Nieuwe TU Delft ‘battolyser’ combineert elektriciteitopslag en waterstofproductie in één systeem en maakt efficiënte en betaalbare opslag van elektriciteit mogelijk

20 december 2016 door Webredactie Communication

Voor het eerst hebben onderzoekers van de TU Delft onder leiding van prof. Fokko Mulder een geïntegreerd batterij-elektrolyse-apparaat geproduceerd, een zogenoemde ‘battolyser’. Het apparaat kan op een efficiënte manier elektriciteit opslaan of leveren als een batterij én kan water splitsen in waterstof en zuurstof door elektrolyse. Deze week is een eerste publicatie in Energy & Environmental Science verschenen en is, met steun van verschillende bedrijven, een onderzoeksprogramma gehonoreerd door Technologiestichting STW.


Het grote aanbod aan duurzaam opgewekte elektriciteit uit wind en zon is niet op ieder gewenst moment beschikbaar. Daarom is er grote behoefte aan opslag van elektriciteit, zowel voor de korte termijn (dag en nacht) als voor de lange termijn (weken/seizoenen). Voor de korte termijn is opslag in batterijen het beste idee, terwijl voor langere termijnen opslag van energie in kunstmatig geproduceerde brandstoffen, zoals waterstof, het meest geschikt is. 

“Elektriciteit en waterstof zijn altijd beschouwd als twee gescheiden en zelfs concurrerende oplossingen voor energieopslag”, zegt Mulder. “Met de battolyser hebben we nu voor het eerst een geïntegreerd batterij-elektrolyse-apparaat gemaakt dat heel efficiënt elektriciteit kan opslaan en leveren als een batterij, en wanneer de batterij vol is vanzelf water gaat splitsen in waterstof en zuurstof door elektrolyse. Door de combinatie van batterijtechnologie met elektrolyse bereiken we een uitstekende totale efficiëntie tot 90%. De battolyser blijkt bovendien stabiel, zowel als batterij en als elektrolyser, ook bij lang en intensief laden, ontladen en waterstofproductie.”

Hoe werkt het?

De battolyser is gebaseerd op een zogenoemde nikkel-ijzer batterij, een batterijvariant die vorige eeuw vooral door Thomas Edison werd gepromoot. Mulder: “Het is een erg robuuste batterij. Exemplaren van toen doen het nog steeds. De basismaterialen zijn bovendien goedkoop en overal verkrijgbaar.” Tijdens het opladen vormen de elektrodes van de batterij twee materialen (NiOOH en gereduceerd Fe). In de elektrolysewereld zijn deze materialen bekend als katalysator voor de chemische reactie die waterstof en zuurstof oplevert. De elektrodes maken daarmee in geladen toestand de elektrolyse van water mogelijk.

Slim gebruik maken van natuurlijke eigenschappen van materialen

Dat er bij deze nikkel-ijzerbatterij tijdens het laden ook waterstofgas wordt geproduceerd, werd volgens Mulder altijd als lastig nadeel gezien en dit was een van de redenen dat andere batterijtypes uiteindelijk succesvoller werden. “Omdat de batterijwereld en de waterstofwereld (solar fuels) met elkaar concurreren en maar weinig van elkaar leren, heeft er nooit iemand geprobeerd de twee te combineren en te kijken of dat iets zou opleveren. Terwijl we zowel batterijopslag als brandstoffen nodig hebben.” Mulder bouwde daarom samen met student Bernhard Weninger een eerste prototype ter grootte van een stoeptegel. “Het werkte direct. Zodra de batterij vol begon te raken, begon hij waterstof te produceren”, aldus Mulder. “Heel simpel gesteld maken we nu gebruik van wat de natuur automatisch doet. We gebruiken de natuurlijke eigenschappen van de materialen op een slimme manier zonder ertegen te vechten.”

