Elektrificatie

Stroom zal steeds meer gebruikt zal worden. In huishoudens: voor warmtepompen en airco’s voor verwarming in de winter en airco’s voor koeling in hete zomers. Voor mobiliteit: elektrische auto’s, maar ook vliegtuigen voor de korte afstand. En ook op de allergrootste schaal, in de industrie: voor groen staal, datacenters, hoge-temperatuurverwarming en productie van groene waterstof. Het is altijd een uitdaging geweest om vraag en aanbod op het elektriciteitsnet met elkaar in balans te houden. En die uitdaging neemt door de elektrificatie verder toe.

Wisselende vraag en aanbod

Consumenten nemen wisselende hoeveelheden af, met sterke variatie in verbruik binnen de dag en per seizoen. En ook de stroomproductie wisselt. Dat komt door storingen en onderhoudstops in centrales, maar in toenemende mate ook doordat zon en wind een steeds groter deel van de stroom leveren en sterk variabel zijn. Dat speelt op heel korte tijdschalen van minuten tot uren en er is daarnaast sprake van dag-nacht- en seizoenvariatie. Bovendien hebben we soms een ‘Dunkelflaute’, een periode waarbij zowel zon als wind het langdurig laten afweten. Al deze variatie brengt het stroomnet uit balans.

Netstabilisatie

Het stroomnet wordt geregeld op frequentie en spanning. Als er teveel stroom wordt afgenomen van het net of te weinig wordt geproduceerd, dan zakken de frequentie en de spanning. Als de spanning te lang laag blijft, leidt dat tot een black-out: het stoppen van stroomproductie. Netstabilisatie wordt geregeld aan de productiekant. Europa bestaat uit één gekoppeld net (ENTSO-E). De capaciteit van internationale netkoppeling wordt verdubbeld tussen nu en 2040 en dat draagt bij aan netstabilisatie. Voor piekbelasting worden vooral waterkracht (‘Pumped-Storage Hydropower’) en snelle gascentrales ingezet. Kolen- en kerncentrales staan vaak permanent aan en kunnen dan dus niet meer bijgeschakeld worden; bovendien zijn ze relatief traag. Tegen de tijd dat er geen aardgas meer beschikbaar is voor piekcentrales, zijn er nieuwe oplossingen nodig: batterijen, perslucht en waterstof.

Batterij-ontwikkeling

Batterijen zijn niet nieuw. Denk aan de lood-accu (op basis van lood en zwavelzuur), uitgevonden in 1859 en vooral toegepast in auto’s. Batterijen zijn apparaten waarin stroom wordt opgeslagen als chemische energie. Ze bestaan uit twee elektrodes, een kathode en een anode, waar zich twee chemische reacties afspelen, met daartussen een geleidend elektrolyt en soms een membraan om de kathode- en anodecompartimenten van elkaar te scheiden. Sommige kleine batterijen (knoopcellen en alkaline batterijen) kunnen eenmalig gebruikt worden, maar de meeste batterijen zijn herlaadbaar (Ni-MH en lithium-ion). En die lithium-ion-batterijen worden nu van kleine tot heel grote schaal toegepast (zie tabel 1).

Tabel 1. Lithium-ion batterijen worden gebruikt op elke schaal.

Aan batterijen worden veel eisen gesteld:

• Vermogen: snelheid van opladen en ontladen
• Energiedichtheid (op gewicht- of volumebasis), met name in mobiele toepassingen zoals auto’s en vliegtuigen
• Beperkt energieverlies per cyclus
• Stabiliteit: een lange levensduur, met veel cycli
• Milieu: geen giftige metalen meer
• Veiligheid: geen brandgevaar ten gevolge van brandbaar elektrolyt
• Geen gebruik van schaarse en daardoor ook kostbare grondstoffen. Er wordt veel gesproken over problemen met de beschikbaarheid van kobalt en lithium
• En natuurlijk de overall kosten

