'Energieopslag is het ondergeschoven kindje van de duurzame energie,' zegt Fokko Mulder, hoogleraar energie-gerelateerde materialen aan de TU Delft. Hij schetst het kip-of-ei-probleem waar de overgang naar duurzame energie mee worstelt. Maar een paar procent van onze energievoorziening wordt opgewekt door zonne- en windenergie. Critici zeggen dat het aandeel van deze duurzame bronnen nooit erg hoog zal worden omdat ze niet continu energie leveren. Windmolens draaien alleen als het waait, zonnepanelen leveren 's nachts bijna geen stroom. 'Op dit moment is opslag nog niet zo zinvol vanwege het kleine aandeel zonne- en windenergie in onze energievoorziening. Maar om dat aandeel te vergroten kunnen we niet zonder opslag om de pieken en dalen op te vangen,' zegt Mulder.

Miljoenen autobatterijen
Volgens Mulder is elektriciteit de meest efficiente vorm van energie, ook als je het eerst in een batterij opslaat. 'Elektriciteit opgewekt door bijvoorbeeld een windmolen of zonnepaneel kun je voor 95% nuttig gebruiken in electromotoren. Bovendien kun je meer dan 95% van de energie in een batterij gebruiken,' zegt hij. Ter vergelijk: een benzinemotor gebruikt maar ongeveer 20% van de energieinhoud van de brandstof. De rest gaat verloren als warmte.  Voor elektriciteitopslag op heel grote schaal zijn batterijen zijn nog te kostbaar. 'Stel dat je alle energie die Nederland in een dag gebruikt in het soort batterijen wilt opslaan die volledig elektrische auto’s kunnen aandrijven,' legt Mulder uit. 'Daar heb je er tien keer zoveel van nodig als er nu personenauto's in Nederland rondrijden. Dat is dus te kostbaar met de huidige batterij-technologie.'
Mulder doet onderzoek naar nieuwe materialen voor batterijen ter verbetering van de huidige status quo: de lithium-ion batterij. Een nanogestructureerde lithium-silicium legering als anode in plaats van het gebruikelijke koolstof maakt de batterij anderhalf keer lichter. Een lithium-zuurstof of lithium-zwavelverbinding als kathode zorgt voor een drie tot vijf keer hogere capaciteit. Daarmee worden bovendien de gangbare kobalt- mangaan- of ijzerverbindingen vervangen die duur en soms minder milieuvriendelijk zijn. 'Inclusief een beter ontwerp van de batterijen is een factor tien verbetering haalbaar,' denkt Mulder. Dan is de batterij waarop een elektrische auto rijdt ineens nog maar zestig kilo in plaats van zeshonderd, vergelijkbaar met een benzinetank. Het duurt nog wel een jaar of tien voor het zover is.
Voor de langere termijnopslag op grote (TWh) schaal of voor vervoer over grotere afstanden is het handiger om de duurzame elektriciteit in een andere vorm op te slaan, ondanks de onvermijdelijke verliezen. Je kunt het gebruiken om water te ontleden en vervolgens waterstofgas op te slaan in bijvoorbeeld metaalhydrides. Die materialen zijn de afgelopen tien jaar aanzienlijk verbeterd, zegt Mulder. 'Het probleem was altijd dat je waterstof wel kon binden aan de lichte metaalhydrides, maar dat de absorptiereactie niet omkeerbaar of veel te traag was. Dat probleem is opgelost door een katalysator zoals vanadium, niobium of titaan te gebruiken in de nanogestructureerde metaalhydriden.' Zes kilo vloeibare waterstof, zoveel als nodig om een auto vijfhonderd km op te laten rijden, moet in een geïsoleerde tank van zo’n honderdzestig liter in volume. Gebonden aan bijvoorbeeld magnesiumhydride of natriumaluminiumhydride is dat volume kleiner. Het gehele materiaal weegt echter zo'n 120 kg omdat er maar vijf gewichtsprocent waterstof geladen kan worden in het hydride.
Ook komt bij het laden van waterstof op de drager veel energie vrij, 74 kJ per mol H₂. Het materiaal wordt daarbij heel heet en de druk loopt zo hoog op dat het laden erg slechts langzaam kan. Bovendien moet die energie er weer in worden gestopt bij het ontladen. Een Frans bedrijf ontwikkelde een waterstofopslagtank met een omhulsel gevuld met een materiaal dat de warmte opslaat bij het laden en weer kan afgeven bij het ontladen. Een mooie combinatie van de opslag van elektriciteit in de vorm van waterstof en van warmte.

