‘Zon in een doos’: vloeibaar-tin batterij oplossing voor netcongestie?

De Makers van Morgen/Fast Forward/‘Zon in een doos’: vloeibaar-tin batterij oplossing voor netcongestie?

Kun je energie efficiënt opslaan én terugwinnen bij bijna 2.500 °C? Fourth Power is overtuigd van wel. Met geld van Bill Gates ontwikkelt deze startup een netbatterij die energie opslaat in vloeibaar tin en terugwint met hoog-rendement TPV-cellen. In 2026 moet een eerste prototype draaien.

Als oplossing voor energieopslag op netniveau wil Fourth Power concurreren met grote lithiumbatterijen voor korte perioden van 5-10 uur – in principe het opslaan van overtollige zonne-energie tijdens het heetst van de dag voor gebruik ’s avonds en ’s nachts wanneer de opwekking afneemt. Maar het bedrijf zegt dat het ook relevant is voor de fase van 100 uur, die het geval van “meerdere dagen van slecht weer en slechte hernieuwbare opwekking” zou dekken.

Ultrahete koolstofblokbatterijen

Fourth Power is een pionier in thermische energieopslag uit Massachusetts, gesteund door het Breakthrough Energy Ventures-fonds van Bill Gates. Branchegenoot Antora Energy kwam een paar maanden geleden al met een concept voor ultrahete koolstofblokbatterijen en zeer efficiënte thermofotovoltaïsche energieomzetters. Fourth Power doet net een paar dingen anders.

Verwarmingselementen laden vloeibaar tin met energie, die wordt opgeslagen in grafietblokken die daardoor witheet gaan gloeien ‘als de zon’. (Beeld: Fourth Power)

Het idee is eenvoudig: je gebruikt overtollige hernieuwbare energie om iets op te warmen in een zwaar geïsoleerd opslagsysteem. Zowel Antora als Fourth Power gebruiken grote, supergoedkope en overvloedige blokken grafiet voor bulkopslag van energie – in het geval van Fourth Power worden ze verhit tot een withete 2.500 °C (4.530 °F).

Hittebestendige pompen

De energie wordt door het systeem van Fourth Power verplaatst met behulp van vloeibaar tin, dat smelt bij een relatief lage temperatuur van 232 °C (450 °F). Fourth Power maakt daarbij gebruik van een Guinness World Record-houdende pomp die is ontworpen door oprichter Dr. Asegun Henry. Reguliere pompen zijn niet bestand tegen vloeibare metalen van meer dan 1.000 °C, maar Henry beweert dat zijn keramische ontwerp probleemloos werkt tot “bijna de helft van de temperatuur van de zon”. (We nemen aan dat dit verwijst naar de ongeveer 5.600 °C aan het oppervlak van de zon in plaats van de 15 miljoen °C in de kern.)

Deze pompen verplaatsen het superhete vloeibare tin door een grafietleidingenstelsel, brengen de warmte van de verwarmingselementen over naar de grafietblokken en brengen het vervolgens van de blokken naar het energieterugwinningssysteem wanneer het tijd is om het terug te sturen naar het elektriciteitsnet.

De centrifugaalpompen van Fourth kunnen vloeibaar metaal verplaatsen bij extreme temperaturen. (Beeld: Fourth Power)

Om de energie terug te winnen wordt het vloeibare tin door een heleboel smalle grafietpijpen gepompt in een reeks energieterugwinnende cellen. Deze pijpen worden witheet en zenden intens licht uit, dat wordt opgevangen door thermofotovoltaïsche (TPV) cellen – net als zonnecellen, maar dan afgestemd om optimaal te werken met dit opslagsysteem.

Warmteoverdracht via licht

Bij deze temperaturen vindt bijna alle warmteoverdracht plaats in de vorm van licht in plaats van geleidings- of convectiewarmte, en deze TPV-systemen kunnen energie oogsten met behulp van fotovoltaïsche principes. Dat is ook de belangrijkste reden achter de bedrijfsnaam; het licht dat door een voorwerp wordt uitgestraald schaalt met de ‘vierde macht’ van de absolute temperatuur.