Batterijen voor mobiele toepassingen

Voor elektrische auto’s is de loodaccu niet erg geschikt vanwege zijn hoge gewicht door de lage energiedichtheid (30 Wh/kg). Dat is de reden dat de elektrische auto, hoewel veel eerder uitgevonden, het rond 1910 verloren heeft van de auto met de interne verbrandingsmotor. Maar de recente ontwikkeling van lithium-ion batterijen (vanaf 1991) heeft de wereld veranderd: door hun steeds lagere kosten, hun hogere energiedichtheid (250 Wh/kg; prototype van CATL in 2024 met 500 Wh/kg) en hun beperkte energieverlies per cyclus (5%) zijn elektrische auto’s weer aantrekkelijk geworden. Met een verbruik van 15 kWh per 100 km en een batterij van 60 kWh (250 kg) kan een redelijk bereik van 400 km gehaald worden. Met de toenemende energiedichtheid komt ook toepassing in elektrische propellervliegtuigen in zicht. De grote producenten zitten vooral in Azië, met name in China (zie tabel 2). Het Europese bedrijf NorthVolt (16 GWh) heeft moeite om zich in deze markt staande te houden. De meeste commerciële batterijen zijn van het NMC-type (lithium nickel manganese cobalt oxide), maar de LFP-batterij (lithium-iron-phosphate) is sterk in opkomst. Deze laatste heeft weliswaar een 20% lagere energiedichtheid, maar dat is voor stationaire toepassingen minder van belang. Pluspunten zijn: hij is kobalt-vrij, goedkoper en veiliger, en heeft een langere levensduur.

Tabel 2. Top 6 bedrijven wat betreft lithium-ion autobatterijproductie (2024), in totaal 894 GWh, 27% groei per jaar.

Batterijen voor energieopslag

Door de snelle kostendaling – een factor 10 in de laatste 14 jaar – worden lithium-ion batterijen nu ook op grote schaal gebruikt buiten de auto-industrie, voor stationaire toepassingen.

Zo worden ze gebruikt voor datacenters en worden ze in Nederland aangeboden voor thuisbatterijen, om vanwege de aflopende salderingsregeling zonnestroom lokaal beter te benutten en daarnaast het net gelijkmatiger te belasten. Sinds 2020 is er een sterke groei in het gebruik van grote lithium-ion batterijen die ingezet worden voor netstabilisatie. Ze worden vooral gebruikt voor het kort leveren van piekcapaciteit aan het begin en het einde van de dag (gedurende max 4 uur; zg. ‘Short Duration Energy Storage’) en worden opgeladen met goedkope stroom als er weinig verbruik is, vooral ’s nachts, of wanneer er veel zon is, midden op de dag. Maar zelfs bij de huidige kosten van €100/kWh zijn ze niet echt goedkoop. Een rekenvoorbeeld: als ze lang meegaan (2000 cycli) en elke cyclus (stroomverkoop minus -inkoop) levert €0,05/kWh op, dan wordt de investering net terugverdiend. Maar nieuwe LFP-batterijen kunnen tot 10.000 cycli meegaan en dan is het een zeer efficiënte optie. De grootste batterij ter wereld staat sinds 2021 in California (875 MW, 3320 MWh, het Edwards & Sanborn Solar Plus Storage Project), maar ook Nederlandse projecten mogen er wezen (2025, 300 MW, 1200 MWh, Giga Storage, Delfzijl; 2026, 320 MW, 640 MWh, Corre Energy/SemperPower, Zuidwending).

Batterijen en duurzaamheid

Velen vragen zich af of batterijen wel horen bij een duurzame toekomst. Giftige metalen in batterijen zijn grotendeels uitgebannen. Denk aan het gebruik van lood, kwik en cadmium. Een aantal andere gebruikte elementen is weliswaar niet giftig, maar wel schaars (kobalt, nikkel, lithium, grafiet, schoon fosfaat – zie ook een eerdere gastblog ‘Fosfaat is onvervangbaar’ van 20-1-2025). Ze zijn uitputbaar of ze worden alleen op een beperkt aantal plekken gedolven, wat kan leiden tot geopolitieke spanningen, hoge prijzen en oorlog. Denk daarbij aan kobalt uit Congo of zeldzame aardmetalen uit China. Ook kan mijnbouw een grote aanslag doen op het milieu. Een aantal strategieën moeten leiden tot duurzaam gebruik van batterijen:

• Verhoging van de levensduur (meer cycli), door betere batterijen en gebruik van een Battery Management System, dat zorgt voor juiste laad- en ontlaadsnelheden, voorkomen van overladen en te diep ontladen en temperatuurbeheersing.
• Vervanging van schaarse door minder schaarse grondstoffen
• Regionale productie van grondstoffen, uit geopolitieke overwegingen
• Eisen aan mijnbouw ter bescherming van milieu en lokale bevolking
• Recycling van batterijen. Hierbij gaat het om hoogwaardig hergebruik (bv. van oude autobatterijen in stationaire toepassingen) en terugwinning van alle batterij-elementen voor gebruik in nieuwe batterijen.

