Redox flow batterij

Antoni Forner-Cuenca is assistent professor bij de faculteit Scheikundige Technologie en Scheikunde aan de TU/e. Zo uitgebreid als zijn titel is, zo groot zijn Antoni's plannen en ambities. Zijn favoriete onderdeel van zijn werk is de interactie met zijn studenten. En dit project is daar een perfecte gelegenheid voor. Hij heeft een team van studenten samengesteld dat de energietransitie serieus wil versnellen. Samen willen ze grote stappen maken in de opslag van elektriciteit, waterstof inzetten om transport CO2-vrij te maken en heel creatieve routes ontwikkelen om de CO2-uitstoot te verminderen. 

Dit verhaal gaat over het project achter de eerste ambitie: energie opslaan in batterijen. Dit kan en gebeurt nu al, maar er zijn nog te veel barrières die het op grote schaal tegenhouden. En dat heeft veel te maken met het proces waarmee batterijen elektriciteit opslaan en leveren. De verbeterde versie van de Redox Flow batterij die Antoni en zijn team ontwikkelen, gaat dat speelveld drastisch veranderen. En bovendien: het speelveld gelijktrekken voor landen die geen toegang hebben tot zeldzame metalen of andere ingrediënten van conventionele batterijen. 

Anoden en kathoden

De oplaadbare batterijen die we vandaag de dag gebruiken zijn zogenaamde lithium-ion batterijen. Het zijn opslagsystemen die bestaan uit een anode en een kathode, een separator tussen de twee elektroden en een elektrolyt dat de resterende ruimte in de batterij opvult. De anode en kathode kunnen lithiumionen opslaan. Energie wordt opgeslagen en vrijgegeven als lithiumionen zich tussen deze elektroden door de elektrolyt verplaatsen.

In dit soort accu's intercaliseren lithium-ionen in koolstofelektroden, wat leidt tot uitzetting en inkrimping. Na verloop van tijd vermindert dat proces de levensduur van de batterij. Antoni legt uit: "Kijk maar naar je telefoon. Het toont de 'gezondheid' van je batterij. Dat is de capaciteit in verhouding tot de 100% waarmee de batterij is gestart. Per laadcyclus verliest de batterij capaciteit. Dat is slijtage door veelvuldig opladen en ontladen, samen met een afbraak van chemische reacties in de elektrolyt. " 

Niet geschikt voor grootschalige toepassingen

Naast enkele ongunstige effecten op het milieu hebben dit soort accu's hun beperkingen in grootte en toepassing. Antoni erkent dat, zonder het concept van lithium-ionbatterijen te verwerpen: "Het is een prachtige technologie die onze manier van leven heeft veranderd. Het is alleen niet geschikt voor grootschalige opslagtechnologieën vanwege materiaalbeperkingen, opschalingsproblemen en duurzaamheid." 

Bovendien gebruiken ze schaars materiaal zoals kobalt. Dat maakt ze duur. Antoni: "Je wilt geopolitieke en economische invloeden elimineren. Zodat je niet afhankelijk blijft van materialen die maar op een paar plaatsen te vinden zijn.". Hij beschrijft zijn ambitieuze oplossing voor dat probleem van schaarste: "Een open systeem gebaseerd op gewone lucht en gewoon ijzer. Beide zijn overal op aarde te vinden. Op deze manier heeft iedereen straks gelijke kansen om energie op te slaan. We zijn er nog niet, maar we maken stappen in de goede richting met ons onderzoek. " 

De oplossing begint bij NASA

Zo'n 50 jaar geleden vond NASA de Redox-Flow batterij uit. Een concept waarbij het membraan nog steeds een hoofdrol speelt, maar waarbij de negatief geladen vloeistof en de positieve variant in verschillende containers worden opgeslagen, in tegenstelling tot de 'alles in één container'-opslag in conventionele batterijen. 

Antoni wijst op de voordelen: "Die manier van opslaan betekent dat je vermogen en capaciteit kunt ontkoppelen. Bij conventionele batterijen moet je, als je meer capaciteit nodig hebt, het aantal cellen verhogen en daarmee ook het totale vermogen. " 

Aanpassing voor grotere toepassingen

De technologie is vooral geschikt voor grootschalige opslag, legt Antoni uit: "Grote parken met zonnepanelen bijvoorbeeld. Deze produceren vaak meer energie dan nodig is op bepaalde momenten van de dag en het jaar. De rest kan dan worden opgeslagen. Dit ontlast ook het elektriciteitsnetwerk, dat niet echt is toegerust op sterk fluctuerende en toenemende pieken en dalen. We kunnen de capaciteit voor elke batterij aanpassen. Want voor sommige toepassingen, zoals datacenters, heb je gewoon veel meer stroom nodig dan voor bijvoorbeeld een paar huishoudens. " 

Daarnaast is het systeem modulair: "Met extra of grotere vaten vloeistof schaal je vrij snel op. We zullen opslagvormen kunnen maken die ons echt helpen om duurzamer met energie om te gaan."

Hij verwacht dat we binnen 5 en 10 jaar de eerste grote opslagvormen op basis van deze technologie zullen zien. 

Poreuze elektroden

Antoni raakt zichtbaar opgewonden als we dit onderwerp bespreken. Poreuze elektrodes openen deuren naar meer energiedichtheid. Maar het is zoeken naar de juiste mate van porositeit; naar de juiste grootte en vorm van de gaten in het oppervlak van de elektrodes. "Het is architectuur op nanoniveau," legt hij uit. Het idee is om het oppervlak van de elektrodes zo efficiënt mogelijk te vergroten. "Je maakt het op deze manier eigenlijk kunstmatig groter, zodat je er meer uit kunt halen," zegt hij. Antoni: "Het is belangrijk om een goede balans te vinden tussen grote en kleinere poriën. "De grote zijn voor het snelle transport van elektrolyt, de kleinere voor een fijnere verdeling en een hoog oppervlak." 

Zo'n precaire balans vereist een geavanceerd ontwerpproces. "Daarvoor gebruiken we voorspellend ontwerpen. We voeren de theorie in een computer in en vragen die om de perfecte elektrode te ontwerpen." legt Antoni uit. 

Op naar een groenere, fossielvrije toekomst

Antoni ziet veel mogelijkheden voor elektriciteitsopslag in de nieuwe versie van de Redox Flow Battery. "Als we energie op meerdere plaatsen voor meerdere doeleinden kunnen opslaan, maken we maximaal gebruik van al die hernieuwbare energie die nu wordt opgewekt, ontlasten we het elektriciteitsnet en zetten we echte stappen in de richting van echte duurzaamheid", aldus een wetenschapper die samen met zijn team een realiteit dichterbij brengt die nu nog vooral een droom is. Met oplossingen die onze planeet schoner, groener en minder afhankelijk van fossiele brandstoffen zullen maken.