Oftewel “The Elephant in the room”. In het Nederlands wordt deze uitspraak ook steeds vaker gebezigd. Het is een mooie metafoor om een onderwerp te benoemen, dat van groot belang is, maar waar te weinig aandacht aan wordt besteed. De olifant is dus duidelijk aanwezig, maar niemand wil hem zien.
Het onderwerp waar ik het nu over ga hebben is de opslag van elektrische energie.
Ik heb het in enkele andere hoofdstukken voornamelijk gehad over jaargemiddelden m.b.t. opwekking van zonne-energie, wind-energie, verbruik van fossiele brandstoffen, verbruik van energie, enz. Door gebruik te maken van afgeronde cijfers van het CBS en de vaststaande wetten van de natuurkunde is het vrij eenvoudig gebleken om daar concrete uitspraken over te doen.
Als voorbeeld zal ik hier nogmaals noemen dat de verwachting in 2050 voor de RES Amersfoort zal zijn:
75 windmolens en 120 zonneveld-equivalenten van 5 ha.
Niet exact, maar voldoende om een indruk te geven en door iedereen te begrijpen.
De olifant in de kamer is in dit geval de noodzaak van elektrische energie-opslag. Ik houd er van om zaken eenvoudig te houden, dus ik zal me enigszins moeten beperken. Ik zal in het navolgende alleen ingaan op de door zonnepanelen opgewekte energie.
Wat heeft een gemiddeld huishouden in het jaar 2050 nodig ?
Ook dat is gelukkig zeer eenvoudig te berekenen, met behulp van eerder gemaakte sommetjes.
Gemiddeld huishouden: 3.000 kWh
Gemiddeld particulier autovervoer: 2600 kWh
Verwarming: 1.500 m3 aardgas = 12.000 kWh
Het totaal komt dan uit op 17.600 kWh per huishouden per jaar.
Echter: hoewel de energie-inhoud van 1 m3 aardgas overeenkomt met 8 kWh is er een methode om door koeling van de buitenlucht, warmte aan de omgeving te onttrekken. Het daarvoor gebruikte systeem wordt een warmtepomp genoemd. Omdat bij toepassing van een dergelijk systeem minder elektriciteit benodigd is, wordt deze winst met een rendementsfactor van de warmtepomp aangeduid. Er zijn met deze complexe systemen al veel ervaringen opgedaan, zowel gunstige al ongunstige. Ik zal voor de rendementsfactor met 250 % rekenen.
Dat betekent voor verwarming geen 12.000 kWh maar 4.800 kWh.
Totaal wordt het dan per huishouden: 3.000 + 2600 + 4800 = 10.400 kWh per jaar. Dat is meer dan een verdrievoudiging van het gangbare elektriciteitsverbruik, nl. 3,5 keer zo veel.
Klopt dat wel ? Ga ik hier de mist in ? Heb ik een rekenfout gemaakt ?
Nou, dat valt wel mee want ook dit is weer eenvoudig verklaarbaar. In het huidige tijdperk wordt op twee extra manieren energie aan het huishouden van 3.000 kWh toegevoegd. Dat is het innemen van brandstof bij het tankstation en het innemen van aardgas via de gasmeter. Twee bronnen die in het jaar 2050 zijn verdwenen.
Ik ga nu verder met de olifant in de kamer, nl. energie-opslag. Ik ga hier alleen wat zaken berekenen die met zonne-energie te maken hebben omdat deze vorm van opwekking het dichtst bij de burger staat en de meeste mensen wel weten wat zonnepanelen zijn. Bovendien kun je windmolens niet gedistribueerd over woningen verdelen, maar met zonnepanelen kan dat wel. Windenergie laat ik hier weliswaar buiten beschouwing, maar de mogelijke en niet-mogelijke oplossingen voor de opslag van wind-elektriciteit zijn vergelijkbaar, want elektriciteit=elektriciteit.
Stel dat we de helft van de benodigde huishoudelijke energie met zonnepanelen op het dak van de woning willen verkrijgen bijv. 5 kWh. Daar zijn 5.000/265 = 19 zonnepanelen voor nodig.
Omdat de zonnepanelen ’s winters niet veel energie leveren, zal in de zomermaanden opslag moeten plaats vinden. We nemen 3 maanden (half november-half februari), waarin er geen noemenswaardige energie-opbrengst van de zonnepanelen is. Hoeveel moet er dan in de overige 9 maanden zijn opgeslagen ?
Welnu, dat is 3/12 x 5.000 = 1250 kWh. Dit betekent dat met een accu van 1250 kWh er 3 maanden overbrugd kan worden.
