Nu de wereld steeds sneller richting een toekomst met hernieuwbare energie gaat, is energieopslag naar voren gekomen als een van de meest kritieke uitdagingen om de betrouwbaarheid en efficiëntie van hernieuwbare energiebronnen te garanderen. Zonne- en windenergie zijn van nature intermitterend - zonne-energie is alleen overdag beschikbaar en windenergie is afhankelijk van de weersomstandigheden. Om het potentieel van hernieuwbare energiebronnen volledig te benutten, zijn efficiënte en duurzame energieopslagsystemen essentieel om vraag en aanbod in evenwicht te houden.
Polymeren zijn belangrijke materialen geworden in de ontwikkeling en werking van moderne energieopslagsystemen. Door hun veelzijdigheid, duurzaamheid en kosteneffectiviteit zijn ze essentieel voor batterijen, condensatoren en andere opslagtechnologieën die van vitaal belang zijn voor de integratie van hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet. In dit artikel wordt de rol van polymeren in energieopslag onderzocht, waarbij de nadruk ligt op specifieke technologieën, casestudy's en innovaties die de overgang naar een toekomst van hernieuwbare energie stimuleren.
De noodzaak van energieopslag in systemen voor hernieuwbare energie
Energieopslagsystemen (ESS) zijn cruciaal voor het aanpakken van de inherente variabiliteit van hernieuwbare energiebronnen. Deze systemen slaan overtollige energie op die wordt gegenereerd wanneer hernieuwbare bronnen overvloedig zijn en geven deze energie weer vrij wanneer de vraag het aanbod overstijgt. ESS kunnen variëren van grootschalige netopslagfaciliteiten tot kleinere, gedecentraliseerde systemen voor woningen en bedrijven.
De meest voorkomende soorten energieopslagtechnologieën zijn:
- Lithium-ion batterijen: Wijdverspreid gebruikt in alles van elektrische voertuigen (EV's) tot opslagoplossingen op netwerkschaal.
- Flowbatterijen: Vaak gebruikt voor grootschalige energieopslag vanwege hun vermogen om frequente cycli en grote energiecapaciteiten aan te kunnen.
- Supercondensatoren: Apparaten die snel opladen en kleinere hoeveelheden energie kunnen opslaan, maar deze zeer snel weer vrijgeven.
- Thermische energieopslag: Slaat warmte op die wordt opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen en die later kan worden gebruikt voor verwarming of elektriciteitsopwekking.
Polymeren spelen een belangrijke rol bij het verbeteren van de prestaties, veiligheid en levensduur van deze energieopslagsystemen. Ze worden gebruikt in verschillende onderdelen, zoals separatoren, elektrolyten en omhulsels, om de efficiëntie te verbeteren en de kosten van deze technologieën te verlagen.
Hoe polymeren worden gebruikt in energieopslagsystemen
1. Lithium-ion batterijen: Polymeer elektrolyten en separatoren
Lithium-ion accu's vormen de ruggengraat van moderne energieopslag, vooral voor toepassingen zoals elektrische voertuigen en opslagoplossingen op netwerkschaal. Polymeren spelen een cruciale rol in het waarborgen van de veiligheid en prestaties van deze accu's, met name in de vorm van elektrolyten en separatoren.
Polymeer elektrolyten: Lithium-ion batterijen maken traditioneel gebruik van vloeibare elektrolyten, die vluchtig en ontvlambaar kunnen zijn bij hoge temperaturen. Om de veiligheid en stabiliteit te verbeteren, zijn vaste polymeerelektrolyten (SPE's) ontwikkeld als een veiliger alternatief. Deze elektrolyten zijn meestal gemaakt van polymeren zoals polyethyleenoxide (PEO), die lithiumionen kunnen geleiden met behoud van structurele stabiliteit.
- Voorbeeld: Het gebruik van polymeerelektrolyten op basis van PEO in lithium-ionbatterijen blijkt de veiligheid te verhogen door het risico op lekkage en brand te verminderen. Deze solid-state batterijen zijn minder gevoelig voor oververhitting, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in elektrische voertuigen en grootschalige energieopslagsystemen waar veiligheid van het grootste belang is.
Polymeer scheiders: In een lithium-ion-accu houdt de separator de anode en kathode uit elkaar terwijl ionen ertussen kunnen stromen. Polymeren zoals polypropyleen (PP) en polyethyleen (PE) worden vaak gebruikt in separatoren vanwege hun hoge chemische weerstand, flexibiliteit en thermische stabiliteit. Deze separatoren zijn vaak ontworpen met microporeuze structuren om een efficiënte ionenoverdracht mogelijk te maken en tegelijkertijd kortsluiting te voorkomen.
