In de afgelopen decennia zijn de kosten van wind- en zonne-energieopwekking dramatisch gedaald. Dit is een van de redenen dat het Amerikaanse ministerie van Energie projecteert dat hernieuwbare energie tot 2050 de snelstgroeiende Amerikaanse energiebron zal zijn.
Het is echter nog steeds relatief duur om energie op te slaan. En aangezien hernieuwbare energieopwekking niet altijd beschikbaar is – het gebeurt wanneer de wind waait of de zon schijnt – is opslag essentieel.
Als onderzoeker bij het National Renewable Energy Laboratory werk ik samen met de federale overheid en de particuliere industrie om technologieën voor de opslag van hernieuwbare energie te ontwikkelen. In een recent rapport schatten onderzoekers van NREL dat het potentieel bestaat om de opslagcapaciteit voor hernieuwbare energie in de VS tegen 2050 met maar liefst 3.000% procent te vergroten.
Hier zijn drie opkomende technologieën die kunnen helpen om dit mogelijk te maken:
Langere kosten
Van alkalinebatterijen voor kleine elektronica tot lithium-ionbatterijen voor auto’s en laptops, de meeste mensen gebruiken batterijen al in veel aspecten van hun dagelijks leven. Maar er is nog veel ruimte voor groei.
Batterijen met een hoge capaciteit en lange ontlaadtijden – tot 10 uur – kunnen bijvoorbeeld waardevol zijn voor het ’s nachts opslaan van zonne-energie of het vergroten van het bereik van elektrische voertuigen. Op dit moment zijn er maar heel weinig van dergelijke batterijen in gebruik. Volgens recente projecties zal er echter tegen 2050 waarschijnlijk meer dan 100 gigawatt aan van deze batterijen worden geïnstalleerd. Ter vergelijking: dat is 50 keer de opwekkingscapaciteit van Hoover Dam. Dit kan een grote impact hebben op de levensvatbaarheid van hernieuwbare energie.
Een van de grootste obstakels is de beperkte aanvoer van lithium en kobalt, die momenteel essentieel zijn voor het maken van lichtgewicht, krachtige batterijen. Volgens sommige schattingen zal ongeveer 10% van ’s werelds lithium en bijna alle kobaltreserves in de wereld tegen 2050 uitgeput zijn.
Bovendien wordt bijna 70% van het kobalt in de wereld in Congo gewonnen, onder omstandigheden die al lang als onmenselijk zijn gedocumenteerd.
Wetenschappers werken aan het ontwikkelen van technieken voor het recyclen van lithium- en kobaltbatterijen en aan het ontwerpen van batterijen op basis van andere materialen. Tesla is van plan om de komende jaren kobaltvrije batterijen te produceren. Anderen streven ernaar lithium te vervangen door natrium, dat eigenschappen heeft die erg lijken op die van lithium, maar veel overvloediger is.
Veiligere batterijen
Een andere prioriteit is om batterijen veiliger te maken. Een gebied voor verbetering is elektrolyten – het medium, vaak vloeibaar, dat een elektrische lading van de anode van de batterij, of negatieve terminal, naar de kathode of positieve terminal laat stromen.
Wanneer een batterij in gebruik is, bewegen geladen deeltjes in de elektrolyt zich om de lading van de elektriciteit die uit de batterij stroomt in evenwicht te brengen. Elektrolyten bevatten vaak brandbare materialen. Als ze lekken, kan de batterij oververhit raken en vlam vatten of smelten.
Wetenschappers ontwikkelen vaste elektrolyten, die batterijen robuuster zouden maken. Het is veel moeilijker voor deeltjes om zich door vaste stoffen te verplaatsen dan door vloeistoffen, maar bemoedigende resultaten op laboratoriumschaal suggereren dat deze batterijen de komende jaren klaar kunnen zijn voor gebruik in elektrische voertuigen, met streefdata voor commercialisering al in 2026.
Terwijl solid-state batterijen zeer geschikt zouden zijn voor consumentenelektronica en elektrische voertuigen, voor grootschalige energieopslag, streven wetenschappers naar volledig vloeibare ontwerpen die flowbatterijen worden genoemd.
