DE BATTOLYSER VAN DE TU DELFT

Energieopslag door batterijoplading en waterstofproductie

Het klinkt als een gevaarlijk wapen waar Batman op afstand vijanden mee liquideert: de Battolyser. Maar dat is het niet: Battolyser is de naam van een vernuftig apparaat dat zowel elektriciteit opslaat als waterstof maakt. Het concept van de Battolyser werd in 2016 ontwikkeld door de TU Delft door onderzoeker Fokko Mulder en Bernhard Weninger [1]. De naam is een samentrekking van battery en elektrolyser. Bij de Magnum centrale van energiebedrijf Nuon komt een proef met een Battolyser met een capaciteit van 60 KWh als demonstatieproject [3].

 

 

WERKING

De Battolyser (zie Figuur 1) is gebaseerd op een batterij die bestaat uit ijzer en nikkel met een kaliumhydroxideoplossing als elektrolyt. Dit principe werd in de vorige eeuw vooral door Thomas Edison gepromoot. Dit is een zeer robuuste batterij. Exemplaren van vroegere tijden doen het nog steeds. De basismaterialen zijn bovendien goedkoop en overal verkrijgbaar.

De reacties die in de Battolyser plaatsvinden zijn:

• aan de negatieve elektrode (kathode):

Fe(OH)₂ + 2e^- → Fe + 2OH^-

bij 100% opgeladen:

2H₂O + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-

• aan de positieve elektrode (anode):

Ni(OH)₂ + 4 OH^- → NiOOH + H₂O + e^-

bij 100% opgeladen:

4OH^- → O₂(g) + 2H₂O + 4 e^-

Tijdens het opladen vormen de elektroden van de batterij twee materialen (nikkeloxide-hydroxide (NiOOH) en gereduceerd Fe).

In de elektrolysewereld zijn deze materialen bekend als katalysator van de chemische reactie die waterstof en zuurstof oplevert. De elektroden maken daarmee in geladen toestand de elektrolyse van water mogelijk.

Dit gebeurt als de batterij volledig is opgeladen. De batterij is stabiel, ook na vele ontladingscycli, is relatief goedkoop en heeft een efficiëntie van 90%. De Battolyser past perfect in de omschakeling van aardgas naar hernieuwbare energie. In plaats van aardgas komt er – als hij volledig is opgeladen – waterstof uit duurzaam opgewekte elektriciteit als grondstof voor chemische producten vrij of om die weer om te zetten in elektriciteit via de brandstofcel. De batterijfunctie is voor het snel terug leveren van stroom het meest efficiënt. Vervolgens heeft de batterij in 100% opgeladen toestand de minder efficiënte optie: omzetting van stroom in waterstof door elektrolyse. Dat kan dan worden opgeslagen om er weer elektriciteit van te maken of om die te gebruiken voor andere doeleinden. De elektrolyse gebeurt met een efficiëntie van 90%. De batterij dient vooral voor de kortetermijnopslag, terwijl waterstof seizoensfluctuaties kan opvangen. Op het moment dat er een tekort is aan elektriciteit voert de batterij het net als een batterij.

LADINGSINSERTIE

De ladingsinsertie is de hoeveelheid lading die in de batterij geladen wordt. Een flexibele operatie is mogelijk, omdat men de hoeveelheid ladingsinsertie kan kiezen (zie Figuur 2). Figuur 2 laat zien dat indien de ladingsinsertie kleiner is dan de batterijcapaciteit, de batterij voornamelijk wordt opgeladen.
Er komt pas waterstofproductie (blauwe lijn) wanneer de ladingsinsertie de batterijcapaciteit nadert.

Als de ladingsinsertie veel groter is dan de batterijcapaciteit vindt er alleen waterstofproductie plaats. De totale lading die aan de batterij wordt toegevoegd, komt terug als ontlading van de batterij of als waterstof, waarbij de Faraday-efficiëntie 100% is binnen accuratesse van 0,5 %. Afhankelijk van de ladingsinsertie kan de waterstofproductie veel hoger of lager zijn dan de batterijlading [4].

PROEFDRAAIEN

De eerste Battolyser met een capaciteit van 60 kWh en een vermogen van 15 kW met het formaat van een vrieskist werd begin 2019 in Eemshaven geplaatst, waarna het apparaat cyclisch getest wordt om de efficiëntie en de zuiverheid van het waterstofgas te onderzoeken. Tijdens het proefdraaien wordt eerst nog gebruikgemaakt van stroom van het net. Later wordt overgeschakeld naar stroom uit wind, dat op steeds grotere schaal beschikbaar komt door windparken op zee.

De Battolyser levert waterstof aan de centrale van Nuon. De geproduceerde waterstof zal worden toegepast voor koeling van de generatoren en vervangt grijze waterstof die Nuon daar nu voor gebruikt. Uiteindelijk wil Nuon de geproduceerde waterstof gebruiken als CO₂ -vrije brandstof voor de gascentrale, zodat over vijf tot zes jaar een van de turbines in de Magnumcentrale op waterstof zou kunnen draaien. De andere twee moeten dan later volgen. Zo willen ze bijdragen aan het versnellen van de energietransitie.

De Battolyser biedt grote mogelijkheden voor seizoensopslag van energie, omdat zonnepanelen in de winter veel minder opbrengen. In juni 2019 hopen ze de eerste resultaten te laten zien. Na de testfase wordt een plan voor een volgende opschaling opgesteld. Zo wordt nu al gekeken naar een installatie van 1 tot zelfs 10 MW. Als de tests goed verlopen volgt wellicht een opschaling naar MWh schaal met de afmetingen van een zeecontainer. Deze zijn te plaatsen bij industriële clusters of op locaties waar op grote schaal elektriciteit van offshore windparken aan land komt bij bijvoorbeeld de Nuon-centrales in Eemshaven en Velzen. Nuon hoopt met de Magnumcentrale in Groningen te kunnen functioneren als vliegwiel voor de groeiende waterstofeconomie in Groningen en de rest van Nederland.

TOEKOMSTVERWACHTINGEN

Windmolens worden nu vaak uitgezet als er een energieoverschot is. Als die energie toch wordt opgewekt en opgeslagen met de Battolyser dan wordt waterstof wellicht heel goedkoop beschikbaar voor industriële processen. Zo zou de productie van beton veel duurzamer kunnen worden. Dan moet het wel heel goedkoop en op grote schaal beschikbaar zijn en Battolysers met een grote capaciteit bouwen is ook duur. Daarnaast moet de waterstof nog worden opgeslagen en er moet weer elektriciteit van gemaakt worden met waterstofelektriciteitscentrales die ook duur zijn. Het is de vraag of het economisch allemaal haalbaar is om op te wegen tegen het niet meer weggooien van te veel geproduceerde windenergie [2].

PRIJS

De Battolyser heeft de Industrial Energy Enlightermetz 2018 gewonnen. Deze prijs wordt jaarlijks uitgereikt aan veelbelovende energietechnieken om met extra aandacht deze sector meer te stimuleren. 

 

REFERENTIES

[1] Fokko Mulder, Bernard M.H. Weninger, Electricity storage & hydrogen feedstock with a Battolyser, TU Delft.
[2] Femke Jaarsma, Elektriciteitsopslag en waterstofproductie ineen, C2W, nov. 2018 p. 26.
[3] Steven Rademakers, Eemshaven krijgt een Battolyser, www.rtvnoord.nl
[4] Fokko Marten Mulder, Bernard M.H. Weninger, J. Middelkoop, F.B.G. Ooms en h. Scheuders, Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe battery as electrolyser, Electronic supplementary materials (ESI} for energy & environmental science, 20160