Weinig capaciteit, trage laadtijden en te duur. Kort samengevat zijn dit de problemen waar de huidige accutechnologie mee kampt. De lithium-ionaccu voldoet nog niet aan de eisen voor een definitieve energietransitie in elektrisch rijden en duurzame energieopslag. Bedrijven en universiteiten zoeken naar alternatieven. Maar na de eerste lovende woorden over een nieuwe vinding blijft het vervolgens stil.
Fokko Mulder is hoogleraar Materialen voor Geïntegreerde Energiesystemen aan de TU Delft. Zijn specialisme is onderzoek naar materialen voor energieopslag en duurzame energie. Zijn doel: grootschalige toepassing. Hij werkt met zowel brandstofcel- als accutechnologie.
Mulder belicht drie accu’s die in een science-fiction boek thuishoren, én drie innovaties die voor echte vooruitgang zorgen.
Fictie 1: Organische batterij
Onderzoekers van Harvard ontwikkelden een organische accu gemaakt van materiaal vergelijkbaar met de moleculen in rabarber. Wat is er nu duurzamer dan een accu die in oma’s moestuin groeit? Dat valt tegen. “Deze accu levert per definitie minder energie per hoeveelheid materiaal. De spanning is laag, en de moleculen zijn groot”, zegt Mulder. “In een lithium-ion accu is er één molecuul die één elektron overbrengt. In de organische accu gaat een clustertje op pad om zijn elektron af te leveren. Dat neemt meer ruimte in beslag.”
Duurzaam?
Een rabarber-accu klinkt heel duurzaam, maar Mulder zet hier toch kanttekeningen bij. “Het is fijn dat je organische grondstoffen hebt. De vraag is alleen: hoeveel heb je er nodig? Volgens mij erg veel en dat heeft een grote milieu-impact. Ik ben ook geneigd te zeggen dat een organische batterij wat minder lang meegaat dan een niet-organische.”
Fictie 2: Aluminium-luchtaccu
Met de aluminium-luchtaccu is een tripje Utrecht-Marseille gemakkelijk te halen. Perfect voor een vakantie met elektrisch vervoer. Opladen is niet mogelijk, maar voor de terugweg zijn de cellen in een handomdraai te vervangen.
Duurzaam?
"Misschien geen complete fictie, maar voor een goed beeld is het hele verhaal nodig", zegt Mulder. “Je moet naar de hele cyclus kijken. Recycling van aluminium is erg energie-intensief. Terwijl de accu juist energie-efficiënt moet zijn.”
Fictie 3: Suikerbatterij
De oplossing belooft een zoete toekomst voor duurzame energieopslag. In de suikerbatterij zetten dertien enzymen suiker om in energie. De term ‘batterij’ blijkt hier wat misleidend. “Dit is eigenlijk een normale brandstofcel op suikerwater, met CO2 en water als eindproduct.”
Duurzaam?
“Ze zeggen dat de brandstofcel werkt zonder dure katalysatoren. Dat is heel mooi. Alleen heb je wel suiker nodig, dus voor grootschalige toepassing geldt hetzelfde probleem als bij biobrandstoffen.” Voor de productie is veel landbouwgrond nodig en ontstaat concurrentie met de voedselproductie.
Het systeem heeft één voordeel. “Het is efficiënter dan de biobrandstof in een verbrandingsmotor. Die heeft een beperkt rendement van 20 procent.”
Ik denk dat het komt omdat iedereen zo graag wil. De verwachtingen zijn overspannen - Fokko Mulder
Dan nu de feiten: 3 energieopslagsystemen die echt een belangrijke rol gaan spelen.
Feit 1: De brandstofcel blijft in de race
CEO Elon Musk van elektrische autofabrikant Tesla Motors zei onlangs dat de brandstofcel van bijvoorbeeld concurrent Toyota qua capaciteit domweg heeft verloren van de lithium-ion accu. “Dat denk ik niet”, werpt Mulder tegen. “In een accu zit alle energie tussen de anode, de kathode en het elektrolyt. Een brandstofcel heeft een opslagtank.” Waterstof kan bijvoorbeeld vloeibaar, als gas, of opgelost in een poreus materiaal worden opgeslagen. Sterker nog: op basis van die externe energieopslag wint de brandstofcel.
Feit 2: De lithium-ion accu kan efficiënter
Er zit nog rek in de opslagcapaciteit van de lithium-ion accu. Fokko Mulder werkt bij de TU Delft aan de verbetering hiervan. “De TU Delft heeft patent op een methode die de energie-inhoud kan verdubbelen. De oplaadtijd is hetzelfde en het productieproces behoeft nauwelijks aanpassing.” Die verbetering is binnen afzienbare tijd te realiseren. “Ik denk dat we binnen vijf jaar geleidelijk naar die verdubbeling gaan. Producenten zijn voorzichtig en willen alles goed testen.”
Daarna is het voor lithium-ion wel zo’n beetje klaar. Het onderzoek naar een opvolger is in volle gang, maar een winnaar ontbreekt nog. “Er is veel onderzoek naar lithium-oxide, maar ook naar natrium, magnesium of zwavelvarianten. De grootste uitdaging is de nieuwe accu herlaadbaar te maken. Die nieuwe elementen veroorzaken ongewenste chemische reacties die de accu instabiel maken.”
Feit 3: Hernieuwbare brandstof heeft de toekomst
Waterstof is na biobrandstof de meest populaire energiedrager, maar heeft grote nadelen. Door de lage dichtheid moet waterstof onder grote druk of onder zeer lage temperaturen worden opgeslagen. Maar er zijn technieken om andere brandstoffen te winnen, bijvoorbeeld uit lucht. “We kijken nu naar het maken van bijvoorbeeld alcohol of methaan.”
Die ontwikkelingen in hernieuwbare brandstoffen gaan razendsnel. Recentelijk kwam er nog een doorbraak: wetenschappers maakten kerosine uit direct zonlicht.
In Nederland staat brandstof uit CO2 - dus CO2 neutraal - volop in de belangstelling. Er lopen onderzoeksprojecten van de TU Delft, Eindhoven, de Universiteiten Utrecht, Twente en Leiden en de Radboud Universiteit Nijmegen.
Overspannen
Het is voor Fokko Mulder geen verrassing dat er veel goedbedoelde initiatieven opduiken die misschien wel iets, maar waarschijnlijk te weinig opleveren. “Ik denk dat het komt omdat iedereen zo graag wil. De verwachtingen zijn overspannen.” Alle innovatie heeft tijd nodig, maar de ontwikkelingen zijn er wel degelijk.
Foto's van boven naar onder: Andy Armstrong via Flickr, Alcoa via Youtube, Solar-Jet via Youtube
schrijf je in voor de nieuwsbrief
Wil jij iedere ochtend rond 7 uur het laatste nieuws over duurzaamheid ontvangen? Dat kan!
Schrijf je nu in