Video: zo werkt de Thermische Batterij van Fourth Power. 

De TPV-cellen waar het hier om gaat zijn op zichzelf al behoorlijk opmerkelijk; Dr. Henry en zijn team van MIT haalden ermee een recordrendement van thermische energie-extractie. Ze haalden ermee zelfs meer energie uit warmte dan mogelijk is met stoomturbines. Deze TPV-cellen oogsten alleen de meest energierijke golflengtes, voor optimale efficiëntie. Spiegels achter de cellen reflecteren de rest van het licht terug om zoveel mogelijk warmte in het vloeibare tin te houden.

Afkoelen tot 1.900 °C

Tijdens het oogsten van de energie koelt het vloeibare tin van circa 2.400 °C af tot 1.900 °C en wordt het teruggestuurd naar de verwarmingselementen om te worden ‘opgeladen’ wanneer er weer energie beschikbaar is.

De combinatie van dat pompsysteem met vloeibaar tin en deze zeer efficiënte TPV-cellen levert volgens het bedrijf een thermische batterij op die ongelooflijk snel reageert en binnen enkele seconden na een vraagpiek energie teruglevert aan het net, en met een ongekende vermogensdichtheid omdat het systeem volgens de bedenkers 10 tot 100 keer meer warmte kan overdragen dan elk ander bedrijf met apparatuur van dezelfde grootte.

MIT-onderzoekers ontwikkelden een thermofotovoltaïsche vaste-stof-warmtemotor die ook werkt bij hogere temperaturen en meer elektriciteit wint uit warmte dan een stoomturbine. (Beeld: Fourth Power)

Minder efficiënt…

Fourth zegt dat het mikt op een energie-efficiëntie van rond de 50% van deze thermische batterijen – wat niet geweldig is vergeleken met de aanzienlijk hogere efficiëntie van een grote lithiumbatterij. Dit lijkt ook uit te gaan van een behoorlijke ontwikkeling aan de TPV-kant, aangezien het record dat in 2022 werd gevestigd dichter bij 41% lag. Daarnaast zal er vrijwel zeker sprake zijn van rendementsdaling naarmate de installaties langer in gebruik zijn.

…maar 13(!) keer voordeliger

Deze efficiencynadelen worden volgens Fourth Power echter ruimschoots gecompenseerd door de veel lagere materiaalkosten van tin vergeleken met lithium. Hun installatie is vrijwel volledig gemaakt van supergoedkoop grafiet en tin in plaats van het dure geraffineerde lithium. Waar een lithiumbatterij ongeveer US$ 330 per kilowattuur opgeslagen en teruggeleverde energie kost, claimt Fourth dat het dezelfde klus klaart voor minder dan $ 25. Dus zelfs als er meer elektriciteit wordt weggegooid, is het nog steeds een financiële no-brainer.

Oh, en het is volgens Fourth ook veiliger dan lithium, omdat er geen kans is op thermische runaway of explosie; zelfs als het vloeibare tin uit het leidingsysteem zou ontsnappen, zal het direct stollen zodra het de isolatielagen of betonnen vloer van de faciliteit bereikt, die is gevuld met argongas om oxidatie te voorkomen.

Energie oogsten via thermofotovoltaïsche cellen in het ‘energieblok’. (Beeld: Fourth Power)

Onlangs meldde Fourth Power dat het een nieuwe kapitaalinjectie had ontvangen van $ 19 miljoen, onder meer van Breakthrough Energy Ventures en Black Venture Capital Consortium. Met dat geld gaat het bedrijf een prototype-installatie bouwen van 1 megawattuur in de buurt van Boston, die naar verwachting in 2026 klaar zal zijn.

Daarmee loopt Fourth iets achter op Antora, dat zijn TPV-cellen al produceert en verwacht tegen 2025 thermische batterij-installaties operationeel te hebben.

(Bron: Recharge News/Fourth Power.)

Heb jij ‘n tip voor deze rubriek? Stuur je suggestie naar demakersvanmorgen@technieknederland.nl!