Onderzoekers maken redox-flow-accu ideaal voor grootschalige energie-opslag

Onderzoekers van de University of Singapore hebben een accu ontworpen die de redox-flow-accutechnologie combineert met conventionele lithium-ion-accutechnologie om de energiedichtheid op te voeren.

Redox-flow-accu's worden gezien als de grote belofte voor het opslaan van energie in grote hoeveelheden om de efficiëntie van elektriciteitsnetwerken te vergroten. Ze kunnen bijvoorbeeld als buffer fungeren of om energie uit hernieuwbare bron in op te slaan, zoals zonne- of windenergie. Een redox-flow-accu werkt als een soort oplaadbare brandstofcel: in een reactiekamer wordt elektrische energie gewonnen uit een chemische reactie. Het benodigde elektrolyt wordt in aparte opslagtanks bewaard en naar behoefte het reactievat ingepompt. Het opnieuw laden van de accu is zo eenvoudig als nieuw elektrolyt in de opslagvaten pompen.

De bestaande redox-flowaccu's hebben een lage energiedichtheid, onder meer door slecht oplossende chemicaliën in de vloeistoffen. De Singaporese onderzoekers hebben nu een accu gebouwd met een lithiumverbinding als energieleverancier. Daarvoor moesten ze wel een nieuw membraan maken om de elektrolyten voor de anode en kathode te scheiden. Met een nafion-pvdf-membraan wisten ze halfcellen met lithiumijzerfosfaat in de kathode-halfcel en titaanoxide in de anode-halfcel te combineren. Zo wisten ze hoge concentraties LiFePO₄ en TiO₂ als korrels in de halfcellen op te lossen, goed voor een energiecapaciteit van ongeveer 500 wattuur per liter. Daarmee zou de redox-flow-lithium-accu een tien keer hogere energiecapaciteit hebben dan een traditionelere vanadium-redox-flowaccu.

De cellen die door de onderzoekers gemaakt zijn zouden niet alleen een veel hogere energiedichtheid hebben dan bestaande redox-flow-accu's, maar ook zonder problemen kunnen 'cyclen' of laad- en ontlaad-cycli kunnen doorstaan. Vooral het stevige membraan dat ze ontwikkelden zou hierin een belangrijke rol spelen: het heeft een goede lithium-permeabiliteit en is mechanisch sterk en voorkomt het mengen van de redox-componenten. De paper staat vrijdag in Science Advances.

Bron: Science Advances

Reacties (30)

[StefanDingenout]

Komt me veel complexer over dan dit verhaal.

[mux]

Het soort batterij in die link is de vloeibaar metaal-batterij (liquid metal battery). Net als flowbatterijen heeft het grote beloftes om de batterij van de toekomst te worden, maar beide technieken hebben vooralsnog grote technische hobbels.

Vloeibaar-metaalbatterijen zijn al extreem lang bekend - zoals de beste man in het TED-filmpje zegt al zo'n 140 jaar. Het probleem ermee is dat je verschillende hele hete, vloeibare metalen en zouten dicht bij elkaar brengt. Na verloop van tijd, een vrij korte tijd vooralsnog, vormen de metalen allerlei onoplosbare zouten die uit de batterij precipiteren of, erger nog, de batterij actief laten leeglopen.

Flowbatterijen hebben net zoveel problemen. De coulometrische efficiëntie - een maat voor hoeveel energie er verloren gaat bij het laden en ontladen - van een commercieel haalbare batterij hoort minimaal zo'n 98% te zijn, de beste flowbatterijen halen vooralsnog de 95% niet. Dat lijkt er niet ver vanaf te zitten, maar het is echt een hele klus om ze beter te maken.

Fundamenteel zijn beide concepten, net als iedere andere batterij, schijnbaar eenvoudig en goedkoop maar de praktijk is nou eenmaal weerbarstiger. Welke techniek er gaat winnen is een gok. Beide technieken hebben de potentie om de volledige batterijmarkt over te nemen, gezien ze veel meer groeipotentieel en ruimte voor verbetering hebben dan de huidige marktleider: Li-ion.