Steeds betere batterijen

Er wordt hard gewerkt aan steeds goedkopere en duurzamere batterijen. China leidt de dans met veel R&D. Er ontstaat marktdifferentiatie: verschillende toepassingen vragen om andere types batterijen. In mobiele toepassingen speelt energiedichtheid de grootste rol. Voor stationaire batterijen wordt vooral gezocht naar kostenverlaging en vervangers van schaarse grondstoffen. Hogere energiedichtheid wordt verwacht op basis van vaste in plaats van vloeibare elektrolyten (‘solid state’) en door gebruik van aluminium in plaats van lithium. Vervanging van lithium door natrium in natrium-ion batterijen verlaagt de kosten, maar ook de energiedichtheid (2025, prototype van CATL met 200 Wh/kg).

Flow-batterijen

Door elektrificatie en toename van zon en wind wordt verwacht dat batterijen nodig zijn voor stationaire energieopslag gedurende langere periodes dan de bovengenoemde 4 uur (bv. 6-12 uur; zg. ‘Long Duration Energy Storage’). Daarvoor zijn de lithium-ion batterijen ook geschikt, maar komt er meer concurrentie van een ander type batterijen, de zg. flow-batterijen. Deze zijn goedkoper en gebruiken beter beschikbare materialen (ijzer, vanadium, natrium, chloor, broom). Ze hebben wel een veel lagere energiedichtheid (circa 30 Wh/kg) en zijn daardoor zwaarder en groter, maar dat is voor stationaire toepassingen minder een probleem. Ze zijn bovendien in staat chemische energie (deels) buiten de batterij op te slaan, waardoor een relatief kleine batterij-cel veel energie op kan slaan en de energieopslag goedkoper wordt. De grootste ter wereld is gebaseerd op vanadium en staat in China (175 MW, 700 MWh, Rongke Power). In Nederland vinden er diverse testen plaats op kleine (container-)schaal. Een voorbeeld is de Iron Flow Battery op basis van ijzer en zout water die in gebruik genomen is bij Schiphol (2024, 75 kW, 500 kWh, van ESS uit de VS). Een Nederlandse ontwikkeling is een flowbatterij op basis van elektrodialyse, die zout water splitst in een zure en een basische stroom (2024, 5 kW, 50 kWh, van Aquabattery, pilot in Delft met Verbund (Oostenrijk)). Een andere Nederlandse ontwikkeling benut de elektrolyse van waterstofbromide voor energieopslag als broom en waterstof (2020, 200 kWh, van Elestor met Vopak, pilot in Arnhem). Vanwege de hoge eisen – zoals lange levensduur, hoog vermogen en beperkt energieverlies per cyclus – zullen niet alle start-ups overleven. Ook de flow-batterijen lijken vanwege de nog steeds hoge kosten alleen geschikt voor kortdurende energieopslag (minder dan een dag). Batterijen zijn alleen rendabel, wanneer ze regelmatig ingezet kunnen worden voor stroomhandel. Ze zijn zeker niet rendabel voor zeer incidenteel gebruik voor grootschalige energieopslag gedurende lange periodes, zoals tijdens een Dunkelflaute.

Dunkelflaute

Een Dunkelflaute vindt in Nederland vooral plaats in de winterperiode, wanneer er altijd weinig zon is en de wind weg kan vallen (zie figuur 1). Het gaat om maximaal 8 dagen opslag, van in totaal circa 2630 GWh (2,2% van het Nederlandse jaarverbruik). Voor dit soort hoeveelheden lijkt grootschalige opslag in grote zoutcavernes (0,5-1,0 miljoen m³ per stuk) het meeste geschikt. Zoutcavernes zijn zeer geschikt omdat ze gasdicht zijn en goed bestand zijn tegen variatie in druk en temperatuur. De elektriciteitsopslag kan in de vorm van perslucht of waterstof.

Figuur 1. Rinus Scheele, 23-3-2021, KNMI-data uit de periode 1991-2020, https://www.knmi.nl/over-het-knmi/nieuws/dagen-met-weinig-wind-en-zon. Scenario waarbij zon en wind ieder jaargemiddeld even veel energie leveren als er nodig is voor het totale directe gebruik. Tekorten ontstaan vooral in december-februari, maximaal 8 daggebruiken.

