Storage

Zonnepanelen hebben een gigantische groei doorgemaakt in Duitsland. In het daar geldende feed in systeem krijgen zonnestroom producenten een beetje meer voor de door hun geleverde stoom. Dat geld komt van andere mensen die geen stroom opwekken. Hierdoor ontstaat een stimulans om zelf te gaan opwekken. 

"Momenteel is ongeveer 24 gigawatt geïnstalleerd fotovoltaïsch vermogen in Duitsland. (Sandra Enkhardt)" (bron)

Dit succes dreigt te zorgen voor problemen in het netwerk. Het verwerken van de stromen die van allerlei verschillende leverpunten komt in plaats van een central punt stelt andere eisen aan het netwerk. In Nederland zegt men nog dat de toegevoegde stroom van PV verwaarloosbaar is, maar elke Joule die aan het net wordt toegevoegd moet er op hetzelfde moment weer of de spanning (het voltage) loopt op. In het hypothetische geval dat vijf zonnepanelen allemaal aan een gesloten ringnet leveren zou de stroom bij de omvormers stagneren. Zonnepanelen die aan zo'n net leveren brengen dus niks meer op, de stoom wordt nooit opgewekt.

Dit wil men niet graag on ons netwerk zien. 

Lokale electriciteits buffering is hiervoor de oplossing. Dit kan op verschillende manieren, bv. door het genereren van waterstof die later voor verwarming en stroom opwekking wordt gebruikt (70% efficient te maken), en door het gebruik van batterijen, kleine accu's, en zn. flow batterijen, daarvan zijn verschillende typen bv. lood gebaseerd en vanadium gebaseerd. Er is vanadium genoeg en het patent is niet meer geldig. Er is echter een klein probleem met deze oplossing. Het type batterijen is relatief duurzaam en goedkoop (de werkelijke kosten). Bij gebruik zou het denkbaar zijn dat wijken hun eigen buffer aanhielden, deze stukken netwerk zouden effectief los van de rest van het net kunnen functioneren. Een geintegreerd net is daarmee overbodig en zo ook het spel van de centrale opwekking en internationale handel. De behoefte is immers goed te voorspellen. Daarom wordt deze ontwikkeling vertraagt en worden we er steeds aan herinnerd dat er geen oplossing is tav opslag.

Nu wordt in Duitsland het voorstel gedaan om meer PV dan maar te verbieden. Gelukkig zijn er twee factoren waarover de centrale opwekkers geen controle hebben : Ten eerste is de lobby voor duurzaamheid gigantisch. Duitsers snappen dat het veel slimmer is om zelf op te wekken dan te kopen. Wie wil nu continu blijven betalen voor iets dat kan worden afgekocht? Het is het verschil tussen huren en kopen. Ten tweede is er technologie die niet (op tijd) te demoniseren of te reguleren is. Mensen en bedrijven kunnen zelf batterijen maken, en als ze die gebruiken zou niemand het zelf merken.

Het probleem met de oplopende olie prijs is dat veel actiiviteit gewoon onmogelijk wordt. Zeker als banken doen alsof ze geen geld hebben omdat ze liever lenen aan bepaalde bedrijven die ze meer levensvatbaar achten. Nu is er wel een hele leen revolutie aan de gang, maar deze kan toch op de klippen lopen als er bv. werkelijk een rel over Iran uitbreekt, want dan stopt de logistiek met China zeer waarschijnlijk acuut. Maar voor wie werkgelegenheid wil creeren, ook met behulp van expertise uit de energie sector kan van start. Overal in het land basins bouwen voor het flow battery electroliet is een hoop werk. Daar zit later ook onderhoud aan. Wie van betonbouw houdt kan zijn lol op. Wat kost meer beton, een centrale of duizend lokale opslag installaties. Er zijn wel meer kansen voor beton constructies, met name in de warmte opslag (hoe en wat vertel ik graag, maar wel voor deelname). Maar kort gezegd zijn er in Nederland meer belanghebbenden bij lokale energie opslag, zelfs als deze duur is, want dat heeft nog nooit iemand tegengehouden.