[SpiekerBoks]

Uit het artikel kan ik helaas niet de vermogensdichtheid van de nieuwe flowaccu destilleren. Dat is voor de meeste toepassingen van dit type accu's relevanter dan de energiedichtheid. Flowaccu's zijn in principe bedoeld voor grootschalige en redelijk langdurige energieopslag, in stationaire toepassingen. Daarin is het lekker als ze compact en licht zijn, maar de prijs per opgeslagen en weer teruggeleverde kilowattuur is leidend.

Afgaande op de eerste alinea verwachtte ik dat er in dit onderzoek een cascade van conventionele lithium-ionaccu's en een conventioneel type flowbatterij bedoeld werd. Daarin zou een kleiner maar duurder li-ionaccupakket de pieken en dalen afvangen, en leeglopen in een vanadium flowcell voor de bulkopslag.

Bij de Universiteit van Aken experimenteert E.on met zo'n cascade waarin 5 megawattuur aan lithium-ion- en ouderwetse loodzuuraccu's samen tegen optimale kosten fluctuerend beschikbare elektriciteit opslaan. Eenzelfde cascade is ook denkbaar met elektrolysers en lithiumbatterijen. Dan pakt de in dat geval juist weer relatief goedkope lithiumaccu de pieken en dimensioneer je de waterstoffabriek zo dat hij genoeg draaiuren kan maken, vanuit de accu's.

Kleine toevoeging: Wat ik hierboven schrijf over flowaccu's wordt natuurlijk anders als je ze gebruikt in een elektrische auto. Dan wil je een optimum van vermogen én energiedichtheid. Het Zwitserse nanoFlowcell werkt aan Tesla-killers die met twee tanks van 175 liter 1.000 kilometer op een flowaccu rijden, en die je in minuten weer voltankt.

NanoFlowcell claimt een energiedichtheid van zelfs 600 wattuur/kilo, gebaseerd op 'zout water'. Nog een beetje sketchy voelt u al aan, maar interessant genoeg om kritisch te volgen:
http://www.wattisduurzaam...lektrisch-op-wintersport/

[Reactie gewijzigd door SpiekerBoks op 22 juli 2024 22:17]

[mux]

Volgens mij bedoelen ze hier echt een pure flowaccu, geen cascade-accu. Aan de hand van de illustraties en foto's zie ik ook geen conventionele accutechnologie, puur de brandstofcel, elektroliettanks en pompen.

Dikke disclaimer bij het noemen van NanoFlowCell: het zijn een stelletje oplichters die totnogtoe iedere schijn tegen hebben. Al vele jaren strikken ze rijke investeerders en produceren ze nul komma nul prototypes of papers. Dat is niks tegen de technologie, maar de meeste mensen in het veld zijn het erover eens dat ze gebakken lucht verkopen totdat het tegendeel bewezen is.

[SpiekerBoks]

NanoFlowCell heeft ook voor mij de schijn tegen maar of het oplichters zijn dat weet ik niet. Had er zelf ook een redelijke disclaimer bij staan toch.

Dit onderzoek betreft inderdaad geen cascade. Dat was wel het idee dat in me op kwam toen ik las 'redox-flow-accutechnologie combineert met conventionele lithium-ion-accutechnologie'. Vandaar er even uitgelicht dat ook dat een optie is, die je nu al kunt realiseren met bewezen en commercieel verkrijgbare technologie.

[StefanDingenout]

Dank je, goede toevoeging!

Het TED verhaal kwam op me over alsof ze alles al zo goed als uitgewerkt hadden, maar Paul C post net dat het bedrijf toch in de problemen is gekomen met hun ontwikkeling.

Dat die laatste beetjes moeilijk zijn zie je vaak inderdaad.

[Paul C]

Klinkt goed. Met het bedrijf erachter gaat het echter iets minder goed helaas:
http://fortune.com/2015/09/11/liquid-metal-battery-layoffs/

The five-year-old company called Ambri had originally planned to start shipping an early form of its commercial batteries this year or in early 2016. But Giudice said in the note that the company had not made the technology progress initially anticipated, and has now “slowed its commercialization path.”

[ToFast]

Geweldig! En nu een artikel tweakers over alle eerdere nieuwe accu technologieën uiteengezet en hoe het er daarmee voor staat.