De laatste vraag die beantwoord moet worden, is wat het betekent om een 1.250 kWh accu in huis te hebben.
Het gangbaarste type accu, waar al tientallen jaren ontwikkeling op plaats vindt, is de Li-ion accu. Het is hetzelfde type dat voor elektrische fietsen en auto’s wordt gebruikt.
Wat zijn de kosten van deze accu en wat is het ruimtebeslag ?
De bekendste accu voor gebruik in combinatie met zonnepanelen is de Tesla Powerwall. Deze accu heeft een capaciteit van 13,5 kWh en kost ongeveer € 10.000,- Om 1250 kWh energie op te slaan zijn 92 Powerwalls benodigd. De kosten hiervan zijn € 920.000,- Afgezien van de kosten is het ruimtebeslag veel te groot. Als je bedenkt dat het vervoer van 0,5 kWh accu’s voor bijv. elektrische fietsen met speciale koeriers verzorgd moet worden in verband met explosiegevaar, is het duidelijk dat 1250 kWh accupakketten in een woonomgeving ontoelaatbaar zijn.
NB: het gaat hier om de installatie voor één woning.
Wat kunnen we uit bovenstaande berekening concluderen ?
Chemische accutechnologie is ongeschikt als opslag voor grootschalig energiegebruik. Van belang is het om er op te wijzen dat deze accu’s aan slijtage en veroudering onderhevig zijn. Helaas is dit een zeer complex onderwerp maar ook hier kan globaal wel iets over gezegd worden.
Afhankelijk van temperatuur en laad/ontlaadstroom moet rekening gehouden worden met het feit dat na 1.000 tot 2.000 volledige laad/ontlaadcycli de capaciteit van een Li-ion accu 80 % zal bedragen.
Illustratie:
Stel dat er in een jaar 200 volledige laad/ontlaad cycli van de accu plaatsvinden, dan zal de (80 %) levensduur tussen de 5 en 10 jaar zijn.
Nog een voorbeeld van een elektrische auto
Deze rijdt 13.000 km per jaar en heeft een accu van 60 kWh voor een actieradius van 300 km.
13.000 km kost 13.000 x 0,2 kWh/km = 2.600 kWh.
Het hiermee overeenkomende aantal laadcycli is dan 2600/60 = 43 keer in een jaar. Na 10 jaar zal dat 430 keer zijn, dus deze accu is dan nog in prima conditie.
Andere vormen van opslag zijn stuwmeren in de bergen en omzetting naar energetische vloeistoffen of gassen. De enige opmerking die ik daar over wil maken is dat de bekende conversietechnieken, zoals bijvoorbeeld omzetting van elektriciteit naar waterstofgas een zeer slecht rendement hebben.
De keten van elektriciteit naar waterstofgas, opslag, distributie en terug naar elektriciteit heeft een rendement van minder dan 30 %. Dus als je die route wilt bewandelen is voor een deel van het zonne- en windpark een drievoudige hoeveelheid windmolens en zonneparken nodig.
Conclusie: elektrische energieopslag in accu’s is onhaalbaar en opslag op andere wijze gaat met zeer hoge verliezen gepaard.
Fundamentele analyse van lithium-ion accus
Een interessante vraag is de volgende:
Wat is de maximale hoeveelheid energie die in een moderne li-ion batterij opgeslagen kan worden en hoe kan dat vergeleken worden met de energie in benzine ?
Hier moet eerst over opgemerkt worden dat er verschillende typen oplaadbare li-ion batterijen bestaan met uiteenlopende chemische samenstellingen. Daarom zal ik me beperken tot het gangbaarste type dat veel wordt toegepast in elektrische auto’s, omdat het een relatief hoge energiedichtheid heeft. Het betreft de li-ion batterij, type Li-NMC (lithium,nikkel,mangaan,kobalt).
Omdat ik in het vervolg ook gebruik zal maken van gewichtseenheden lithium is het tevens van belang om onderscheid te maken tussen het gewicht van puur lithium metaal en het gewicht van in mijnen gedolven lithiumcarbonaat (LiCO3), ook wel afgekort met LCE.
De hoeveelheid lithium-metaal in LCE bedraagt 18 %, door mij afgerond op 20 %.
De hedendaags meest toegepaste Li-ion cel is het type 18650. Deze heeft een cylindrische vorm met een diameter van 18 mm en een hoogte van 65 mm. Hij weegt 50 gram en bestaat uit de volgende componenten:
Lithium: 2 gram
Oxidatiemiddel: 13 gram
Elektrodes (anode+kathode) : 29 gram
Electroliet: 2 gram
Behuizing: 5 gram
De energiedrager, het lithium, maakt 4 % uit van het totale gewicht van de accu.
