote voordeel van energie lokaal kunnen opslaan en op een later moment weer gebruiken, is dat je geen gebruik hoeft te maken van het overbelaste stroomnet. Goosen is desondanks ook realistisch: “Met opslag in batterijen alleen ga je het niet redden, maar als onderdeel van het grote geheel is lokale opslag een heel goed idee.” 

Naar verwachting zullen de units van AQUABATTERY vanaf 2026 commercieel verkrijgbaar zijn.