IJsblokje
De opslag van zogeheten voelbare warmte in materialen wordt veel toegepast, bijvoorbeeld met een waterreservoir onder de grond. Naast bijzondere toepassingen zoals bij waterstofopslag wordt dit vooral veel gebruikt bij gebouwen. De warmtecapaciteit van water is echter niet erg groot. Om voldoende warmte op te slaan voor een woning moet je een hele verdieping vullen met water.
Een andere mogelijkheid is het gebruik van Phase Change Materials (PCM's) waarbij warmte wordt opgeslagen of afgegeven tijdens de faseovergang. Het ijsblokje in je cola is bijvoorbeeld een PCM. Tijdens het bevriezen heeft het energie afgegeven. In je glas neemt het die energie weer op tijdens het smelten waardoor je frisdrank lekker koud wordt. Medische coldpacks werken op dezelfde manier, alleen niet met water maar vaak met een zout zoals natriumacetaat. Ook de bekende handenwarmertjes werken volgens hetzelfde principe, maar dan omgekeerd. Het omhulsel van de waterstofopslagtank bevat eveneens een PCM.
PCM's worden veel gebruikt in bouwmaterialen. BASF produceert bijvoorbeeld paraffine ingepakt in acetaatbolletjes. Het Nederlandse bedrijf Capzo maakt eveneens PCM's maar dan op basis van zouthydraten. Zij zijn de eersten die zo'n verpakt zout op de markt brengen, vertelt directeur Herman Reezigt. De bolletjes kunnen worden verwerkt in gipsplaten, beton of pleisterwerk. Als de temperatuur in een ruimte stijgt, smelt de inhoud en neemt het die warmte op. Bij afkoeling stolt het en geeft daarbij warmte af zodat de kamer een beetje wordt opgewarmd. Zo is er minder airconditioning nodig 's zomers en minder verwarming 's winters.
De zouthydraten zoals CaCl₂₆H₂O worden gebonden aan een gel van bijvoorbeeld polyacrylaat en gemengd met grafiet voor een goede warmtegeleiding. Daarna wordt het poeder verpakt in een hydrofobe coating van bijvoorbeeld polyurethaan, epoxide of polystyreen. Het bedrijf levert deze Thermusol-korrels op maat: de klant kiest de temperatuur die hij nodig heeft en Capzo vindt er de juiste combinatie van zout en coating bij. Voor het koelen van gebouwen is bijvoorbeeld een temperatuur tussen de 20°C en 30°C nodig. Het bufferen van warmte voor later gebruik vereist hogere temperaturen van zo'n 60°C.

Reactiewarmte
In plaats van een faseovergang kun je ook een chemische reactie gebruiken om warmte op te slaan. Deze zogeheten thermochemische materialen (TCM's) ondergaan een reversibele chemische reactie. De voorwaartse reactie levert warmte op, de teruggaande reactie kost warmte. Het voordeel van thermochemische materialen is dat ze een nog grotere warmtecapaciteit hebben dan PCM's. Daarom zijn ze geschikt voor lange termijnopslag, bijvoorbeeld de warmte 's zomers bewaren voor 's winters. ECN heeft de afgelopen jaren gezocht naar het perfecte thermochemische materiaal om toe te passen in woningen, vertelt onderzoekscoördinator Marco Bakker. Er is gekeken naar allerhande anorganische verbindingen zoals carbonaten, hydrides, ammoniakaten en siliciumverbindingen. Gehydrateerde zouten blijken ook hier het beste te werken, zegt Bakker, maar dan op basis van de hydratatie-reactie in plaats van op smeltpunt zoals bij PCM's. 'Ze zijn veilig voor het milieu en de mens, makkelijk hanteerbaar, stabiel gedurende jarenlang gebruik en goedkoop. Het enige nadeel dat ik kan bedenken is dat de chlorides die wij veel gebruiken corrosief kunnen zijn.'
ECN heeft inmiddels een systeem op basis van magnesiumchloride dat op een schaal van een kilo goed werkt. Daarbij wordt het hydraat MgCl₂₆H₂O in de zomer met zonnewarmte gedehydrateerd. Er ontstaat MgCl₂₂H₂O en waterdamp dat wordt afgevoerd. In de winter wordt vochtige lucht over het zout geleid waardoor het reageert tot het hexahydraat. Daarbij komt warmte vrij waarmee de woning kan worden verwarmd. De hoeveelheid warmte die opgeslagen kan worden in zo'n gehydrateerd zout is tien keer groter dan in water.
Een probleem is nog dat de zouten gemakkelijk overhydrateren. 'Ze nemen dan te veel water op en je krijgt een vloeibare massa. Als dat dehydrateert blijf je zitten met een dikke koek in plaats van een poeder of korrels,' legt Bakker uit. De oplossing lijkt te liggen in een composiet. Het zouthydraat wordt daarbij op een poreuze drager van bijvoorbeeld vezels of klei gezet waardoor het ook bij overhydratatie zijn structuur behoudt. Onderzoek moet nog uitwijzen wat de beste composiet is. Over vijf jaar kan er een commercieel systeem zijn, zegt Bakker.
 
Dit artikel is gepubliceerd in C2W22, 20 november 2010.