Meer PV verbieden leidt alleen tot extra motivatie om de stroom op te slaan. In Duitsland is zo'n uitdaging niet verstandig, want die lossen dat probleem in no time op. Laten we goed opletten hoe ze dat doen, zodat wanneer hier in Nederland de visie van de ongelimiteerde duurzame welvaart goed postvat we weten wat we gaan doen. Vandaag aan de slag mag ook natuurlijk. 

Een team van UCLA heeft een techniniek bedacht om met behulp van koolstof en infra rood licht arbitrair gevormde ultracapacitors te maken. In het filmpje word een preparaat gemaakt van goedkope materialen (een grafeen oxide op plastic) die met een aangepaste DVD schrijver die een IR laser bevat wordt beschreven. De verhittinng resulteert in zn. exfoliatie, door herordening in de lagen grafeen ontstaat een soort koolstof schuim. Dit vormt een dun maar proreus laagje op het plastic, die vervolgens als electrode in een condensator wordt gebruikt. De condensator is een energie drager die normaal zeer snel oplaad en ontlaad, maar niet veel capaciteit heeft. Op deze manier wordt echter een condenstor gemaakt met zeer grote capaciteit, een zogenaamde ultracondensator. 

Ultracondensators zitten naast de batterijen in electrische auto's om energie snel beschikbaar te maken, zodat de batterijen langzamer laden en ontladen en dus langer meegaan. Ook wordt er soms rem energie in opgeslagen. Wat hier gemaakt wordt heeft echter de potentie de batterijen te vervangen want ze hebben dezelfde capaciteit maar kunnen in seconden worden opgeladen.

"The devices can be charged and discharged for more than 10,000 cycles without losing much in performance compared with a normal life-time of less than 1000 cycles typical for batteries. Additionally, the devices are completely flexible and maintain excellent performance under high mechanical stress." 

Deze ultracapacitor is misschien te zien als een meer gedetailleerde versie van de loodaccu met een koolstof electrode. In dit type loodaccu (dat nog zeldzaam is) vind aan de koolstof pool een soort halve reactie plaats die leidt tot de opslag van lading. Door de electroden zeer vlak te maken en dicht bij elkaar te brengen zoals hierboven wordt getoond neemt dat ladings effect extreem toe, maar blijft de accu functie (via het electroliet) ook behouden. Eerst neemt de lading aan de electroden toe, en dan vindt de electrolytische reactie plaats (waardoor de lading wordt opgeslagen in een potentiele chemische reactie ), later zal bij ontlading de energie in het electroliet door de omgekeerde reactie het ladings pijl van de electroden in stand houden.

Over een manier om graphen oxide te maken "That can be done by anyone.."

Het oppervlak van een grafeen electrode die op deze manier wordt gemaakt kan extreem groot zijn, de zn. BET surface area dus het absorptie oppervlak kan oplopen tot 1850 m2 per gram! De capaciteit van een batterij zoals in de eerste video maar met een maat van 1 m3 zonder bizondere optimalisatie (stapeling van bovenstaande batterij) zou rond de 700 kWh zijn. Genoeg voor 100 huishoudens. 

CO2 opslag combineren met het maken van superbatterijen? 

Grafeenoxide, het uitgangs materiaal hierboven, kan ook direct van CO2 worden gemaakt in een nieuw proces bij relatief lage druk en temperatuur. Dat is bizonder omdat CO2 heel moeilijk af te breken is (vergt veel energie). In het nieuwe proces wordt CO2 eerst gebonden met Ammonium boran, dan verhit tot 100 graden, waarna de Ammonium borane bij hogere temperaturen wordt verwijderd. Dit proces kan bijvoorbeeld met zonnewarmte en electriciteit worden gedraaid, om zo CO2 uit de atmosfeer terug te vangen en tegelijkertijd grondstof te maken voor de superbatterijen. 

Goed nieuws want de gebruikte materialen zijn spot goedkoop!  Het artikel in RSC.

Over Graphene Oxide

Improved Synthesis of Graphene Oxide

Over Graphen Oxide 

Ultracapacitor Electrolytes 

The girl suggests the grid market is prioritized, which means this market can play with it as long as it likes. The girl works for the existing energy oligarchy that wants to delay and/or own any competing and renewable enabling technology. One strategy is overresearching it and taking a 'risk averse attitude', like when adopting nuclear without insurance.

