22-01-2019

Wat zijn de mogelijkheden van verschillende batterijmaterialen? En wat zijn opkomende trends? Momo Safari en An Hardy (EnergyVille/UHasselt) geven een overzicht in deze expert talk. 

Geschreven door Momo Safari en An Hardy, beiden professoren aan het Instituut voor Materiaalonderzoek aan de UHasselt en onderzoekers van EnergyVille. Momo is een batterij-expert en An is gespecialiseerd in chemische synthesemethoden voor anorganische nanomaterialen. In deze expert talk geven ze een overzicht van wat de huidige status van batterijtechnologieën is: hoe ver ontwikkeld en hoe duur zijn de trends in batterijmateriaal? Wat zijn toekomstige trends?


Elektriciteitssysteem en energietransitie: nieuwe uitdagingen

Men wil dat elektriciteit altijd beschikbaar is via stopcontacten. Men wil, met andere woorden, een betrouwbare stroomvoorziening. Een zorgvuldige balans tussen opwekking door elektriciteitscentrales en verbruik door consumenten is essentieel om de kwaliteit en betrouwbaarheid van een energiesysteem te waarborgen. Een dergelijk evenwicht wordt uitgedaagd door de turbulente en onzekere aard van de vraag naar elektriciteit. Het stroomverbruik kan namelijk gedurende één dag en het hele jaar door aanzienlijk variëren. Het geconcentreerd verbruik in de ochtend en de avond (aan het begin en het einde van de werkdag, i.e. piekuren) staat bijvoorbeeld in schril contrast met de vrij lage vraag tussen deze uren.

De energietransitie brengt extra uitdagingen met zich mee om het evenwicht van het elektriciteitssysteem te waarborgen. De aanzienlijke penetratie van hernieuwbare wind- en zonne-elektriciteit in de energiemix, samen met de toenemende elektrificatie vanwege het verhoogde gebruik van ICT-systemen, elektrische voertuigen en warmtepompen, wijzigt de omstandigheden. De potentiële onbalans van het systeem kan zowel in tijd als in intensiteit toenemen door het intermitterende karakter van de productie en het extra elektriciteitsverbruik.

Om over de betrouwbaarheid en kwaliteit van energiesystemen tijdens en na de energietransitie te kunnen discussiëren is een uitgebreide techno-economische analyse nodig en die is uiteraard afhankelijk van veel factoren. Zo kunnen er bijvoorbeeld verschillende scenario’s worden onderzocht, afhankelijk van het aandeel gecentraliseerde vs. gedistribueerde opwekking van wind- en zonne-energie, maar dat zou buiten de scope van deze tekst vallen. Wat volgt is vooral relevant voor de eenvoudige situatie waarbij het bestaande elektriciteitsnet wordt aangevuld met energie uit zonnepanelen op residentiële gebouwen.

Expert Talk Battery Storage

De rol van batterijopslag

De typische significante afwijking tussen de PV-opwekking en de elektriciteitsvraag in een residentieel gebouw is hierboven schematisch weergegeven. Het productieoverschot van het PV-paneel (groen gearceerd gebied) zou in het net geïnjecteerd kunnen worden in ruil voor een financiële stimulans. Maar wat gebeurt er met dit energieoverschot als het net weigert het te accepteren, bijvoorbeeld door onvoldoende netwerkcapaciteit? Moet deze groene stroom dan worden ingeperkt (curtailed)? Uiteraard niet.

Batterijen (Battery energy-storage systems of BESS) zijn goede kandidaten om de flexibiliteit van een energiesysteem te vergroten door de beschikbare netwerkcapaciteit op een efficiëntere manier te gebruiken. Ze sparen het overschot van de PV-opwekking voor later zelfverbruik tijdens piekuren of voor injectie op het net wanneer mogelijk. BESS zijn gebaseerd op een oplaadbare elektrochemische cel (EC) die tijdens laden en ontladen elektriciteit kan opslaan en afgeven. Er zijn veel verschillende EC-technologieën beschikbaar, op verschillende niveaus van technologische maturiteit en elk met een unieke combinatie van materialen voor de hoofdcomponenten van de cel, d.w.z. anode, kathode en elektrolyt. De energieopslagprestaties van elke EC-technologie worden meestal bepaald door de chemische aard van de celcomponenten en worden beoordeeld aan de hand van de volgende belangrijke parameters:

