Waterbatterij dé toekomst?
Het kunnen opslaan van grote hoeveelheden energie wordt belangrijker naarmate de energietransitie vordert. 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. Inspelend hierop komt de Nederlandse startup AquaBattery met een goedkoper en milieuvriendelijker alternatief voor Li-ion energieopslag, 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 hun 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 gebruikten we het indertijd nieuwe Fujifilm-membraan. Op hetzelfde moment draaide er toen op de Afsluitdijk een project waarbij energie werd opgewekt met behulp van zoet en zout water. Bij dat project werd eveneens drinkwater geproduceerd uit zout zeewater met behulp van hetzelfde membraan.
Je zou het eerstgenoemde proces als een ontlaadproces kunnen zien en het tweede als een laadproces. Zo ontstond bij ons het idee om die twee processen te combineren in een waterbatterij.”
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”, zo vertelt 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. “Continu wordt gekeken naar optimalisatiemogelijkheden voor 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 waterbatterijen op de schaal van zeecontainers. Over een jaar of twee zijn we daar waarschijnlijk uitgegroeid.” Op dit moment wordt er 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 daar gebouwd gaat worden heeft zo’n 10 uur aan opslagcapaciteit”, vertelt Goosen.
Voordelen
De AquaBattery heeft een aantal 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 de waterbatterij is de ‘stack’. De verwachte levensduur van dit onderdeel is 20 jaar”, weet Goosen. “Hoeveel goedkoper bovengenoemde oplossing is ten opzichte van Li-ion, hangt eigenlijk vooral af van de opslagduur van energie. Het maakt nogal wat uit of energie voor 4, 8 of 100 uur kan worden opgeslagen. Het gaat in zo’n geval dan namelijk om de genivelleerde opslagkosten (‘levelized cost of storage’). Op basis van die waarde worden energie-opslagoplossingen met elkaar vergeleken. Die waarde wordt ondermeer bepaald door de efficiëntie van de oplossing, de levensduur en andere CapEx-factoren.”
TWEE PROCESSEN GECOMBINEERD”
Inzicht in niveaus
Voor zowel de procesveiligheid als -efficiëntie 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 moeten ze in de gaten worden gehouden. 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 of er kan ergens lekkage zijn. Omdat ook dat direct merkbaar is in de niveaus, is inzicht in de niveaus absoluut noodzakelijk.” Minstens zo belangrijk is verder dat de data uit de niveaumeter worden 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 zijn er heel wat oplossingen de revue gepasseerd. Begonnen is met carbonelektroden die in het water hingen, daarna zijn er verschillende soorten ultrasoonsensoren getest. Bij de ultrasoonmetingen bleek de condensvorming een betrouwbare uitlezing te verhinderen. Verder is ook geëxperimenteerd met een vlottermeting, die als ondervul- en overvulbeveiliging is gebruikt. Dat werkte op zich wel, maar het levert geen echte ‘real time’ data op en daar kan dus geen proces op gestuurd worden.”
Na enige tijd besloot het team van AquaBattery dan ook om met radarniveaumeting aan de slag te gaan. “Omdat dit type meting het beste bleek aan te sluiten op onze applicatie, hebben we vervolgens verschillende sensoren van verschillende leveranciers vergeleken en toen kwamen we al vrij vlot bij VEGA uit. Op basis van onze specificaties werd de VEGAPULS C11 uit de ‘basic’-serie geadviseerd.”
Accuraat
Voor VEGA is de applicatie bij bovengenoemd bedrijf relatief eenvoudig. Jeroen Pellicaan, Account Manager bij VEGA: “Bij deze applicatie wordt gewerkt met tanks zonder roerwerken, waarbij er geen schuimvorming optreedt. Op basis van deze omstandigheden en de overige klantspecifieke eisen, is een radarniveausensor uit de zogeheten ‘basic’-serie een slimme keuze. Voor een relatief kleine investering kan met deze sensor een zeer accurate en betrouwbare niveaumeting worden uitgevoerd, die bovendien eenvoudig in gebruik is.” Eén 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 echter boven de vloeistof en dat zorgt voor een onderhoudsvrije oplossing.”
Snel in bedrijf
De sensor werd door een medewerker van AquaBattery zelf geïnstalleerd met behulp van de handleiding. “Het werkt inderdaad zeer intuïtief”, vertelt Goosen. 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 is een onder- en overvulalarm geprogrammeerd, zodat we nooit voor verrassingen komen te staan.”
Opschaalbaar
Goosen zet met AquaBattery in op grootschalige toepassingen. Denk daarbij aan zonneparken, windparken en op plekken waar lokaal energie wordt opgewekt voor ‘achter de meter’-opslag. “De 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 bovendien goed schaalbaar. “Het is eenvoudigweg een kwestie van meer vaten toevoegen aan de applicatie of om grotere vaten te gebruiken.” Het voordeel van energie lokaal kunnen opslaan en op een later moment weer gebruiken, is dat geen gebruik hoeft te worden gemaakt 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.” Pellicaan vult aan: “Een van de ‘corporate’ doelen van VEGA is duurzaamheid en deze applicatie past daar uitermate goed bij. Wij werken dan ook graag mee aan dit soort innovatieve initiatieven.” Naar verwachting zijn de units van AquaBattery vanaf 2026 commercieel op de markt verkrijgbaar.
Het magazine fysiek ontvangen? Klik hier om een kennismakingsabonnement af te sluiten.
Vacatures bekijk je via de vacaturepagina.