The lifetime of flow batteries depends on wear and tear on pumps and on deposits in the electrolyte.
Those deposits can however be easily removed (or avoided by good design). Why would that be a hindrance to implementation?
"We couldn't throw you the lifejacket, it had the old logo on it..."

Flow batteries are easy technology and have been build since the 80's. The girls demands for grid reliability are of course designed to make it as difficult as possible to meet these demands. The 20 year lifetime to be equal to turbines is also a rediculous demand. Cost as a concept in itself is patrial to the banks that now mainly depend on the fossil fuel industry.

The best thing would be to prohibit carbon energy where renewables are feasible, and simply take the funds for building out of the coal/oil and gas subsidies. 

Lood accu's zitten in bijna elke auto, het type is in de loop van de 20e eeuw weinig veranderd, het zijn tegenwoordig gel accu's met een manier om het knalgas dat kan ontstaan bij het laden terug in water te veranderen. Het nadeel van deze accus is dat de polen eroderen, dwz het lood dat tijdens het laden oplost in het zuur komt niet perfect terug en raakt tijdens het gebruik van de accu steeds slechter verdeeld, zodat de accu op den duur kapot gaat. Vergelijk dit met de Edison accu (die door de lood accu werd vervangen) deze accu heeft geen zuur, en er zijn exemplaren van meer dan 100 jaar oud die nog even goed werken als toen ze nieuw waren.

In een flow accu is heeft het accu vloeistof reservoir een veel grotere capaiteit en fungeren ze als een soort 'brandstof opslag'

Flow batteries zijn hele grote accu's, dwz accu's met meer accuvloeistof (waarin de energie wordt opgeslagen) dan een normale accu. Hierdoor kan meer energie worden opgeslagen die echter niet direct beschikbaar is. Alleen door de accu vloeistof te circulieren kan men de gehele flow batterij ontladen. Flow batteries worden oa gebruikt om wind energie op te slaan, of om buffers aan te leggen in het net als dat onbetrouwbaar is (zoals in de VS momenteel). Als energie bedrijven claimen dat er geen manier is om electriciteit op te slaan kramen ze onzin uit. Het lijkt of dat wordt beweerd om investeringen in de infrastructuur veilig te stellen. 

Wie kent hem niet 

Ongetwijfeld de makkelijkste flow battery (of flow accu) zou de lood accu zijn, want die kennen we al, we weten de ins en outs en wat veiligheid betreft is het ook bekend terrein. Het blijkt dat je inderdaad een flow accu met lood/zuur kan bouwen, al zijn er een paar aanpassingen. Hiernaar wordt 'onderzoek' gedaan en er loopt een pilot. 

"The proposed flow battery will use novel electrode materials that greatly increase the surface area available for chemical reactions, minimizing the amount of excess lead in the battery. In addition, the electrodes will resist the corrosion that typically limits the cycle life of conventional lead-acid batteries. " (bron)

Om van een lood/zuur accu een flow accu te maken moet het laad proces van de electroden gescheiden zijn. Bij Vanadium flow accu's wordt bijvoorbeeld aan de electroden vanadium van een ladings niveau naar een hoger ladings niveau gebracht, en daarna kan het vanadium weg worden gevoerd. Bij lood accu's is het probleem dat de electroden onderdeel zijn van de chemische reactie van het laden en ontladen. 

Solubale Lead (opgelost lood)

Omdat het lood een onderdeel is van de accu reactie bestaat een lood accu voor een groot deel uit electroden. In een flow accu zijn de electroden slechts de manier om stroom aan het langs stromend energie dragend reagens te onttrekken (de flow). Om dit probleem op te lossen worden carbon electroden gebruikt (het 'novel electrode material' hierboven genoemd) of een carbon polymer (carbon-HDPE), dus een plastic met hoog koostof gehalte. Als het maar niet oplost en als het maar goed geleid. Het lood blijft in de vloeistof, vandaar de naam 'Soluble Lead Flow Battery'.