De energie-inhoud van deze cel van 50 gram is: 12,5 Wh, dus omgerekend per kg: 250 Wh/kg.
Een moderner type Li-ion cell is de 2170 (20Wh) van Tesla en de nieuwe 4680 cel (100 Wh).
Deze nieuwe 4680 cel bestaat alleen als prototype en heeft een zeer complex productieproces nodig, waarvan nog niet zeker is of dit in hoge volumes haalbaar is. De energiedichtheid van deze cel is niet hoger dan die van de andere cellen. Het theoretische voordeel is dat er sneller mee geladen en ontladen kan worden. Als het lukt om deze cel op grote schaal te produceren, zal het niet eerder dan 2023 zijn. De produktie van accupaketten voor elektrische auto’s zal dan wel iets eenvoudiger zijn.
Voor een 60 kWh accupakket zijn dan geen 3.000 cellen van het type 2170 nodig, maar 600 cellen van het type 4680.
De hoeveelheid energie in een liter benzine is 9 kWh. Met een soortelijk gewicht van 0,72 kg/ltr is de energie-inhoud van een kg benzine : 12,5 kWh/kg
Dus per gewichtseenheid heeft benzine 12500/250 = 50 keer meer energie-inhoud dan Li-ion celtechnologie.
Ook over het volume is nog wel iets te zeggen. Dit bedraagt voor li-ion 200 Wh per liter. Een 9 kWh accu heeft dus een volume van 45 liter. Dit is een 45 keer groter volume dan een liter benzine.
De praktische beschikbaarheid van deze twee energievormen is wel totaal verschillend. Een benzinemotor heeft een rendement van maximaal 30 % en een elektromotor heeft een rendement van meer dan 90 %.
Een auto met een volle benzinetank van 50 liter (36 kg) heeft 450 kWh energie. Stel het rendement is 30 %, dan blijft netto over voor de aandrijving: 135 kWh, ofwel een actieradius van 675 km.
Om met een elektrische auto deze actieradius te kunnen halen is een accupakket nodig van 135 kWh met een gewicht van 600 kg.
Een Li-ion accu van 100 kWh zal theoretisch een gewicht hebben van ruim 400 kg. Het totaalpakket voor installatie in een auto is echter veel zwaarder vanwege het noodzakelijke BMS (Battery Management System) en de noodzakelijke zeer robuuste behuizing.
Een accu voor de Tesla S100 met een capaciteit van 100 kWh weegt zelfs 600 kg.
Er zijn zelfs elektrische auto’s met een 80 kWh accupakket van 650 kg.
Dit alles heeft te maken met het gewicht van een extra degelijke behuizing, BMS en een geïntegreerd koelsysteem.
Een elektrische fietsaccu van Bosch met een capaciteit van 500 Wh weegt 2750 gram.
Resumerend: Li-ion cel (18650): 4 g/Wh, E-bike: 5,5 kg/kWh, Tesla accu: 6,35 kg/kWh
Naarmate accupaketten groter worden, neemt dus ook het gewicht per kWh toe.
Aangezien er al 40 jaar lang onderzoek wordt gedaan aan het verbeteren van chemische accu’s en er slechts weinig vooruitgang is geboekt, ziet het er niet naar uit dat de energie-inhoud in de toekomst groter zal worden. Er wordt voornamelijk wat verbetering bereikt t.a.v. levensduur, aantal laadcycli en vermogensdichtheid.
(Vermogensdichtheid is een belangrijke eigenschap om accu’s snel te kunnen opladen en ontladen)
De toekomst van Li-ion accu’s
Als het gaat om de te verwachten ontwikkelingen met betrekking tot energiedichtheid, vermogensdichtheid, veiligheid, duurzaamheid, kosten, enz. ziet het er niet goed uit. Lithium is nog steeds het geschiktste uitgangsmateriaal om kathodes in accu’s van te maken, maar loopt ver achter op datgene wat men gewend is met fossiele brandstoffen.
De gangbaarste lithium accu met de hoogste energie-dichtheid is de z.g. Li-NMC (Nikkel,Mangaan,Kobalt) accu. Deze wordt alom gebruikt in smartphones, laptops en elektrische auto’s. Vanwege de relatief hoge energiedichtheid worden de nadelen, zoals dure en zeldzame grondstoffen (kobalt, nikkel), hoog gewicht, onveiligheid, slijtage, enz op de koop toegenomen.