We worden al jaren lekker gemaakt met van alles en nog wat voor betere accu's. Maar het schiet gewoon nauwelijks op in de praktijk.

[styno]

Een verdubbeling van de capaciteit per 10 jaar is wat Tesla bijvoorbeeld ziet (8% per jaar gemiddeld), dat zijn geleidelijke veranderingen die een gebruiker bijna niet merkt maar over iets langere tijd behoorlijk significant zijn.

[ToFast]

Interessant, das is toch behoorlijk significant. Dan heb ik te sterk naar mijn gevoel en ervaringen geluisterd. En dat terwijl ik weet dat je voor de 18650's 3.7v bij Panasonic moet zijn

[styno]

Deze grafiek laat het verloop mooi zien:
http://kk.org/mt-files/th...ry%20Energy%20Density.jpg

(Bron)

En hier nog meer grafieken, achtergronden en voorspellingen.

[Reactie gewijzigd door styno op 22 juli 2024 22:17]

[Grrrrrene]

Maar dit zien we dicht bij huis toch ook? Een jaar of 10 geleden kocht ik een GP Powerbank met 4 NiMH AA-formaat batterijen met een whopping 1800mAh. Tegenwoordig is 2700mAh ruim voor handen en vormt dat de norm (toch 50% meer in zo'n 10 jaar tijd) en iets hogere capaciteiten is via wat vagere batterijfabrikanten beschikbaar (niet gegarandeerd dat dat echt wordt gehaald).

En vergeet de low self discharge batterijen niet, die mijns inziens voor dit soort batterijen een veel grotere vooruitgang zijn. Jaartje in een lade vergeten, maar nog altijd boordevol energie...

Maar goed, het is wel waar dat er heel veel focus ligt op nieuwe technieken en mensen moeten beseffen dat veel R&D projecten mislukken omdat de uitkomst van een onderzoek echt niet op voorhand te voorspellen is (dan hoef je immers het onderzoek ook niet te doen). Maar met zoveel technieken die onderzocht worden, zit er onherroepelijk een winnaar bij die de volgende batterijtechniek gaat worden

[Anoniem: 126717]

Niet helemaal eerlijk. Accu's zijn veel beter geworden, maar vervolgens maken we apparaten die veel meer vragen.
Simpel voorbeeld, de Nokia 3110 die bij velen dagen zonder opladen ging. Nu? Grote schermen, octacores, etc, telefoons en tablets die letterlijk de PC kunnen vervangen. (Afhankelijk van wat je er mee doet qua gemak.)
Maar dat is gericht op apparatuur, dit is op opslag. En dat is super want dat is wat we nodig hebben. Marokko is bezig met gesmolten zout (http://www.bbc.com/news/science-environment-34883224) om zonne-energie op te slaan, dit ziet er uit als een andere optie.

[ToFast]

Nee klopt, daarvan ben ik me zeer bewust. Ik doelde op het aantal artikelen over betere en nieuwe accu technieken de laatste jaren. Helaas zit ik al 8 jaar, als het niet langer is, met dezelfde soort lithium-ion accu's die netto per gram nauwelijks qua mAh zijn gestegen. Ze zijn alleen wat beter dan de li-polymer accu's uit die tijd (10 jaar terug) geloof ik.

Zet je alles uit op je moderne telefoon, dan haal je ook zo 1of 2 week standby. Ja het scherm aan voor een sms dat kost veel meer dan zo'n monochroom schermpje van vroeger, logisch dus erg veel sms'en haal je ook niet meer dan 3 dagen, of te wel 4-8u schermtijd.

[Reactie gewijzigd door ToFast op 22 juli 2024 22:17]

[ktf]

Hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Nissan_Leaf

Each battery pack cost Nissan an estimated US$18,000 at the car's launch in May 2010. By 2015 the battery costs were around US$300/kWh, giving a battery cost of around US$5,500

70% goedkoper in 5 jaar, volgens mij gaan de ontwikkelingen wat betreft accu's nu juist ongelofelijk snel!