The performance of such cells under constant current density (10–160 mA cm−2) cycling is examined using a controlled flow rate (mean linear flow velocity <14 cm s-1) at a temperature of approximately 298 K. Voltage versus time and voltage versus current density relationships are considered. High charge (<90%), voltage (<80%) and energy (<70%) efficiencies are possible.  (bron)

 De chemische reactie is dus een beetje anders, want de electrode wordt niet gebruikt. Hieronder de cycle van een soluble lead flow accu..

(bron) 

Patent strategie

Het mag duidelijk zijn dat er niks is dat een ondernemer in de weg staat om een paar koolstof electroden aan te schaffen, een lood accu te slopen en er een solube lead flow accu van te maken. Toch gebeurt dit nog niet, en de pilot loopt in de VS (eindigend in 2013). Zo sterk is het effect van markt bescherming dat innovaties schijnbaar via een zorgvuldig afgebakend traject worden benut en geperfectioneerd, want natuurlijk zal het niet 1,2,3 werken. Maar bedrijven met ervaring op dit gebied en op zoek naar een markt zullen zich geen twee keer hoeven bedenken, en zo kan Nederland dan lekker toch zijn zonnestroom opslaan..  

Meer in mijn post "Megabatterijen voor Lokale Electriciteitsopslag"

Een veel gehoorde opmerking is dat er geen goede oplossing is voor de opslag van electriciteit. Gedacht wordt aan stuwmeren en perslucht onder de grond en ook aan zogenaamde Flow Batteries. Het ontbreken van een oplossing voor opslag maakt dat we geneigd zijn te kiezen voor het smart grid, in de hoop dat grootschalige opslag of gebruik van onze electriciteit elders lokale opwekking wel rendabel zal maken. 

Al eerder is op dit blog geschreven over opslag van electriciteit in de vorm van ammoniak . Een eenvoudiger idee is de techniek die we in elke auto aantreffen, de accu. Als het om accu's gaat is er momenteel een sterke push om Lithium Ion batterijen te gebruiken, die hebben allerlei voordelen. Voor opslag van electriciteit uit zonnepanelen of een lokale biogas installatie zijn de geavanceerde batterijen echter te duur.

Wie eerdere post op greencheck heeft gelezen weet dat het niet alles nieuw is wat wordt uitgevonden. Hiervan nu eens een voorbeeld uit de wereld van de electriciteits opslag, de Edison Batterij en de Vanadium Flow Batterij.

Ervaringsdeskundige

Edison Batterij

De Edison batterij is een uitvinding van Edison, het was begin deze eeuw de oplossing voor de toen prevalente electrische auto's. Er waren batterij patent monopolies, en iedereen moest zelf maar een batterij bedenken om in zijn voertuigen te stoppen. Edison bedacht een batterij met nikkel en ijzer, en een basische (kalium) houdende vloeistof (niet zuur dus en ook niet schadelijk voor het milieu).

De oude accu's zijn nog net zo goed als de nieuwe..

Het leuke aan deze accu's is dat ze zeer duurzaam zijn. De eerste nikkel/ijzer Edison accu's die niet zijn gesloopt sommige 99 jaar oud werken vandaag nog even goed als op de eerste dag. Dat komt omdat het chemische proces geen degradatie van de onderdelen teweeg brengt. In tegenstelling tot lood accu's kan men een edison accu 100% laten leeglopen, overladen, schudden etc. zonder dat er iets mee misgaat. Dat was de reden dat ze oa in treinen werden gebruikt, en elke nieuwe wagon type kon men ze gewoon meenemen.

Een auto van Ford met de Edison Accu

"This remarkable cell and battery design ran in the Detroit Electric Car which was sold in 1912 to 1918. One of these cars was bought by a Victoria BC woman and it was still in operation in 1997 on the original Ni-Fe battery." 