Vraag en aanbod van elektriciteit in evenwicht

Het unieke van de nikkel-ijzercombinatie is dat elektriciteitopslag en waterstofproductie ook heel efficiënt gebeurt. Dit apparaat past daarom goed bij de variatie in stroomaanbod en prijzen. Mulder: “Is er veel stroom en is de prijs laag dan slaan we op; is er nog meer goedkope stroom dan maken we waterstof. En is er te weinig stroom en de prijs dus hoog dan leveren we stroom terug.” De battolyser staat daarmee eigenlijk nooit stil en levert twee functies voor de prijs van een. Het geproduceerde waterstofgas kan (later) weer gebruikt worden als brandstof in brandstofcellen of gascentrales en dienen als grondstof voor de chemische industrie, bijvoorbeeld voor de productie van ammoniak.

Opschalen

De volgende stappen zijn onderzoek naar verdere efficiëntieverbeteringen en schaalvergroting van wat er nu al is. Technologiestichting STW heeft het onderzoeksprogramma gehonoreerd en verschillende bedrijven investeren in het onderzoek. 

John Nijenhuis, Technology Transfer Officer van de TU Delft: “De schaalvergroting tot een battolyser ter grootte van een zeecontainer moet bewijzen dat de techniek ook past op de schaal van de stroomproductie van een forse windmolen.” De grote battolyser moet over anderhalf jaar gereed en getest zijn.

Research Engineer Yasmina Bennani van Proton Ventures, een ingenieursbureau gespecialiseerd in de productie, opslag en transport van ammoniak: “Waterstof is onze grondstof. Wij zijn dus erg geïnteresseerd in methoden om groene waterstof te maken. De battolyser is uniek omdat het tegelijkertijd een batterij is. Een goede en voor ons bijzonder efficiënte combinatie.” 

Technology Coördinator Geert Laagland van energieproducent Nuon ziet de ammoniak gemaakt met behulp van duurzame waterstof als de toekomstige brandstof voor de moderne Magnum-centrale in de Eemshaven: “Als er te weinig wind en zonnestroom is, kunnen wij direct op grote schaal schone stroom leveren met behulp van die ammoniak. Nuon zit in de gebruikersgroep van STW. Wij zijn uiteraard erg nieuwsgierig naar de kostprijs, maar ook naar de flexibiliteit. Hoe snel kun je schakelen?” 

Grootverbruik groene stroom neemt alleen maar toe

“Wat veel mensen zich niet realiseren is dat we niet alleen overschakelen op groene stroom, maar daar ook veel méér van gaan gebruiken”, zegt Mulder. “Huishoudens gaan van het gas af, personenauto’s worden elektrisch, en ook de industrie werkt in 2050 CO2-neutraal. Veel processen winnen enorm aan efficiëntie als deze elektrisch worden aangedreven. Zo kunnen elektrisch rijden en verwarmen wel 80% minder kWh aan energie verbruiken vergeleken met benzine of gasgebruik. Daarnaast wordt de duurzame energiebron vooral een elektriciteitsbron. Daarom zal er zo’n drie tot vijf keer meer stroom worden verbruikt dan nu”, schat Mulder, terwijl er tegelijkertijd op energie wordt bespaard (nu wordt slechts 13% van alle energie als elektriciteit gebruikt). Om deze verduurzaming en efficiëntieslag te kunnen maken moet er wel het hele jaar door stroom zijn. “Met behulp van de battolyser beschikken we over een efficiënte, goedkope, grootschalige en robuuste methode voor elektriciteit-opslag die onbeperkt schakelbaar is tussen elektriciteit en waterstof. De battolyser verbindt daarmee als eerste op een natuurlijke wijze de infrastructuur voor elektriciteitopslag en die voor waterstofgasproductie.”

Contact
Prof. Dr. Fokko Mulder (Materials for Energy Conversion & Storage TU Delft), F.M.Mulder@remove-this.tudelft.nl, +31 15 2785037
Sharita Balgobind (Persvoorlichter TU Delft), U.S.Balgobind@remove-this.tudelft.nl, +31 15 2781588

© 2017 TU Delft

Metamenu