Het mineraal magnetiet blijkt ideaal voor het opslaan van energie. LKAB Minerals in Moerdijk onderzoekt in samenwerking met de Universiteit van Barcelona en internationaal onderzoeksinstituut CIC EnergiGUNE hoe magnetiet effectief gebruikt kan worden voor thermische energieopslag. De eerste resultaten uit een pilot plant met thermal energy storage (TES) tanks in Marokko tonen aan dat met magnetiet een hoog rendement aan energieopslag realiseerbaar is. “Energieopslag in magnetiet is ook in Nederland buitengewoon goed toepasbaar”, zegt Leon Hendriks, Business Development Manager Magnetite bij LKAB.

Efficiënte en duurzame thermische energieopslag krijgt steeds meer aandacht. Het mineraal magnetiet (Fe₃0₄) is zeer geschikt om op een duurzame manier energie op te slaan. Magnetiet (een vorm van ijzererts) wordt in het noorden van Zweden gewonnen op meer dan  duizend meter diepte. Het is een inert en milieuvriendelijk materiaal, dat veel in de bouw wordt gebruikt om zwaar beton te produceren.

Europese subsidie voor warmteopslag met magnetiet

Onlangs is het ORC-PLUS-project uitgevoerd onder de ‘Horizon 2020’-vlag (Europese subsidieregeling). Dit project heeft als doel om een zonnekrachtinstallatie uit te rusten met warmteopslag. Allereerst is er een wetenschappelijk onderzoek uitgevoerd naar het meest geschikte mineraal. Hieruit is gebleken dat magnetiet het meest geschikt is vanwege:

• Warmtecapaciteit; 0,89kJ/kg*K
• Goede thermische geleiding; 3,4W/m*K
• Dichtheid; 4,8 t/m³ (volumieke warmtecapaciteit 4272 kJ/m³*K)
• Thermisch stabiel op hoge temperaturen (1000˚C geen probleem)
• Thermisch-mechanisch stabiel (zeer weinig verlies na vele cycli)
• Uitstekende beschikbaarheid en prijs.

 

Hoge temperaturen voor efficiëntere opslag

De dichtheid van magnetiet zorgt ervoor dat de volumieke warmtecapaciteit vergelijkbaar is met die van water (>4 MJ/m³*K). Echter, het grote voordeel van magnetiet ten opzichte van water is, dat het makkelijk warmte kan opslaan met temperaturen tot 1000˚C, waar water beperkt is tot 90˚C. “Dit maakt de opgeslagen warmte in magnetiet een ideale energiebron in systemen met hoge temperaturen”, zegt Ana Inés Fernández onderzoeker en docent aan de faculteit Materials Science & Physical Chemistry van de universiteit van Barcelona. Magnetiet geleidt makkelijk de warmte, zodat het weer direct ingezet kan worden. “Thermische geleiding speelt een belangrijke rol om warmteopslag continu op hetzelfde peil te houden, ook bij pieken en dalen in de energietoevoer. Vooral de anti-ferromagnetische waarden van magnetiet zorgen ervoor dat magnetiet snel warmte geleidt op hoge temperaturen”, legt Fernández uit. “Op dit moment slaan zonnekrachtcentrales de warmte op in vloeibare zouten. Een van de nadelen van vloeibare zouten is dat ze niet werken boven temperaturen van 565 ˚C terwijl er naar oplossingen is gezocht die dit wel kunnen. Want hoe hoger de temperatuur hoe efficiënter elektriciteit opgewekt kan worden”, verklaart Fernández.

Economische waarde van warmteopslag

De energiecentrale van het ORC-PLUS-project staat in Ben Guerir (Marokko) waar getest wordt met warmteopslag in magnetiet. De zonnekrachtcentrale gebruikt spiegels om de zonnewarmte te reflecteren waarmee organische olie opgewarmd wordt. Vervolgens transporteert die olie de warmte naar een turbine die stroom opwekt. De olie stroomt eerst door een groot opslagvat met magnetietkorrels waardoor gedurende de dag het magnetiet opwarmt. Dankzij deze warmteopslag kan de installatie na zonondergang nog vier uur op volle capaciteit doordraaien. De zoektocht naar nieuwe concepten voor warmteopslag voor duurzame energie was de aanleiding voor dit onderzoek.