Een ander commercieel verkrijgbaar alternatief, is de z.g. LFP accu. Deze werkt ook op basis van lithium, maar de kathode in deze accu’s maakt gebruik van ijzer en fosfor. Vandaar de benaming LFP (lithium,ferro,fosfor). Deze accu heeft vele voordelen, maar heeft ook nadelen, zoals het feit dat de energiedichtheid nog slechter is, nl. slechts 70 % van de energiedichtheid van Li-NMC.
Er bestaan nog vele andere denkbare varianten in onderzoek, met even zovele voor- en nadelen zoals lithium-aluminium, lithium-lucht, lithium-solidstate, enz.
De wereldvoorraad Lithium
Het metaal lithium is het geschiktste materiaal voor de opbouw van accu’s om de volgende redenen.
- Het is het lichtste metaal
- Het heeft goede elektrochemische eigenschappen
- Het heeft een relatief hoge energiedichtheid
Lithium wordt voornamelijk gewonnen in Zuid-Amerika, Australië en China. De cijfers omtrent de totale beschikbare hoeveelheid lopen uiteen van 17 miljoen ton tot 53 miljoen ton. Erg onbetrouwbaar dus en ik zal voor het gemak maar uitgaan van 30 miljoen ton. De verhandelbare versie van lithium is overigens lithiumcarbonaatpoeder (Li2CO3). Dit wordt afgekort met LCE.
Het is van belang om onderscheid te maken tussen het metaal lithium en lithiumcarbonaat. Het zuivere metaal lithium heeft een gewicht van 18% van lithiumcarbonaat.
Mede hierdoor is het moeilijk om inzicht te krijgen in de hoeveelheid lithium die per kWh van een li-ion accu benodigd is. Sommige cijfers praten over het lithiumcarbonaat-equivalent, andere over het lithium-metaal equivalent. Bovendien zijn er nog verschillen in de chemische samenstelling van diverse li-ion accu’s.
Voorlopige conclusie, met ruime marges en als een grof gemiddelde.
Per kWh wordt 150 gram lithium-metaal gebruikt in een accu gebruikt.
In gewichtsverhoudingen is dit: 150 gram lithium in een 4 kg accu, ofwel 4 %.
In het algemeen wordt gedacht dat de wereldvoorraad lithium enorm groot is. Als we dit echter afzetten tegen de enorme vraag die de komende jaren verwacht wordt, blijkt dit nogal tegen te vallen.
Hoeveel accu’s zijn nodig in het jaar 2050
Als we ons beperken tot de toepassing voor elektrisch personenvervoer zijn er schattingen van 800 miljoen auto’s wereldwijd in het jaar 2050. (Er rijden momenteel 1,4 miljard auto’s rond, maar er wordt voorspeld dat dit in 2050 aanzienlijk minder zal zijn.)
Dit zijn dus 800 miljoen accu’s van 60 kWh (250 kg netto gewicht).
Aangezien per accu 10 kg lithium wordt gebruikt, zal hier 8 miljoen ton lithium voor nodig zijn.
In LCE is 18 % lithium aanwezig, dus voor 8 miljoen ton lithium is 45 miljoen ton LCE nodig.
Dit is al meer dan de totale bekende wereldvoorraad.
De toepassingen voor vrachtverkeer en talloze andere toepassingen, zoals smartphones, laptops en opslag voor zonne- en windparken zijn hier nog niet eens in meegenomen.
De conclusie is duidelijk
Er zal een grootschalige industrie ontwikkeld moeten worden om het lithium in versleten accu’s terug te winnen. Het is echter niet bekend hoe dit moet gebeuren. Huidig onderzoek laat zien dat dit op kleine schaal al een zeer complex proces is, waar grootschalig nog geen oplossing voor is.
Wel is de terugwinning van nikkel en kobalt redelijk goed te doen.
Illustratie ter verduidelijking
In het jaar 2019 is 380.000 ton LCE gedolven. 30% is gebruikt voor elektrische auto’s.
Als er in het jaar 2050 een hoeveelheid van 800.000 elektrische personenauto’s rond zouden moeten rijden, dan moeten er jaarlijks ongeveer 30 miljoen auto’s worden gemaakt.
Stel dat men per jaar 30 miljoen elektrische auto’s wil gaan bouwen. Hoeveel lithium is dan nodig ?
Voor een accu van 60 kWh is 50 kg LCE benodigd.
30 miljoen accu’s van 60 kWh betekent dus 30 miljoen x 50 kg LCE = 1,5 miljoen ton LCE per jaar.
Dit is veel meer dan de hoeveelheid in 2019 gedolven hoeveelheid LCE (0,38 miljoen ton).
Ander voorbeeld:
Hoeveel personenauto’s zou je kunnen maken op basis van een wereldvoorraad van 30 miljoen ton LCE ?
