Zink
In de afgelopen zeven jaar hebben 110 dorpen in Afrika en Azië stroom gekregen uit batterijen die zink en zuurstof gebruiken, de basis van een energieopslagsysteem dat is ontwikkeld door het in Arizona gevestigde NantEnergy.
Zink is overvloedig voorhanden, fundamenteel stabiel en goedkoop, waardoor het een aantrekkelijk alternatief voor lithium is, maar pogingen om het op grote schaal commercieel levensvatbaar te maken, zijn schaars en ver van elkaar verwijderd geweest. Het zink-lucht-batterijsysteem van NantEnergy vervangt een tweede elektrode door een die “lucht ademt”, waarbij zuurstof uit de atmosfeer wordt gebruikt om stroom uit zink te halen.
Volgens een rapport gepubliceerd door Lux Research is “zink-lucht een zeer geschikte chemie voor microgrids, die een goedkope oplossing voor energieopslag biedt. Flowbatterijen hebben moeite om op schaal te worden gebracht tot de grootte van een typisch micronetwerk, en lithium-ionbatterijen concurreren niet op kosten.”
Belangrijk is dat NantEnergy ook een techniek heeft ontwikkeld om zink in staat te stellen zijn lading gedurende langere perioden vast te houden, waardoor het gebruikelijke probleem van beperkte herbruikbaarheid voor zink- en zink-luchtbatterijen wordt opgelost. Volgens het bedrijf kan deze methode plaatselijk worden vervaardigd zonder zeldzame of dure materialen, waardoor de afhankelijkheid van invoer wordt verminderd en een bijdrage wordt geleverd aan de werkgelegenheid en de plaatselijke economieën.
Zink-lucht-batterijen bevatten ook geen giftige verbindingen en zijn noch zeer reactief noch ontvlambaar, zodat ze kunnen worden gerecycled en veilig kunnen worden verwijderd.
Zink is weliswaar een van de meest overvloedige metalen op aarde, maar het gebruik ervan op grote schaal als alternatief voor lithium zou in de toekomst wel eens problemen kunnen opleveren. Sri Narayan, hoogleraar scheikunde aan de University of Southern California, vertelde de New York Times: “Bij het huidige productietempo van zink, zullen de zinkreserves ongeveer 25 jaar meegaan.”
“Dus het is niet duidelijk van de beschikbare reserves of we genoeg zink zullen hebben om de enorme behoefte te ondersteunen die zal voortvloeien uit de vraag naar batterijen op netschaal.”
Natrium-zwavel
Natrium-zwavelbatterijen zijn een ander alternatief voor lithium, en hebben al een aanzienlijk gebruik op schaal gezien in sites over de hele wereld.
In februari 2019 installeerde Abu Dhabi ’s werelds grootste opslagbatterij die gebruikmaakt van natrium-zwavelbatterijcellen. Het is vijf keer groter dan de op een na grootste opslagbatterij met 108 megawatt (MW)/ 648 megawattuur (MWh).
Natrium-zwavelbatterijen hebben een langere levensduur dan hun lithium-ion tegenhangers, met een levensduur van ongeveer 15 jaar in vergelijking met de twee of drie jaar die van lithiumbatterijen worden verwacht. Natrium en zwavel zijn ook overvloedige en goedkope materialen, wat een van de belangrijkste problemen met lithiumbatterijen vermindert.
Echter zijn er risico’s verbonden aan het hanteren van zowel natrium als zwavel vanwege de vluchtige aard van beide reactanten. Vloeibaar natrium dat in contact komt met water in de atmosfeer vormt een aanzienlijk risico vanwege de zeer exotherme reactie, die explosief zou kunnen worden wanneer op schaal wordt gewerkt.
In fabrieken en installaties waar natriumzwavelbatterijen worden gebruikt, hebben een aantal branden gewoed, zoals de brand in 2011 in de Tsukuba-fabriek in Japan, waardoor fabrikant NGK de productie van zijn natriumzwavelbatterijen tijdelijk moest staken.
Een ander nadeel van natriumzwavelbatterijen is de hoge bedrijfstemperatuur van 300 °C, die nodig is om het natrium vloeibaar te maken. Deze hoge temperaturen kunnen het keramische membraan beschadigen dat de anode- en kathodecomponenten van de batterij scheidt, en kunnen ook de vluchtigheid van de reactanten in de batterijen verergeren.
Waterstof-brandstofcellen
Waterstof is door een aantal energiebedrijven aangeprezen als een koolstofneutraal alternatief voor vloeibaar aardgas, en waterstof-brandstofcellen worden ook ontwikkeld als alternatief voor de traditionele lithium-batterijen.
Waterstof-brandstofcellen hebben een tienmaal hogere energie-gewichtsverhouding dan lithium-batterijen, vanwege het gebruik van waterstof en zuurstof als reactanten. Dit betekent dat waterstof-brandstofcellen lichter kunnen zijn en een kleinere ruimte innemen, terwijl ze een gelijkwaardig vermogen leveren als lithiumbatterijen, waardoor grondstoffen worden bespaard.
Waterstof is zeer overvloedig aanwezig in de atmosfeer, waardoor het een aantrekkelijk alternatief is voor materialen met een beperkt aanbod, zoals lithium of zink.
Hydrogen fuel cells have also a greater range than lithium batteries and only produce water and heat as part of the energy production process, presenting an efficient and carbon-neutral source of power compared to conventional batteries.
Hoewel de fabricageprocessen voor batterijen (en de apparaten die ze aandrijven) kooldioxide in de atmosfeer brengen, kan dit effect worden gemitigeerd door de processen aan te drijven met hernieuwbare energiebronnen. Waterstofbatterijen gebruiken ook minder kooldioxide bij de fabricage dan lithiumbatterijen, omdat er geen energie-intensieve mijnbouw nodig is.
Waterstof-brandstofcellen zijn echter een betrekkelijk nieuwe technologie en hebben hun eigen nadelen.
Zoals natrium is waterstof licht ontvlambaar en kan het explosief reageren als er niet goed mee wordt omgegaan. Het matigen van de temperatuur van de brandstofcellen is belangrijk om vluchtige reacties te voorkomen, en omdat brandstofcellen vloeibaar water nodig hebben om te werken, in tegenstelling tot stoom of ijs.
Het opslaan van waterstof is duur en energie-intensief, zowel als gas en opgeslagen als vloeistof bij lage temperaturen. Ondanks het feit dat waterstof overvloedig aanwezig is in de atmosfeer, is het ook moeilijk en duur om het te produceren en te transporteren, vooral op grote schaal.