#21 Deze batterij brengt grootschalige energieopslag een stap dichterbij

Een batterij die elektriciteit lang kan opslaan, die extreem veilig is en waarin nauwelijks degradatie plaatsvindt. De flowbatterij zou zomaar de nieuwe hoofdrolspeler in de energietransitie kunnen worden.

Efficiënte en goedkope batterijen zijn onmisbaar in de energietransitie. Het is de enige manier om volledig over te stappen op energie uit hernieuwbare bronnen zoals wind, water en zon. “Het is belangrijk voor de maatschappij om energieopslag voor langere tijd (Long Duration Energy Storage) beschikbaar te maken tegen een redelijke prijs. Daar werken we hard aan”, stelt Hartmut Gross, directeur New Business & Technology bij Schunk Group. Het Duitse technologiebedrijf is een toonaangevende leverancier van hightech materialen zoals koolstof, technisch keramiek en grafiet. Schunk Group werkt samen met de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) aan een nieuw type elektrodes voor redox flow batterijen. Universitair hoofddocent chemical energineering Antoni Forner-Cuenca leidt het onderzoek aan de TU/e. Hij doet al sinds 2017 onderzoek naar de elektrodes in flowbatterijen en ontwikkelde de zogenoemde non-solvent induced phase separation (NIPS) elektrodes.

Geschikt voor woonwijken

Een flowbatterij is een elektrochemisch systeem. Er worden twee verschillende vloeistoffen met redoxmaterialen (bijvoorbeeld metaalionen) rondgepompt in de cel. De chemische energie die hierbij ontstaat kan dan omgezet worden in elektriciteit die we op het net kunnen gebruiken. Een flowbatterij is – in tegenstelling tot bijvoorbeeld een lithium-ion batterij – geschikt om energie voor langere tijd op te slaan. “Met een lithium-ion batterij kun je duurzaam opgewekte stroom maximaal vier uur vasthouden. Met flowbatterijen kun je wel acht tot tien uur lang stroom opslaan”, verklaart Gross. Ook is een flowbatterij volgens de expert niet zo makkelijk ontvlambaar, in tegenstelling tot veel andere batterijen en heeft het in mindere mate te maken met degradatie. Forner-Cuenca: “Je kunt de batterij duizenden keren opladen en ontladen zonder verlies van capaciteit. De elektrolyt behoudt de capaciteit en daarmee zijn commerciële waarde als een bedrijfsmiddel.”

Materiaal en samenstelling

In de huidige redox flowbatterijen zitten vaak elektrodes gemaakt van koolstof. De NIPS-elektroden zijn gemaakt van een polymeer die vervolgens in een thermisch proces wordt verkoold. Deze elektrodes hebben een driedimensionale structuur, vergelijkbaar met een honinggraat. Hierdoor kunnen stoffen beter worden getransporteerd, maar het brengt ook de nodige uitdagingen met zich mee. “Het materiaal krimpt bijvoorbeeld een beetje in het proces. Voor deze structurele veranderingen moeten oplossingen komen”, vertelt Gross.

Game changer

Ondanks de uitdagingen ziet hij deze technologie als een grote stap in de energietransitie: “Het is een game changer. Met flowbatterijenkunnen we hernieuwbare energie op grote schaal beschikbaar maken en alle argumenten van de lobby rond fossiele brandstoffen in één keer onderuit halen.”

Nu kost het opwekken van duurzame energie met zonnepanelen ongeveer vier cent per kilowattuur, afhankelijk van de locatie. De kosten voor de opslag van de energie liggen nu – in kleinschalige projecten - op tien tot twaalf cent per kilowattuur. “Maar die kosten gaan door de ontwikkelingen steeds verder naar beneden, terwijl de capaciteit juist omhoog gaat. Die trend zag je ook bij de ontwikkeling van zonnepanelen, waar de prijzen drastisch naar beneden gingen”, voegt Gross daaraan toe.

Wat is een flowbatterij?

Een flowbatterij is een elektrochemisch systeem. Twee verschillende vloeibare elektrolyten met opgeloste redoxmoleculen worden door een elektrochemische stapel gepompt. In elk compartiment van de elektrochemische cel (anode en kathode, gescheiden door een membraan) wisselen de redoxmoleculen een elektron uit. Dit genereert een elektrische stroom die kan worden opgevangen. Hier spelen de elektrodes een sleutelrol omdat elektrochemische reacties plaatsvinden op het oppervlak van deze materialen. Een flowbatterij kan opnieuw worden opgeladen door stroom in tegengestelde richting door het systeem te sturen. Hierdoor keren de redoxmoleculen terug naar hun oorspronkelijke staat.

Er zijn verschillende soorten flowbatterijen op de markt, waaronder redox, hybride, membraanloze, organische, anorganische en dergelijken. Het onderzoek van Forner-Cuenca en Gross richt zich op nieuwe elektrodes (NIPS) voor redox flow batterijen.

Opschaling

Forner-Cuenca: “We hebben de NIPS-elektrodes getest in het laboratorium en nu is het tijd voor opschaling naar een industrieel niveau. Daarvoor werken we samen met Schunk. Zij hebben vanuit de industrie veel kennis over de opschaling van dergelijke nieuwe technologieën.” Gross vult aan: “Wij geloven erin dat de NIPS-elektrodes de potentie hebben om de energiedichtheid van flowbatterijen te verdubbelen. Dat betekent dat de grootte van de batterijen en de kosten halveren.” Hij verwacht de batterijcomponent in 2025 aan de eerste klanten te kunnen aanbieden.

Bijzondere samenwerking

De financiering voor dit project is op een uitzonderlijke manier vormgegeven. Normaal kloppen consortia van verschillende partijen rond een wetenschappelijk onderzoek bij de overheid aan voor (een deel van de) financiering. Dat proces duurt vaak erg lang, weet Gross uit ervaring. “Het past niet bij de manier van werken in de industrie.”Schunk heeft daarom een intern innovatie-fonds opgezet waar medewerkers een aanvraag kunnen indienen voor de financiering van een project. De samenwerking met de onderzoeksgroep van Forner-Cuenca is ook vanuit de fonds van Schunk gefinancierd. Gross: “We hopen dan aan het einde van het project – wat nog 2,5 jaar duurt – een product op de markt te kunnen zetten.”

Doorontwikkeling

Maar voor het zover is, moeten de experts nog de nodige uitdagingen oplossen. “Het is nu belangrijk om de elektrodes groter en mechanisch stabieler te maken. Voor het gebruik in de industrie is het belangrijk dat ze robuuster zijn zodat de materialen bijvoorbeeld ook makkelijker vervoerd kunnen worden”, zegt Forner-Cuenca.

Daarnaast denkt het team ook na over het opschalen van de productie van de batterijen zelf. Wat is daarvoor nodig? En; hoe lang gaat dit hele proces allemaal duren? Dat zijn belangrijke vragen die de komende jaren beantwoord moeten worden. “Zelfs als we de technologie op industriële schaal kunnen gebruiken, is de ontwikkeling nog niet klaar. Het is belangrijk dat de wetenschap onderzoek blijft doen en dat we steeds verbeteringen blijven doorvoeren. Dat zie je ook bij de zonnepanelen gebeuren. Het houdt dus niet op na dit project”, gaat Gross verder. Zijn toekomstbeeld: “Ik verwacht dat er in de toekomst een pakket flowbatterijen staat bij elk zonne- of windmolenpark.”