  1. Specifieke energie per gewichtseenheid (Wh/kg) en volume (Wh/l): De minimale opslagcapaciteit in Wh (wattuur) om curtailment te voorkomen is gelijk aan het geheel van het opwekkingsoverschot (groen gearceerd gebied, Fig. 1). Het gebied onder de generatie (groene lijn, Fig. 1) en boven de consumptie (rode lijn, Fig. 1) vormen een power-time plot die ​​4 kWh bedraagt voor het voorbeeld in Fig. 1. Deze opslagruimte zou momenteel kunnen worden aangeboden door een loodzuur (100 kg, 70 l), een redox-flow (200 kg, 250 l) of een lithium-ion (35kg, 38l) EC-technologie. Met andere woorden, lithium-ion technologieën vormen de BESS-systemen met het laagste gewicht en de kleinste omvang dankzij hun hoge specifieke energieën. Hoewel de beperkingen qua afmetingen en gewicht bij residentiële opslag minder strikt zijn dan bij elektrische voertuigen, zijn kleinere BESS-eenheden de voorkeursoptie in woonwijken vanwege evidente redenen zoals het feit dat ze gemakkelijker geplaatst kunnen worden.
  2. Specifiek vermogen (W/kg of W/l): Elektrochemische cellen moeten tijdens ontlading en lading een specifiek spanningsvenster respecteren dat wordt gedefinieerd door lage en hoge uitschakelspanningen. De celactiviteit buiten deze zone staat bekend als overmatig ontladen of opladen en kan leiden tot versnelde veroudering en veiligheidsrisico's. De celspanning moet continu worden geregeld door het batterijbeheersysteem (BMS), aangezien de energiedrainage en injectie in de cel samenvalt met een continue daling en stijging van het voltage. De snelheid van een dergelijke spanningsverandering hangt samen met het vermogen. Met andere woorden, een cel die onderhevig is aan een hogere energiedrain of -injectie, bereikt de uitschakelspanning eerder. Een cel kan dus weigeren op te laden of te ontladen, zelfs als deze over voldoende opslagruimte of voldoende energie beschikt. BESS-systemen moeten dus, naast voldoende ruimte hebben voor opwekkingsoverschotten, ook compatibel zijn met zowel het vermogen van PV-opwekking (groene lijn, Fig.1) als de residentiële belasting (rode lijn, Fig.1). Een zorgvuldige analyse van het belastings- en opwekkingsprofiel samen met het intrinsieke gedrag van een elektrochemische celtechnologie is vereist om een ​​BESS-systeem optimaal te kunnen afmeten. Net als bij de specifieke energie, is het specifieke vermogen (W/kg of W/l) van lithium-ionbatterijen aanzienlijk hoger dan het vermogen in andere EC-technologieën zoals loodzuur, Ni-MH, Ni-Cd en redox-flow.
  3. Efficiëntie: Efficiëntie of beter gezegd cyclusefficiëntie van een EC wordt meestal gedefinieerd als de verhouding tussen de energie-output (Eo) en de input (Ei) tijdens een laad-ontlaadcyclus. Een efficiëntie van 100% zou bijvoorbeeld betekenen dat een accu die alleen wordt opgeladen met behulp van de PV-overschotgeneratie (Ei, groene stippellijn, Fig.1) voldoende zou kunnen zijn om bij ontlading te compenseren voor het PV-opwekkingstekort (Eo, som van rood gestippelde gebieden, Fig.1). In de praktijk is de efficiëntie echter altijd kleiner dan 100%, omdat een fractie van de energieinvoer naar de cel tijdens het laden verloren gaat als warmte. De cyclusefficiëntie is een complexe functie van het vermogen, de temperatuur en de ouderdom van het BESS-systeem. Gezonde lithium-ionbatterijen worden gekenmerkt door een typische efficiëntie van 90%, terwijl andere technologieën zoals loodzuur- en redox-flow-batterijen minder efficiënt zijn (~ 80%).
  4. Levensduur: De batterij bereikt het einde van zijn levensduur (EOL) wanneer de energie- en stroomkarakteristieken ervan onder een bepaalde drempel komen. Een dergelijke drempelwaarde wordt meestal ingesteld op een fractie van de batterij-energie (Wh) of capaciteit (Ah) aan het begin van de levensduur, met een typische waarde van 20%. Daarom hangt de bruikbare leeftijd van een batterij af van hoe snel er 20% capaciteit en stroom verloren gaat. Dit hangt voornamelijk af van de operationele omstandigheden (dat wil zeggen lading, ontlading, rustperioden en temperatuur) en de snelheid van chemische en mechanische degradatie in de cel. De huidige generatie batterijen die wordt aangeboden voor de residentiële opslag (lithium-ion, lood-zuur en redox-flow) wordt meestal gegarandeerd voor een periode van 10 jaar of tot enkele duizenden diepe cycli, afhankelijk van wat zich het eerste voordoet. In een residentiële opslagtoepassing en met het oog op de huidige volwassen batterijtechnologieën moet een batterij na 10-15 jaar onvermijdelijk vervangen worden.
Structure of electrochemical cells