- Voorbeeld: De Tesla Gigafactory in Nevada, die lithium-ionbatterijen produceert voor elektrische voertuigen en energieopslagsystemen voor thuis (Powerwall), maakt gebruik van geavanceerde polymeerafscheiders om de levensduur en prestaties van de batterij te verbeteren. Deze separatoren zorgen voor een veilige werking onder hoge energiebelastingen met behoud van een hoge energiedichtheid.
Praktijkstudie: Solid-state lithium-ion-accu's met polymeerelektrolyten De ontwikkeling van solid-state lithium-ion-accu's is een doorbraak in de energieopslagtechnologie en biedt een hogere energiedichtheid, langere levensduur en grotere veiligheid in vergelijking met traditionele accu's met vloeibare elektrolyten. Bedrijven zoals Solid Power en Toyota investeren zwaar in solid-state accutechnologie, waarbij polymeren zoals PEO de sleutel vormen tot het creëren van stabiele, sterk geleidende vaste elektrolyten. In recente tests hebben lithium-ion-accu's met polymeerelektrolyten een toename van de energiedichtheid tot 50% laten zien, waardoor ze een veelbelovende oplossing zijn voor zowel elektrische voertuigen als de opslag van hernieuwbare energie.
2. Doorstroombatterijen: Polymeermembranen
Flowbatterijen, met name vanadium redox flowbatterijen (VRFB's), worden steeds vaker gebruikt voor grootschalige energieopslagtoepassingen vanwege hun vermogen om grote hoeveelheden energie te verwerken en goed te presteren in opslagscenario's met een lange looptijd. Een van de kritieke onderdelen van een flowbatterij is het membraan dat de elektrolytoplossingen scheidt en tegelijkertijd de ionenoverdracht mogelijk maakt.
Polymeermembranen: In flowbatterijen moet het membraan chemisch resistent en thermisch stabiel zijn en ionen selectief kunnen transporteren. Geperfluoreerde polymeren, zoals Nafion, worden vaak gebruikt als membraanmateriaal in VRFB's. Deze polymeren hebben een hoge ionische weerstand. Deze polymeren hebben een hoge ionengeleidbaarheid en een uitstekende chemische stabiliteit, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in agressieve elektrolytomgevingen.
- Voorbeeld: Sumitomo Electric heeft een leidende rol gespeeld bij de toepassing van VRFB's voor de opslag van hernieuwbare energie, waarbij polymeermembranen worden gebruikt om de efficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen. De membranen zorgen voor het selectieve transport van vanadiumionen en voorkomen de overdracht van andere ionen, waardoor de energie-efficiëntie van de batterij gedurende lange cycli behouden blijft.
Praktijkstudie: Dalian Flow Battery Energy Storage System, China Het Dalian Flow Battery Energy Storage System, momenteel in aanbouw in China, wordt het grootste flowbatterijsysteem ter wereld, met een capaciteit van 200 megawatt (MW). Het project slaat overtollige energie op die wordt gegenereerd door wind- en zonneparken, waardoor de regio vraag en aanbod beter in balans kan brengen. Het gebruik van Nafion polymeermembranen is een cruciaal onderdeel van het batterijsysteem, dat zorgt voor een efficiënte ionenoverdracht en energieverliezen minimaliseert. Het succes van het project zou een wereldwijd precedent kunnen scheppen voor grootschalige oplossingen voor energieopslag waarbij technologieën op basis van polymeren worden gebruikt.
3. Supercondensatoren: Polymeerelektroden
Supercondensatoren, die zeer snel energie opslaan en weer vrijgeven, worden steeds vaker gebruikt in toepassingen die snelle energie-uitbarstingen vereisen, zoals het stabiliseren van netwerken voor hernieuwbare energie of het leveren van back-upvermogen voor elektrische systemen. Polymeren worden nu gebruikt om de prestaties van supercondensatoren te verbeteren, vooral in de elektroden en elektrolyten.
Polymeerelektroden: Polymeren zoals polyaniline (PANI) en polypyrrol (PPy) worden gebruikt om geleidende polymeerelektroden te maken voor supercondensatoren. Deze materialen kunnen elektrische lading efficiënt opslaan, bieden een hoge geleidbaarheid, snelle oplaad-/ontlaadsnelheden en een uitstekende cyclusstabiliteit.
- Voorbeeld: Onderzoekers van het MIT ontwikkelden een supercondensator met elektroden op basis van polyaniline die een superieure energiedichtheid vertoonde in vergelijking met traditionele supercondensatoren op basis van koolstof. De polymeerelektroden konden meer energie opslaan met behoud van snelle laad- en ontlaadtijden, waardoor ze geschikt waren voor gebruik in netstabilisatie.