Van onderzoek naar praktijk

“Voor dit pilotproject is magnetiet van LKAB Minerals toegepast. Met dit mineraal zijn proeven gedaan met verhitting tot 1000 ^oC waarbij we hebben bekeken hoeveel warmte werd vastgehouden in een periode van 21 dagen” legt Dr. Abdessamad Faik, projectmanager van het pilotproject en Group Leader bij CIC EnergiGUNE uit. “We hebben vastgesteld dat magnetiet thermisch stabiel blijft onder deze hogere temperaturen. Bovendien blijkt dat hoge temperaturen voor een langere periode kunnen worden opgeslagen. Dit zorgt voor een stabiele warmtebron, waarmee elektriciteit continu opgewekt kan worden. Ook ’s nachts als de zon niet schijnt, kan de energiecentrale blijven draaien”, zegt Faik.

Industriële warmteopslag

LKAB Minerals heeft voor deze pilot het mineraal geleverd. Volgens Leon Hendriks van LKAB Minerals zijn verschillende industriële toepassingen voor warmteopslag mogelijk. “Ook warmte van andere energiebronnen dan zonnekrachtcentrales kan uitstekend in magnetiet worden opgeslagen”, zegt Hendriks. Dit is met name interessant voor bedrijven die warmte verbruiken; Restwarmte kan worden opgeslagen voor hergebruik later. Bovendien, omdat bij de conversie van elektriciteit naar warmte nagenoeg geen verliezen optreden is de inzetbaarheid nog veel groter. Bedrijven kunnen daardoor de warmtebatterij inzetten om flexibel stroom in te kopen voor hun industriële verwarming. Daarnaast wordt het ook mogelijk om tijdelijke overcapaciteit van groene energie uit zonnepanelen of windmolens op te slaan. “Het mineraal magnetiet is milieuvriendelijk, goedkoop en volop voorradig”, zegt Hendriks. “Toepassing van magnetiet als warmteopslag is nog weinig bekend. Daarom zijn wij op zoek naar partners en specialisten die toepassingen kunnen ontwikkelen, waarmee de opgeslagen warmte in magnetiet duurzaam kan worden hergebruikt”, aldus Hendriks.

Kaders  – warmteopslag met magnetiet

Verwarming met warmteopslag – voor flexibel inkoop van stroom

Vanwege de prijsverschillen voor dag- en nachtstroom is er een wens om elektriciteit te gebruiken als de kosten laag zijn (dus ’s nachts) en wordt stroom omgezet in warmte en bewaard in een verwarming met warmteopslag. Gedurende de dag wordt de warmte die is opgeslagen in de blokken met magnetiet langzaam afgegeven. Men gebruikt dan overdag de warmte die ze ’s nachts tegen een goedkoop tarief hebben afgenomen. Deze toepassing zien we met name in landen waar er een groot kostenverschil is tussen de piek- en daltarieven. LKAB Minerals levert voor deze toepassing al meer dan 25 jaar magnetiet.

Zonnekrachtcentrale

Energiebedrijf Enerray (onderdeel van Maccaferri Group) heeft een pilot zonnekrachtcentrale opgezet in Ben Guerir in Marokko. Ze testen nu het gebruik van magnetiet in een Thermal Energy Storage Tank (TES). Als de zon schijnt, wordt de warmteoverdrachtsvloeistof (de olie) door de TES en het magnetiet geleid dat de energie als warmte opslaat. Na zonsondergang geeft het magnetiet de warmte af en blijft de turbine stroom produceren. Gedetailleerde informatie is te vinden op: https://www.enerray.com/solar-services/epc/case-studies/csp-iresen-morocco/