Redox flow batterijen: voor grote opslagcapaciteit
Wat is het?
Een redox flow batterij is een type oplaadbare batterij dat energie opslaat in vloeistoffen.
In plaats van vaste materialen zoals in een lithium-ionaccu, gebruik je twee vloeibare elektrolyten. Die vloeistoffen zitten in externe tanks en worden door de batterijcel gepompt wanneer je stroom nodig hebt.
De naam 'redox' komt van de twee chemische processen die plaatsvinden: reductie en oxidatie. Die processen zijn omkeerbaar, waardoor je de batterij duizenden keren kunt opladen en ontladen zonder veel slijtage. Het is een technologie die al langer bestaat, maar nu aan populariteit wint voor grootschalige energieopslag. Voor thuisgebruik met zonnepanelen is het nu nog vrij nieuw.
Het grote verschil met een thuisaccu als een Powerwall is de schaal.
Waar een lithium-thuisaccu compact is, neemt een redox flow systeem meer ruimte in beslag door de aparte vloeistoftanks.
Hoe werkt het precies?
Stel je twee grote tanks voor, elk gevuld met een andere vloeistof. De ene vloeistof bevat positief geladen ionen, de ander negatief geladen.
Deze vloeistoffen worden met pompen naar een centrale cel gestuurd, het hart van het systeem. In die cel zijn de twee vloeistoffen gescheiden door een membraan. De ionen kunnen door het membraan heen bewegen, maar de vloeistoffen zelf mengen niet.
Wanneer je de batterij oplaadt, worden de ionen in de ene vloeistof gereduceerd en in de andere geoxideerd.
De energie wordt dus letterlijk in de chemische samenstelling van de vloeistoffen opgeslagen. Ontladen werkt precies andersom. De chemische reacties keren om en er komt elektrische energie vrij. Het mooie is: de tanks zijn onafhankelijk van de cel.
Wil je meer opslagcapaciteit? Dan vergroot je simpelweg de tanks. De vermogenscapaciteit bepaal je met de grootte van de cel.
De componenten op een rij
- Elektrolytvloeistoffen: De energiedragers. Vaak op basis van vanadium of ijzer/chroom.
- Tanks: Voor de opslag van de grote hoeveelheden vloeistof.
- Pompen: Voor het circuleren van de vloeistoffen door het systeem.
- Celstack: Het elektrochemische hart waar de energie-omzetting plaatsvindt.
- Membraan: Scheidt de twee vloeistoffen maar laat ionen door.
De wetenschap erachter
Het principe is elektrochemie. In de cel vindt een gecontroleerde chemische reactie plaats die elektriciteit oplevert of verbruikt. De ionen in de vloeistoffen wisselen elektronen uit via externe circuits.
Dat elektronenverkeer is de stroom die je gebruikt. Het membraan is cruciaal.
Het moet ionen doorlaten om de stroomkring te sluiten, maar de twee vloeistoffen gescheiden houden. Een goed membraan minimaliseert het 'lekken' van ionen, wat zelfontlading veroorzaakt.
De efficiëntie van de batterij hangt hier sterk van af. Een veelgebruikte chemie is het vanadium redox flow systeem. Het voordeel is dat beide vloeistoffen hetzelfde element (vanadium) in verschillende oxidatietoestanden bevatten.
Dit voorkomt kruisbesmetting van de elektrolyten, wat de levensduur enorm ten goede komt.
De vloeistoffen degraderen nauwelijks.
Voordelen en nadelen
De voordelen zijn significant, vooral voor grootschalige opslag. De levensduur is extreem lang; je praat over tienduizenden cycli zonder noemenswaardige degradatie.
De opslagcapaciteit is onbeperkt schaalbaar door simpelweg grotere tanks te plaatsen. En het systeem is veilig; het risico op brand is veel kleiner dan bij lithium-ion.
Een ander voordeel is de onafhankelijkheid van vermogen en energie. Je kunt een groot vermogen leveren (grote cel) met een kleine opslag (kleine tanks), of andersom. Dit geeft ontwerpvrijheid. Bovendien zijn de vloeistoffen vaak recycleerbaar en niet brandbaar. De nadelen zijn er ook.
De energiedichtheid is laag; je hebt grote, zware tanks nodig voor dezelfde hoeveelheid energie als een compacte lithium-accu, maar natrium-ion accu's zijn een goedkopere keuze.
Het rendement (rond de 70-80%) ligt lager dan bij lithium-ion (90%+). En de initiële investering is hoog, met name door de pompen en het complexe systeem. Voor een gemiddeld huishouden zijn de nadelen nu nog doorslaggevend.
Het systeem is log, neemt veel ruimte in en is kostbaar per kWh. De terugverdientijd met zonnepanelen is daardoor erg lang in vergelijking met een gevestigde thuisaccu.
Voor wie relevant?
Vandaag is de technologie het meest relevant voor nutsbedrijven en grote energieprojecten. Denk aan het opvangen van pieken en dalen in het elektriciteitsnet, of het opslaan van overtollige wind- en zonne-energie op wijk- of zelfs regioniveau.
De schaalbaarheid en lange levensduur zijn hier perfect. Voor boerderijen of bedrijven met een groot dak en hoog eigen verbruik kan het ook interessant worden. De ruimte voor tanks is er vaak, en de behoefte aan robuuste, langdurige opslag, zoals ijzer-lucht accu's, is groter dan bij een huishouden.
De veiligheid is ook een pluspunt op locaties waar brandrisico een zorg is.
Voor de meeste huiseigenaren met zonnepanelen is het nu nog een technologie om in de gaten te houden. Onderzoek richt zich op het verkleinen van systemen en het verlagen van de kosten. Misschien dat een compacte, efficiëntere flow batterij of solid-state accu's in de toekomst een plek in de meterkast kan veroveren. Maar voor nu blijft de lithium-thuisaccu de praktische keuze voor thuis.