Flowcelaccu's voor energieopslag

Geopolitiek onafhankelijk en uitermate schaalbaar

Werking en verschillen

Een flowcelaccu is een type oplaadbare accu die er compleet anders uitziet dan de gebruikelijke accu's, zoals lithiumionaccu's in pouch- of celvorm. Het bestaat uit twee tanks die gevuld zijn met elektrolyten die via een systeem van leidingen en pompen naar de elektrochemische cellen worden gestuurd. Elektriciteit wordt opgewekt door redoxreacties tussen de twee verschillende elektrolyten.

Een illustratie van een conventionele redoxflowcelaccu, met twee energieopslagtanks en elektrochemische reactiecellen. Bron: Colintheone, Wikimedia

Een flowcelaccu functioneert als een elektrochemische cel waarbij energie wordt opgewekt door vloeistoffen met metaalionen langs een membraan te pompen. Dit membraan faciliteert de beweging van ionen van de ene vloeistof naar de andere, wat resulteert in een elektrische stroom die via de elektrode kan worden afgetapt voor gebruik in een elektrisch apparaat of bedrijfspand. De vloeistoffen komen nooit fysiek met elkaar in aanraking doordat ze gescheiden zijn door het membraan.

Hoe werkt het?

Geschiedenis

De flowcelaccu vond zijn oorsprong al in de vroege jaren zeventig, toen NASA verschillende soorten accu's onderzocht voor gebruik in ruimtevaartuigen. Het idee was om een accu te ontwikkelen die een relatief hoge energiedichtheid kon bieden en tegelijk flexibel en schaalbaar was.

In de jaren tachtig en negentig werd veel onderzoek gedaan naar de chemie en de materialen die gebruikt konden worden in flowcelaccu's, waarbij de focus vooral lag op het vinden van elektrolyten die veilig en efficiënt waren. Gedurende deze periode werden verschillende types ontwikkeld, waaronder de vanadiumredox- en de zink-broomflowcel.

Met de opkomst van hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie werd de behoefte aan grootschalige energieopslag steeds duidelijker. Flowcellen kunnen daarvoor een rol spelen vanwege hun vermogen om grote hoeveelheden energie op te slaan en deze gedurende langere periodes vast te houden. Daarom zien we steeds vaker pilots en commerciële toepassingen van dit type accu, vooralsnog vooral industrieel.

Flowcelaccu's functioneren op basis van redoxreacties, waarbij oxidatie en reductie simultaan in twee gescheiden compartimenten plaatsvinden. Tijdens het opladen van de accu worden de elektrolyten in een chemisch gereduceerde toestand gebracht. Bij het ontladen wordt de opgeslagen chemische energie weer omgezet in elektrische energie door een omgekeerde oxidatiereactie te faciliteren. Wanneer de elektrolyten door de cel stromen, ondergaan ze aan de elektroden een redoxreactie: de ene elektrolyt wordt geoxideerd en staat elektronen af, terwijl de andere elektrolyt wordt gereduceerd en elektronen opneemt. Dit elektronentransport genereert een elektrische stroom die kan worden gebruikt om apparaten van stroom te voorzien of voor grootschalige energieopslag, bijvoorbeeld bij zonne- en windmolenparken.

Lange levensduur

Net als een normale accu kan een flowcelaccu steeds opnieuw worden opgeladen. Dit gebeurt door stroom in tegenovergestelde richting door het systeem te voeren, waardoor de ionen naar hun oorspronkelijke positie worden teruggebracht. Praktijktests laten zien dat flowcellen een lange levensduur hebben en geschikt zijn voor meer dan 10.000 cycli; in de industrie wordt gesproken over een levensduur van twintig jaar. De vloeistoffen kunnen eventueel vervangen worden, waardoor het apparaat opnieuw wordt 'getankt', een unieke eigenschap van dit type accu.

Modulaire opslagcapaciteit en in serie te koppelen

De opslagcapaciteit van een flowcelaccu is direct gerelateerd aan het volume en de ionenconcentratie van de vloeistof. De hoeveelheid geleverde stroom wordt bepaald door de efficiëntie en de oppervlakte van de membranen. De spanning van een individuele cel hangt af van de gebruikte elektrolyten. Door verschillende cellen in serie te koppelen, kan de totale spanning van de accu worden verhoogd. Het geheel is daardoor heel schaalbaar. De opstelling is modulair uit te breiden, bijvoorbeeld om in een grotere capaciteit te voorzien. Dat kan door grotere elektrolyttanks te gebruiken om verscheidene opstellingen serieel en parallel te gebruiken.

Een flowcellaccu op basis van waterstofbromide van het Nederlandse Elestor

Verschillen met reguliere accu's

Flowcelaccu's hebben een lagere energiedichtheid dan lithiumionaccu's. Ze zijn groter en zwaarder bij dezelfde hoeveelheid opgeslagen energie, en nemen dus per kWh/MWh meer ruimte in beslag, wat op een industrieterrein minder problematisch is dan in een stadsregio. De capaciteit van een flowcelaccu kan eenvoudig worden vergroot door de grootte van de opslagtanks te vergroten, terwijl capaciteit en vermogen bij lithiumionaccu's zijn gekoppeld. Flowcelaccu's hebben over het algemeen een lager risico op oververhitting en brand dan lithiumionaccu's, maar afhankelijk van de gebruikte vloeistoffen gelden er wel strenge veiligheidsmaatrelen.

Lage spanning

Een beperking van redoxflowcellen is het relatief lage spanningsbereik, dat doorgaans varieert van ongeveer 1,26 tot 1,65V, afhankelijk van het type en de gebruikte materialen. Dit is lager dan bij lithiumioncellen, die een celspanning van 3,6 tot 3,7V hebben. Een hogere celspanning is cruciaal voor een hogere energiedichtheid. Als een flowcel bijvoorbeeld een celspanning van 5V kan bereiken in plaats van 1,25V, zou de energiedichtheid theoretisch vier keer zo groot zijn, wat resulteert in een veel kleinere en lichtere batterij voor dezelfde energieopslag. Voor veel toepassingen, zoals elektrische voertuigen, is de spanning van één cel niet voldoende, dus dan worden cellen in serie geplaatst om de totale systeemspanning te verhogen: bijvoorbeeld 400 of 800V bij EV's. Dit concept wordt ook voor flowcellen gebruikt door membranen te 'stacken'.

Hoewel het aanpassen van het spanningsbereik van een flowcel mogelijk is door de gebruikte elektrolytoplossing te wijzigen, zijn er andere technische uitdagingen, zoals het risico op kortsluiting en thermische problemen. Waterige oplossingen in flowcellen hebben een maximale celspanning van ongeveer 1,23V bij kamertemperatuur, terwijl organische oplossingen celspanningen tot wel 5V kunnen bereiken.

• Volgende pagina 4. Vanadium: de nu meestgebruikte flowcel