Welnu: stel 30% wordt gebruikt voor auto’s, dat is dus 10 miljoen ton LCE.
Per accu van 60kWh is 50 kg LCE benodigd.
Dus 10 miljoen ton / 0,05 ton= 200 miljoen auto’s in totaal.
Nieuws per 25-10-22: Lithiummijn in Frankrijk
Frankrijk gaat in het Centraal Massief bij de plaats Échassières (Allier) een lithiummijn ontginnen. Het bedrijf Imerys wil vanaf 2028 gedurende 25 jaar, elk jaar 34.000 ton lithiumhydroxyde gaan winnen. De aanwezige voorraad is niet bekend gemaakt, maar in 25 jaar zou dit 850.000 ton LCE betekenen.
Wat is nu eigenlijk de betekenis van deze hoeveelheid ?
Wereldwijd bevinden zich de grootste voorraden lithium in Chili, Bolivia en China. Europa heeft nauwelijks locaties waar dit gewonnen kan worden. In het Rijnland in Duitsland en in Servië zijn winbare locaties aangetroffen. Een vergunning om in Servië een mijn te gaan exploiteren is weer ingetrokken vanwege de milieuproblemen die deze lithiummijn met zich mee zou brengen. Uitgaande van de huidige ingeschatte wereldvoorraad van 30 miljoen ton LCE betekent de winbare hoeveelheid van 850.000 ton in Frankrijk een aanvulling met 2,8 %.
Omdat het lithium gebruikt zal gaan worden voor de productie van accu’s kun je de productie van de nieuwe mijn in Frankrijk vertalen naar ongeveer 700.000 accu’s van 60 kWh per jaar.
Het is op wereldniveau dus een bescheiden productie, maar binnen Europa, dat kampt met een tekort aan dit metaal, wel significant te noemen.
De belangrijkste winningsgebieden voor lithium in Europa bevinden zich in Portugal. Volgens het bedrijf Savannah Resources is er een voorraad van 60.000 ton lithium (LCE) in de bodem aanwezig. Vergunningverlening is vanwege de te verwachten milieuvervuiling nog niet tot stand gebracht.
Zolang het niet mogelijk is om lithium uit versleten accu’s te regenereren, zal dit weinig bijdragen aan de oplossing van het probleem dat omstreeks het jaar 2050 alle lithiumvoorraden verbruikt zullen zijn.
Energie-opslag in waterstof
Als een alternatief voor de opslag van energie in elektrochemische vorm (accu’s) kan ook nog gedacht worden aan opslag in gasvorm. Het gas waterstof is dan voor de hand liggend omdat het na verbranding geen CO2 oplevert maar water. Waterstof is het lichtste element, maar neemt dermate veel volume in beslag dat het voor mobiele toepassingen alleen maar in gecomprimeerde vorm, onder zeer hoge druk, toepasbaar is.
Waterstofgas is geen energiebron maar een energiedrager, hetgeen in de praktijk betekent dat er eerst m.b.v. elektriciteit waterstof gemaakt moet worden. Dit gaat met een rendement van 50 % (hydrolizer).
Om van waterstof weer elektriciteit te maken met een z.g. brandstofcel gaat ook 50 % energie verloren. Uiteindelijk is het rendement van deze vorm van opslag dus slechts 25 %.
Voor mobiele toepassingen zijn er wel proefprojecten tot stand gekomen. Een groot probleem is de opslag van waterstof in zeer grote, zware en tegen hoge druk bestand zijnde tanks.
Direct gebruik van waterstof in een verbrandingsmotor is ook niet succesvol gebleken, afgezien van het feit dat ook dan het rendement nogal slecht zal zijn.
Wellicht zijn er in de toekomst stationaire haalbare toepassingen van waterstof, wellicht voor verwarmingsdoeleinden, maar dan zullen er nog vele problemen moeten worden overwonnen.
Tenslotte nog wat “food for thought”
Hoewel het op dit moment nog steeds wordt gestimuleerd om daken te bedekken met zonnepanelen, kun je je afvragen hoe lang dit nog door kan gaan. Er komt een moment dat op zomerse dagen zo veel veel zonne-instraling plaats vindt dat er te weinig verbruik of opslag voor is.
Zonnepaneelconverters zullen dan automatisch uitgeschakeld worden om het elektriciteitsnet en de aangesloten apparatuur te beschermen. M.a.w. er is dan overcapaciteit en de stroomprijs zou dan significant lager moeten worden. Ziedaar ook het belang van slimme meters, die op zo’n moment een lagere prijs in rekening kunnen brengen.