[styno]

Zie de grafiek met prijsontwikkeling van diverse Lithium varianten hier. Prijzen voor de grootverbruikers zijn inderdaad heel hard gedaald.

[poktor]

nee dat is enkel de prijs. de accus zijn nog exact dezelfde...

[i-chat]

als je in 5 jaar de prijs 70% kunt laten dalen dan is er wel degelijk iets aan de hand, de comerciele kant van het verhaal bepaald grotendeels toch of er een lipo een zink of een li-ion accu wordt gebruikt... er vanuitgaande dat de toeasbaarheid van genoemde voorbeelden ongeveer gelijk is voor jouw apparaatje.. bovendien zijn er wat betreft levensduur ook wel puntjes gehaald, en dat betetekend ook veel.. juist daarom en daardoor zijn Mobile Devices van de grond gekomen op dusdanige schaal.

dat we op gebied van electrische voertuigen met andere vereisten en veel hogere energie-dichtheden willen / moeten werken om effcient en rendabel (tov brandstof), te zijn ...

[maniak]

Ben het met je eens dat accu's beter zijn geworden, maar dat is niets meer dan een verbetering van een bestaande techniek. Lood accu's bestaan bv al heel lang, en nog steeds is het dé techniek in grote machine's.. Tijd voor iets nieuws...

[NBK]

Waarom? Loodaccu's zijn voor zware machines ideaal. Gewicht speelt niet zo'n grote rol in verhouding tot de constructie van de machines zelf. Ze zijn goedkoop en bovendien goed en makkelijk te recyclen.
En van het zwavelzuur maken ze gips geloof ik. Best handig bouwmateriaal.

[sympa]

Zwavelzuur kost veel energie om te maken. Gips is laagwaardig. Lijkt me niet zo een beste manier om te recyclen.

[NBK]

Weet ook niet precies hoe het zat met het zwavelzuur. Weet alleen dat ze er uiteindelijk gips van maken. Neem aan dat het tussendoor zo veel mogelijk gezuiverd en hergebruikt word.

[tss68nl]

Dat klinkt weer veelbelovend. Daarbij zou het leuk om te weten zijn hoe goed de energie retentie is. Hoge energie dichtheid gekoppeld met lange retentie zou een hoop mogelijkheden openen.

Ligt er ook een beetje aan hoe de wet gewijzigd zal worden met betrekking tot terugleveren. Als men voor particulieren sowieso een stop zet op terugbetalen van geleverde energie, dan heb je een hele lange retentie en capaciteit nodig zodat je genoeg buffer kan opbouwen voor de minder productieve donkere wintermaanden.

Als je net als bedrijven alleen betaald krijgt voor terugleveren als er juist veel vraag en geen aanbod, dan kan dat iets kortcyclischer.

[Anoniem: 14842]

Voor de wintermaanden kun je gerust schudden. Daarvoor heb je zo'n enorme capaciteit nodig, dan mag je wel een extra achtertuin er bij nemen. Is ook veel te duur.

Maar het is ook niet nodig: de meeste huidhoudens produceren in de winter nog voldoende energie om hun vraag te dekken. En anders zet je er wat panelen bij (indien mogelijk). De key is dat je het wilt opslaan voor een nacht zodat je niet hoeft terug te leveren aan het net (en dus in feite zelfvoorzienend bent). En daarvoor mag je best een redelijk grote (afmeting) accu hebben, als deze maar redelijk geprijst is en voldoende capaciteit heeft.

Met tractie accu's heb je nu eigenlijk al voldoende capaciteit om lekker 's nachts op te kunnen draaien. Maar dat is best prijzig nog en ook niet echt geschikt voor grootschalige projecten (milieu en kosten afwegingen).

Maar op de een of andere manier denk ik dat de overheid wel gaat voorkomen dat je "off grid" gaat als teveel mensen dat gaan doen. Dat kost ze simpelweg veel te veel geld. Of ze voeren een "instraal belasting" in ofzo: zo veel zon heeft er op je dak geschenen, graag even afrekenen.

[Iblies]

Maar de (westerse) consument is niet direct de grootverbruiker van energie.
Productie en transport zijn de grootverbruiker, maar in de regel wel weer voor de consument/burger.