Perslucht

Bij perslucht spreekt met van ‘Compressed Air Energy Storage’ (CAES). Lucht wordt met elektrische compressoren samengeperst in zoutcavernes, en bij druk aflaten wordt met behulp van turbines weer stroom opgewekt. Dit is bekende technologie. Het rendement is circa 58%. Sinds 1979 draait er al een grote installatie in Duitsland (290 MW, 580 MWh, 0,31 miljoen m³, 50-70 bar, Huntorf). In Nederland start in 2026 een fabriek van Corre Energy, in Zuidwending (320 MW, 640 MWh, 90-190 bar, 1 caverne van 0,5 miljoen m³). De energieopslag van circa 1 GWh per standaardcaverne van 0,5 miljoen m³ is te weinig: je zou 2630 cavernes nodig hebben voor een Dunkelflaute! CAES blijkt alleen geschikt voor opslag op de tijdschaal van enkele uren, net als batterijen.

Waterstof

Met de chemische energie van groene waterstof is veel meer opslag mogelijk dan met perslucht. Stroom wordt via elektrolyse van water omgezet in waterstof, vooral in periodes van stroomoverschot en lage prijzen. Het rendement per cyclus is slechts 35% (70% voor elektrolyse, en 50% voor brandstofcel of gasturbine). In Zuidwending werkt de Gasunie met Nobian in het HyStock-project aan de bouw van de eerste Nederlandse zoutcaverne van 1 miljoen m³ voor 6,5 ton waterstofopslag. De opstart is voorzien voor 2031, 5 jaar vertraagd ten opzichte van de originele planning. Per caverne is 108 GWh (elektrisch) opslag mogelijk, honderd  keer de capaciteit van de persluchtopslag! Voor de 2630 GWh van de Dunkelflaute zijn in totaal 24 zoutcavernes van 1 miljoen m³ nodig. Voor waterstof worden nieuwe cavernes aangelegd door zoutuitloging. Deze moeten aan hoge eisen voldoen, qua zoutsamenstelling, max grootte en onderlinge afstand. Mogelijk kan een deel van de huidige aardgas-opslagcavernes en sommige gasvelden t.z.t. ook omgebouwd worden naar waterstof. Maar dit laatste leidt tot verontreiniging van de waterstof en noodzaak van zuivering tegen hoge kosten. Tabel 3 vergelijkt de opslag als waterstof met die in lithium-ion-batterijen. Waterstof heeft een vergelijkbare energiedichtheid op volumebasis. Maar wat vooral opvalt, is dat de opslagkosten per kWh duizend maal lager zijn.

Tabel 3. Vergelijking van opslagopties. Bij waterstof inclusief 50% energieverlies bij omzetting in stroom.

Waterstofopslag is overigens niet alleen nodig voor stroomopslag, maar ook voor de bredere ‘waterstofeconomie’, waarbij groene waterstof kan fungeren als brandstof (voor hoge-temperatuurwarmte in de industrie) of als grondstof. Groene waterstof is weliswaar nodig voor een duurzame economie, maar blijft in Nederland duur bij stroomprijzen van circa €0,05/kWh, op basis van aardgas, zon of wind. Lagere stroomprijzen, circa €0,01/kWh, worden gehaald in zonnige landen (zoals in Afrika en het Midden-Oosten) door meer instraling per uur, minder wolken, betere spreiding over de seizoenen en efficiënte opschaling. Daar starten dan nu ook de meeste ontwikkelingen voor het gebruik van waterstof voor groene ammoniak (stikstofkunstmest) en groen staal. In Nederland zal waterstof alleen gebruikt worden waar er echt geen alternatieven zijn, zoals voor stroomopslag. De hoge kosten van waterstofopslag, door dure waterstofproductie en grote energieverliezen, zullen slechts tot een beperkte stijging van de stroomprijs leiden, omdat het slechts enkele procenten van de totale stroomproductie betreft.

Meerdere opslag-technologieën naast elkaar

Batterijen hebben de toekomst, voor auto’s maar ook voor stationaire toepassingen. Maar de hoge kosten zullen de inzet van grote batterijen voor grootschalige energieopslag beperken tot opslagperiodes van uren, ruim minder dan een dag. In dat marktsegment concurreren ze met waterkracht en perslucht. Voor minstens tienmaal langere opslag, zoals voor Dunkelflautes, komt waterstof in beeld.

Foto: Roberto Sorin (Unsplash)