Huidige status van batterijtechnologieën: hoe ver en hoe duur

In tegenstelling tot de draagbare elektronica en transporttoepassingen (bijvoorbeeld elektrische voertuigen, SLI of start-lightning-ignition), worden batterijen tot nu toe veel minder gebruikt in residentiële opslag. Hoewel veel batterijtechnologieën in de toekomst zullen doordringen in de markt van residentiële opslag, zijn de technologisch volwassen opties momenteel vrij beperkt.

Meestal vermelden we de prijs van een batterijtechnologie als een specifieke prijs die is genormaliseerd naar de opslaggrootte ($/kWh). Deze specifieke prijs hangt af van de technologie (bijv. loodzuur, lithium-ion, enz.), volwassenheid en opslagomvang. De chemische aard van de componenten in een cel heeft een aanzienlijke invloed op de uiteindelijke prijs van een bepaalde technologie. De materiaalkosten van een batterij zijn gevoelig voor: 1) beschikbaarheid van grondstoffen in de natuur en geografische distributie, 2) synthese en proces en 3) mogelijkheid van recycling en materiaalherstel aan het einde van de levensduur van de batterij. De maturiteit van een batterijtechnologie kan worden gekenmerkt door zijn globale cumulatieve productie (CP) in Wh. Deze parameter kan ook worden gebruikt in de zogenaamde experience curve analysis om de toekomstige daling van de productiekosten te voorspellen die wordt veroorzaakt door schaalvoordelen. De specifieke prijs is gerelateerd aan de grootte van de batterij: zo zou een enkele (~ 10 Wh) 18650 cilindrische lithium-ion-cel 20% meer per kWh kunnen kosten vergeleken met een klein lithium-ionbatterijpack (100 Wh) in een laptop.

  1. Mature (CP>1 TWh): de huidige cumulatieve productie van lood-zuur- en lithium-ion-batterijen is respectievelijk hoger dan 10TWh en 1TWh. De meeste van deze batterijproducties hebben een kleine capaciteit en komen terecht in toepassingen zoals SLI (loodzuur, <1kWh) en draagbare elektronica zoals smartphones (lithium-ion, <0,1 kWh). Loodzuurbatterijen hebben een prijskaartje van minder dan 500$/kWh, terwijl de prijs voor lithium-ionbatterijen varieert in tussen ~400 tot 1500$/kWh.
  2. Maturing (CP<100 GWh): Lithium-ionbatterijen voor elektrificatie van transport zijn een opmerkelijk voorbeeld van een gestaag rijpende batterijtechnologie. Hier worden grote accupakketten van 10 tot 100kWh geassembleerd om hybride, plug-in hybride en volledig elektrische voertuigen van stroom te voorzien. Dergelijke batterijpakketten hebben momenteel een specifieke prijs van ~250 tot 600$/kWh.
  3. Emerging (CP<1 GWh): toepassing van middelgrote Li-ion- en loodzuurbatterijen (1-20 kWh) voor residentiële opslag (fig. 2a) is in opkomst met een wereldwijde installatie van ~1 GWh. De laatste jaren krijgen redox-flow-batterijen (fig. 2b) meer aandacht en naast de utility-toepassingen (<0,5 GWh) worden momenteel enkele compacte versies aangeboden voor residentiële opslag. De huidige kosten van deze residentiële batterijen variëren tussen 500 en 2000$/kWh.
  4. Niet-commercieel (R&D): veel veelbelovende celtechnologieën zijn in ontwikkeling voor de volgende generatie batterijen. Het doel is om verder te gaan dan de allernieuwste lithium-ionbatterijen wat betreft prestaties, duurzaamheid en veiligheid:
    1. Elektrolyten met hogere elektrochemische en thermische stabiliteit: b.v. composiet en vastestof
    2. Elektroden op basis van hoge energie en/of duurzame actieve materialen: bijv. Na, Si, S, O2