In deze apparaten zijn zowel de elektrolyt als de elektroden vloeistoffen. Dit maakt supersnel opladen mogelijk en maakt het gemakkelijk om echt grote batterijen te maken. Momenteel zijn deze systemen erg duur, maar onderzoek blijft de prijs verlagen.
Zonlicht opslaan als warmte
Andere opslagoplossingen voor hernieuwbare energie kosten in sommige gevallen minder dan batterijen. Geconcentreerde zonne-energiecentrales gebruiken bijvoorbeeld spiegels om zonlicht te concentreren, dat honderden of duizenden tonnen zout opwarmt totdat het smelt. Dit gesmolten zout wordt vervolgens gebruikt om een elektrische generator aan te drijven, net zoals steenkool of kernenergie wordt gebruikt om stoom te verwarmen en een generator aan te drijven in traditionele centrales.
Deze verwarmde materialen kunnen ook worden opgeslagen om elektriciteit te produceren wanneer het bewolkt is, of zelfs ’s nachts. Deze aanpak zorgt ervoor dat geconcentreerde zonne-energie de klok rond kan werken.
Dit idee kan worden aangepast voor gebruik met niet-zonne-energieopwekkingstechnologieën. Elektriciteit gemaakt met windenergie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om zout te verwarmen voor later gebruik als het niet waait.
Het concentreren van zonne-energie is nog relatief duur. Om te kunnen concurreren met andere vormen van energieopwekking en -opslag, moet het efficiënter worden. Een manier om dit te bereiken is om de temperatuur waarop het zout wordt verwarmd te verhogen, waardoor een efficiëntere elektriciteitsproductie mogelijk wordt.
Helaas zijn de zouten die momenteel in gebruik zijn niet stabiel bij hoge temperaturen. Onderzoekers werken aan de ontwikkeling van nieuwe zouten of andere materialen die bestand zijn tegen temperaturen tot 1.300 graden Fahrenheit (705 C).
Een toonaangevend idee voor het bereiken van een hogere temperatuur is het opwarmen van zand in plaats van zout, dat bestand is tegen de hogere temperatuur. Het zand zou dan met transportbanden van het verwarmingspunt naar de opslag worden verplaatst. Het ministerie van Energie heeft onlangs financiering aangekondigd voor een pilot geconcentreerde zonne-energiecentrale op basis van dit concept.
Geavanceerde hernieuwbare brandstoffen
Batterijen zijn nuttig voor energieopslag op korte termijn en geconcentreerde zonne-energiecentrales kunnen helpen het elektriciteitsnet te stabiliseren. Nutsbedrijven moeten echter ook veel energie opslaan voor onbepaalde tijd.
Dit is een rol voor hernieuwbare brandstoffen zoals waterstof en ammoniak. Nutsbedrijven zouden energie in deze brandstoffen opslaan door ze met overtollige stroom te produceren, wanneer windturbines en zonnepanelen meer elektriciteit opwekken dan de klanten van de nutsbedrijven nodig hebben.
Waterstof en ammoniak bevatten meer energie per pond dan batterijen, dus ze werken waar batterijen dat niet doen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor het verzenden van zware ladingen en het uitvoeren van zwaar materieel, en voor raketbrandstof.
Tegenwoordig worden deze brandstoffen meestal gemaakt van aardgas of andere niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen via extreem inefficiënte reacties. Hoewel we het zien als een groene brandstof, wordt het meeste waterstofgas tegenwoordig gemaakt van aardgas.
Wetenschappers zijn op zoek naar manieren om waterstof en andere brandstoffen te produceren met behulp van hernieuwbare elektriciteit. Het is bijvoorbeeld mogelijk om waterstofbrandstof te maken door watermoleculen te splitsen met behulp van elektriciteit. De belangrijkste uitdaging is het optimaliseren van het proces om het efficiënt en economisch te maken. De potentiële uitbetaling is enorm: onuitputtelijke, volledig hernieuwbare energie.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd door Het gesprek op 26 augustus 2021 en werd ter beschikking gesteld aan Good Good Good.