Praktijkstudie: Mazda's gebruik van supercondensatoren voor regeneratieve remsystemen Mazda's i-ELOOP regeneratieve remsysteem maakt gebruik van een supercondensator met een polymeerelektrode om snel de energie op te slaan die wordt gegenereerd tijdens het remmen. Deze energie wordt vervolgens gebruikt om de elektrische systemen van het voertuig van energie te voorzien, waardoor de motor minder wordt belast en het brandstofverbruik toeneemt. De geleidende polymeerelektroden in de supercondensator zorgen voor een snelle opname en afgifte van energie, waardoor het systeem zeer efficiënt is.
4. Thermische energieopslag: Polymeer-gebaseerde isolatie
Bij systemen voor thermische energieopslag (WKO) wordt hernieuwbare energie - vaak van zonne- of windbronnen - opgeslagen als warmte en later omgezet in elektriciteit. Deze systemen zijn zeer effectief voor het balanceren van vraag en aanbod van energie, vooral in geconcentreerde zonne-energiecentrales (CSP). Polymeren worden steeds vaker gebruikt in WKO-systemen vanwege hun isolerende eigenschappen.
Isolatie op basis van polymeren: Polymeren zoals polyurethaan (PU) en geëxpandeerd polystyreen (EPS) worden gebruikt om tanks en leidingen voor de opslag van thermische energie te isoleren. Hun lage thermische geleidbaarheid zorgt voor minimaal warmteverlies tijdens de energieopslag, wat de algehele efficiëntie van het systeem verbetert.
- Voorbeeld: In CSP-centrales zoals de Gemasolar-centrale in Spanje worden isolatiematerialen op polymeerbasis gebruikt om het warmteverlies te beperken van de gesmolten zouttanks waarin thermische energie wordt opgeslagen. Hierdoor kan de centrale elektriciteit opwekken lang nadat de zon is ondergegaan, wat de totale energie-output verbetert.
Praktijkstudie: Noor Solar Complex in Marokko Het Noor Solar Complex, een van de grootste CSP-centrales ter wereld, gebruikt isolatie op basis van polymeer om de efficiëntie van het energieopslagsysteem met gesmolten zout te verbeteren. Door isolatie van PU-schuim rond de opslagtanks te gebruiken, kan het complex de opgeslagen warmte voor langere perioden vasthouden, waardoor de centrale zelfs tijdens bewolkte dagen of 's nachts continu stroom kan leveren. Deze op polymeren gebaseerde oplossing helpt de centrale om een hogere energie-efficiëntie te bereiken en zorgt voor een constante levering van elektriciteit aan het elektriciteitsnet.
De toekomst van polymeren in energieopslagsystemen
Naarmate de hernieuwbare energiesector blijft groeien, zal ook de vraag naar geavanceerde oplossingen voor energieopslag die betrouwbaar, efficiënt en kosteneffectief zijn, toenemen. Polymeren zullen waarschijnlijk een nog grotere rol spelen in de volgende generatie energieopslagtechnologieën. Onderzoekers onderzoeken momenteel nieuwe polymeermaterialen die de energiedichtheid van batterijen kunnen verbeteren, de duurzaamheid van supercondensatoren kunnen verhogen en de kosten van flowbatterijen kunnen verlagen.
Bovendien kan de ontwikkeling van biogebaseerde en recyclebare polymeren de milieu-impact van energieopslagsystemen verder verminderen, waardoor ze nog duurzamer worden. Naarmate de hernieuwbare energie-industrie zich verder ontwikkelt, zullen polymeren een voortrekkersrol blijven spelen bij innovaties die zorgen voor een stabiel en veerkrachtig energienetwerk voor de toekomst.
Conclusie
Polymeren blijken onmisbaar te zijn in het ontwerp en de werking van moderne energieopslagsystemen. Of het nu gaat om lithium-ionbatterijen, flowbatterijen, supercondensatoren of thermische energieopslag, polymeren bieden de flexibiliteit, duurzaamheid en prestaties die nodig zijn om te voldoen aan de groeiende vraag naar betrouwbare opslag van hernieuwbare energie. Van het verbeteren van de veiligheid en efficiëntie tot het verlagen van de onderhoudskosten en het verlengen van de levensduur van opslagsystemen, polymeren zorgen voor vooruitgang die essentieel is voor de toekomst van hernieuwbare energie. De casestudies en voorbeelden in dit artikel tonen aan dat de rol van polymeren in energieopslag niet alleen theoretisch is - deze materialen transformeren het landschap van hernieuwbare energie nu al, waardoor het efficiënter en duurzamer wordt en klaar is voor de uitdagingen die voor ons liggen.