Een ander issue is dat het gros van de huidige energiecentrales niet gebouwd zijn voor fluctuaties. Als we in Europa met zijn allen massaal zelf energie gaan produceren dan hebben die centrales een probleem. Als die al mogelijk een verschil van enkele tientallen procenten kan overbruggen dan zit je met torenhoge rendementsverliezen. Wat je wint aan huis kun je net zo hard verliezen in de centrale.

En dat betekent niet dat ik niet hier in geloof.
De techniek kan prima worden gebruikt in bijvoorbeeld auto's en het liefst vrachtwagens,
maar in landen waar de energie-voorziening twijfelachtig is kan het ook een oplossing zijn. En dan denk ik niet eens aan twijfelachtige Afrikaanse landen, maar je hebt grote delen van de US, midden-Amerika, noord-Australië, etc, waar wel meer middelen zijn maar waar men terugvalt op generatoren omdat het net niet genoeg levert.

[necessaryevil]

Er zijn enorme vooruitgangen met de opvang in pieken en dalen, een belangrijk onderdeel daarvan is het koppelen van de elektriciteitsnetten in Europa zodat er meer spreiding is. Een gascentrale kan volledig vermogen bereiken in 30 minuten. Er zijn wel wat andere problemen, zoals bijvoorbeeld een zonsverduistering. Die kunnen inderdaad een dal veroorzaken dat groter is dan gewend. Maar daar is op te anticiperen. Meer spinning reserve - dat bekekend dan wel meer verspilling. Uiteindelijk zullen batteryplants wel rendabel kunnen worden, fossiele brandstof wordt duurder en accutechnologie wordt goedkoper.

_{Uiteindelijk is alles voor de consument hè! Je kunt je hooguit afvragen of verspilling een uitzondering is of een onderdeel van het proces.}

[Reactie gewijzigd door necessaryevil op 22 juli 2024 22:17]

[tss68nl]

Eigenlijk is het vreemd dat er niet meer zal worden betaald voor terugleveren. Er worden zoveel zaken gepresenteerd als goed voor het milieu, maar als je goed kijkt, draait het allemaal om de centen. Je hebt een paar aapjes die 'investeren voor een beter milieu en toekomst', en de rest van de appjes wordt een flinke belasting geheven omdat ze niet groen zijn. En zodra het lucratief gaat worden, dan gaat de stekker eruit en wordt er wat anders gezocht. Daar heb je wel gelijk in.

Ik zou me juist een hele andere aanpak kunnen voorstellen: groene energie kost veel ruimte (wind, zon etc) om op te wekken, en is duur om op kleine schaal efficiënt op te slaan. Als een energiebedrijf ruimte moet aanschaffen om energie op te wekken, dan kost dat een aardig vermogen.
Wat nu als energiebedrijven bovenstaande techniek gebruiken om op hele grote schaal, bijvoorbeeld ondergronds energie op te slaan, en consumenten gebruiken hun ruimte om de energie groen op te wekken. Dan betaalt de consument zijn aansluitkosten voor het gemak van de ingebouwde opslag in het net -> Energiebedrijf blij. En betalen de energiebedrijven netjes voor de teruggeleverde energie -> Consument blij.

Enige die niet blij is: Nederlandse staat. Die moeten weer iets anders zoeken om belasting over te kunnen heffen.

Lijkt me dat dat nog best zou kunnen werken

[StefanDingenout]

Niet toestaan dat ze je meter vervangen door een 'slimme' meter scheelt natuurlijk ook een hoop, dan krijg je gewoon je normale tarief terugbetaald ;-)

[rb78]

"Maar het is ook niet nodig: de meeste huidhoudens produceren in de winter nog voldoende energie om hun vraag te dekken"

Nee hoor. Je (mijn eigen ook) zonnepanelen leveren in de goede maanden per maand zo'n 6-7 x zoveel als in de nov-jan maanden (per maand). Ook het gebruik in de wintermaanden is natuurlijk een stuk hoger dan in voorjaar/zomer. Je hebt dus een grote mismatch dat je niet oplost door een paar panelen extra

[360Degreez]

Hey dit doet me denken aan dit verhaal.