Nauurlijk zijn deze batterijen te zwaar om te concureren met de Lithium optie in moderne auto's, maar voor wie electriciteit wil opslaan is deze eenvoudige, betrouwbare en makkelijk te onderhouden accu een goede optie. Ze produceren bij het opladen zeer kleine hoeveelheden waterstof die met een ingebouwde katalysator kan worden verwijderd. Het enige dat men hoeft te doen is af en toe water toevoegen, iets dat ook automatisch kan. Ze zijn niet zo goedkoop als lood accu's (3 keer duurder), maar ze gaan vele malen langer mee. Wanneer u teruglevert maar toch graag net genoeg electriciteit voor 's avonds (tv etc.) wilt opslaan dan zijn deze dingen ideal. Zijn er in Nederland nog producenten?

Zelf maken kan ook. De patenten zijn verlopen.

Waar kan me deze accu's kopen?

Iron Core Batteries
Beutilityfree
Nickel Iron Battery Foundation
Kleine modellen
Zapp Star
Microsec
Chinese fabrikant
Russische fabrikant

Binnenkort deel twee, de Vanadium Redox Flow Batterij..

Flow batteries zijn batterijen waarbij de energie houdende vloeistof (het zuur in een lood accu) in een reservoir kan circuleren dat vele malen groter is dan bij een normale accu. Flow batterijen bestaan uit 1 of 2 reservoirs met electroliet en een 'cell stack' of electrode batterij. De vloeistof wordt langs de electrode gepompt. De opslag capaciteit kan makkelijk worden uitgebreid door de hoeveelheid vloeistof te vergroten (goedkoop), de output (het vermogen) is afhankelijk van de hoeveelheid electroden (een duur onderdeel).

Flow battery met twee electrolieten

Het is voor de meeste doeleinden niet nodig dat de batterij helemaal leegloopt of snel moet kunnen worden opgeladen. Vaak worden hoge eisen gesteld zodat het systeem gepatenteerd kan worden en duurder kan worden verkocht. Misschien moeten studenten in Delft eens een grote lood/zuur flow battery bouwen.

 Typen Flow batteries

Flow batteries maken gebruik van verschillende omkeerbare chemische reacties. De reactie in de flow battery die in de video wordt besproken is deze HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻  , de electroden (van ijzer en chroom) doen niet mee in de reactie. In een lood accu is de reactie H2SO4 → H+ + HSO4− en Pb + HSO4− → PbSO4 + H + + 2e − , omdat lood betrokkenis bij de reactie slijten de electrodes. De zogenaamde 'soluble lead flow battery' heeft deze reactie:

Deze lood flow batterij zou enorm goedkoop zijn en toont eigenlijk niet veel degradatie (van de website van Derek Pletcher):

Het voordeel van de solluble lead flow battery is dat er maar een vloeistof is die rond stroomt. Ook is de vloeistof zeer goedkoop (het is water).

Video presentatie van Deeya

Zest heeft een zink gebaseerde flow battery op basis van zink bromide.

"Unlike most batteries, ZESS electrodes don't take part in the chemical reactions; they are simply substrates for the reactions. That means no loss of performance from repeated cycling that causes electrode material deterioration. When the ZESS discharges, the metallic zinc plated on the negative electrodes dissolves in the electrolyte and is available to be plated again at the next charge cycle. In the fully discharged state, it can be left indefinitely."

Er is dit jaar een bijeenkomst in Edinborough van het International Flow Batterij Forum.

Types (Wikipedia)

Nog een bron met info over batterijchemie

Edison Batterijen

De Edison Batterij (Nickel Iron) is niet heel efficient, maar wel enorm duurzaam. Met wat water en kalium blijven deze tot 80 jaar goed. Ik heb nog geen voorbeeld van Edison Flow batterijen gevonden, maar die zouden zeker gemaakt kunnen worden. Meer info hier. En hier. Het lijkt dat NiMH batterijen de nieuwe versie zijn, hebben hetzelfde potentiaal.                   

Lees ook :Flow batteries, Vanadium redox batterijen, Edison batterijen

Hernieuwbare energie zoals wind- en Zonne PV electriciteit kunnen soms op onpraktische momenten energie opleveren. De energie maatschappijen hebben gelijk als ze klagen dat ze worden opgezadelt met het 'load balancing' of verbruiksbalancering op het net. Als de zon het hardst schijnt zijn de mensen meestal niet thuis, en als ze dat 's avonds wel zijn dan produceren de zonnepanelen geen stroom meer. Electriciteit moet nu eenmaal worden gebruikt op het moment dat het beschikbaar is, in een kabel blijft het niet hangen.