Haalbaarheid en toekomstige trends

Wat is het tijdsverschil tussen de investering en de terugverdientijd voor residentiële opslag? De terugverdientijd hangt af van verschillende factoren zoals de elektriciteitsprijs, overheidsstimulansen en de batterijprijs. Het wordt momenteel geschat op 8 tot 15 jaar, gegeven de huidige trends en de bestaande literatuur. Een terugverdientijd van 5-6 jaar kan in de nabije toekomst worden bereikt door de stijgende prijs van elektriciteit en de dalende prijs van batterijen. De experience curve analyses die beschikbaar zijn in de literatuur suggereren dat de prijs van de batterijen voor huishoudelijk gebruik ~12-15% lager zal zijn voor elke verdubbeling van de cumulatieve productie. Dit zou overeenkomen met een geschatte prijs van 250 tot 400$/kWh voor residentiële batterijen tegen de tijd dat ze technologisch matuur zijn (d.w.z. CP> 1 TWh).

Conclusies:

  • Batterijen zijn veelbelovende opties om de groei van hernieuwbare energie in de energiemix van een duurzame samenleving te bevorderen.
  • Lithium-ionbatterijen zijn state-of-the-art en hebben de hoogste efficiëntie, energie en vermogensdichtheid.
  • De residentiële batterijopslagsystemen worden steeds beter mogelijk dankzij de gestaag dalende kosten van batterijproductie

[1] Om het gebruik van energie geproduceerd door PV te doen stoppen of te limiteren. 

Referenties

  1. M. Safari. ‘Battery electric vehicles: looking behind to move forward,’ Energy Policy 2018 (115): 54-65.
  2. B. Joos, T. Vranken, W. Marchal, M. Safari, MK. Van Bael, A. Hardy. ‘Eutectogels: a new class of solid composite electrolytes for Li/Li-ion batteries,’ Chemistry of Materials, 2018 (30): 655-66
  3. O. Schmidt, A. Hawkes, A. Gambhir, I. Staffell. ‘The future cost of electrical energy storage based on experience rates,’ Nature energy, 2017(2): 17110.
  4. V. Muenzel, I. Mareels, J. de Hoog, A. Vishwanath, S. Kalyanaraman, A. Gort. ‘PV generation and demand mismatch: evaluating the potential of residential storage,’ IEEE Power & Energy Society Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), Washington 2015: 1-5.

Het batterijonderzoek van EnergyVille

Het batterijonderzoek van EnergyVille bestrijkt de hele waardeketen, van fundamenteel materiaalonderzoek over celarchitecturen en nieuwe batterijconcepten tot batterijbeheer en systeemintegratie. Voor Li-ion-batterijen van de volgende generatie richten we ons op vastestofbatterijen. In onze kleine pilootlijn met dry room ontwikkelen we ook hoogwaardige processen om Amp-hour pouch cells te demonstreren. De materialen, verwerkings- en opschalingstaken worden ondersteund met modelleringactiviteiten, geavanceerde expertise in karakterisering, ondersteuning voor batterijintegratie en assessment door middel van batterijbeheersystemen. Daarnaast bekijken we nu al verkennende concepten en chemieën voor na 2030.

An Hardy

Contact

An Hardy

Professor Chemical Synthesis Methods for Inorganic Nanomaterials at EnergyVille/UHasselt
Momo Safari

Contact

Momo Safari

Professor Electrochemical Engineering at EnergyVille/UHasselt
Batterij onderzoek opslag EnergyVille
Battery Materials