Een oplossing is een beter schakelbaar net te maken, waarmee beschikbare overschotten met zo min mogelijk verlies naar gebruikers kunnen worden gesluist. Dit kan op industrieel niveau tot op dat van de 'smart meters' die iedereen straks met subsidie kan aanschaffen. Er is een kans dat er een open stroom markt ontstaat, via Google Power Meter bijvoorbeeld, of via bedrijfsverbanden. De tecnologie laat dat eenvoudig toe. Het kan ook zijn dat de energie lobby het systeem dicht timmert om zo de 'service' van verbruiksbalancering te leveren.

Go with the flow

Een mooie oplossing die tegelijk de uitnutting van alternatieve bronnen kan verbeteren en de behoefte aan meer energie net kan verkleinen is de batterij. De simpele oplaadbare batterij is een alom bekend fenomeen, maar op grotere schaal bestaan deze ook. Zo zijn er bijvoorbeeld zogenaamde 'flow batteries', stromende accu's (vrij vertaald). Deze werken net als een normale auto accu, maar hebben veel meer accuzuur (electroliet) tussen de electroden, zuur dat in een groot basin circuleert. Aangezien de energie in de chemische samenstelling van het electroliet is opgeslagen kunen flow batteries een enorme capaciteit hebben.  Het is niet zulke high tech, maar wel effectief. Flow batteries zijn een voorbeeld van de low maintenance oplossingen die duurzame welvaart zullen faciliteren. Er zit praktisch geen patent meer op, iets voor een TU Delft om als standaard product beschikbaar te maken?

Flow battery principe en een voorbeeld van electroliet opslagtanks

Natrium Sulfaat?

Een ander soort batterij is de NaS/sodium sulfate oftewel natriumsulfide batterij. Deze gebruikt de omkeerbare reactie tussen natrium en zwavel bij hoge temperatuur. Deze batterijen worden tot 300 graden Celsius verhit zodat het Natrium en Zwavel vloeibaar zijn. Dan kunnen de natrium ionen door een metalen barriere migreren en met het zwavel reageren, of onder spanning van het zwavel gescheiden worden. Recent werd zo'n batterij (4 MW) van Japans fabrikaat  in Presidio in Texas in gebruik genomen.

Sodium Sulfor batteries zijn 89% efficient, zodat er kans is dat je meer electriciteit overhoud dan een verre gebruiker via een versterkt electriciteits net. De grootste versie heeft een capaciteit van 8 MW en staat in Japan bij de Morigasaki waterzuiverings centrale. De totale capaciteit van het zn NAS® systeem aldaar is 58MWh, dat wil zeggen dat die 8 MW zonder externe aanvoer meer dan vijf uur continue beschikbaar kan zijn. In totaal is in Japan 28 MW geinstalleerd, met name om pieken en dalen in verbruik op te vangen.

1,5 MW NAS® systeem in combinatie met PV, combinaties met wind zijn ook gemaakt

De kosten van deze oplossingen per kWh is voor flow batteries enkele honderden dollars maar ligt voor de natrium sulfide systemen nog hoger ($25 Mln of $781 USD/kWh wat vergeleken zou moeten worden met de kosten van het anders noodzakelijke hoogspanningsnet). Er is hierbij zeker grond voor onderzoek van de werkelijke kosten zijn zodat een verstandige keuze gemaakt kan worden. Men kan er namelijk over twisten of we fabrikanten van zeer effectieve technologieen daar ook alle winst van moeten gunnen, het is misschien beter deze bij aanschaf over een langere periode uit te spreiden zodat meer capaciteit sneller online gebracht kan worden.  

P.S. CEAS

Eerlijkheid gebied in deze context ook CEAS  (Compressed Air Energy Storage) te noemen, waarbij lucht wordt samengeperst om later via een perslucht turbine stroom op te wekken. Deze technologie is goedkoop en efficient, gaat langer mee en is minder millieu belastend. Misschien heeft Holland met haar (soms lege) gasbellen een voorsprong om deze technoligie toe te passen.