Vloeiende batterijen: giet elektronen voor mij!
Wetenschappers van het Fraunhofer Instituut in Duitsland zijn bezig met serieus ontwikkelingswerk op het gebied van elektrische batterijen, als alternatief voor de klassieke. Met redox flow-technologie is het opslaan van elektriciteit echt radicaal anders ...
De met vloeistof als brandstof geladen accu's worden in een auto met benzine- of dieselmotor gegoten. Het klinkt misschien utopisch, maar voor Jens Noack van het Fraunhofer Instituut in Pfinztal, Duitsland, is dit eigenlijk het dagelijkse leven. Het ontwikkelingsteam waarbij hij betrokken is, ontwikkelt sinds 2007 deze exotische vorm van oplaadbare batterij in volle gang. In feite is het idee van een doorstroom- of zogenaamde doorstroomredoxbatterij niet moeilijk, en het eerste octrooi op dit gebied dateert uit 1949. Elk van de twee celruimten, gescheiden door een membraan (vergelijkbaar met brandstofcellen), is verbonden met een reservoir met een specifieke elektrolyt. Door de neiging van stoffen om chemisch met elkaar te reageren, verplaatsen protonen zich van de ene elektrolyt naar de andere door het membraan en worden elektronen door een stroomverbruiker geleid die met de twee delen is verbonden, waardoor een elektrische stroom vloeit. Na een bepaalde tijd worden twee tanks geleegd en gevuld met verse elektrolyt, en de gebruikte wordt “gerecycled” bij de laadstations.
Hoewel dit er allemaal mooi uitziet, zijn er helaas nog veel obstakels voor het praktische gebruik van dit type batterij in auto's. De energiedichtheid van een vanadium-elektrolyt-redoxbatterij ligt in het bereik van slechts 30 Wh per kilogram, wat ongeveer hetzelfde is als die van een loodzuurbatterij. Om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan als een moderne lithium-ionbatterij van 16 kWh, heeft de batterij bij het huidige niveau van redoxtechnologie 500 liter elektrolyt nodig. Plus alle randapparatuur natuurlijk, waarvan het volume ook vrij groot is - een kooi die nodig is om een vermogen van één kilowatt te leveren, zoals een bierdoos.
Dergelijke parameters zijn niet geschikt voor auto's, aangezien de lithium-ionbatterij vier keer meer energie per kilogram opslaat. Jens Noack is echter optimistisch, omdat de ontwikkelingen op dit gebied nog maar net beginnen en de vooruitzichten veelbelovend zijn. In het laboratorium halen de zogenaamde vanadium-polysulfidebromide-accu's een energiedichtheid van 70 Wh per kilogram en zijn qua grootte vergelijkbaar met de nikkel-metaalhydride-accu's die momenteel in de Toyota Prius worden gebruikt.
Dit halveert het benodigde volume aan tanks. Dankzij een relatief eenvoudig en goedkoop laadsysteem (twee pompen pompen nieuwe elektrolyt, twee pompen zuigen gebruikte elektrolyt op), kan het systeem in tien minuten worden opgeladen om een bereik van 100 km te bieden. Zelfs snellaadsystemen zoals die in de Tesla Roadster worden gebruikt, gaan zes keer langer mee.
In dit geval is het niet verwonderlijk dat veel autobedrijven zich tot het onderzoek van het instituut wendden en dat de deelstaat Baden-Württemberg 1,5 miljoen euro uittrok voor ontwikkeling. Het zal echter nog even duren voordat de autotechnologiefase is bereikt. “Dit type batterij kan heel goed werken met stationaire energiesystemen en we maken al experimentele stations voor de Bundeswehr. Op het gebied van elektrische voertuigen zal deze technologie echter over ongeveer tien jaar geschikt zijn voor implementatie”, aldus Noak.
Exotische materialen zijn niet nodig voor de productie van doorstroomredoxbatterijen. Er zijn geen dure katalysatoren zoals platina voor brandstofcellen of polymeren zoals lithium-ionbatterijen nodig. De hoge kosten van laboratoriumsystemen, die 2000 euro per kilowatt vermogen bereiken, zijn uitsluitend te wijten aan het feit dat ze uniek zijn en met de hand worden gemaakt.
Ondertussen zijn de specialisten van het instituut van plan om een eigen windpark te bouwen, waar het laadproces, dat wil zeggen het afvoeren van de elektrolyt, zal plaatsvinden. Met redoxstroom is dit proces efficiënter dan het elektrolyseren van water in waterstof en zuurstof en het gebruik ervan in brandstofcellen - instantbatterijen leveren 75 procent van de elektriciteit die wordt gebruikt voor het opladen.
We kunnen ons laadpalen voorstellen die, naast het conventioneel opladen van elektrische voertuigen, dienen als buffer tegen de piekbelasting van het stroomsysteem. Tegenwoordig moeten bijvoorbeeld veel windturbines in Noord-Duitsland ondanks de wind worden uitgeschakeld, omdat ze anders het net zouden overbelasten.
Wat betreft veiligheid is er geen gevaar. “Als je twee elektrolyten mengt, ontstaat er een chemische kortsluiting die warmte afgeeft en de temperatuur stijgt tot 80 graden, maar verder gebeurt er niets. Sommige vloeistoffen zijn natuurlijk niet veilig, maar benzine en diesel ook. Ondanks het potentieel van doorstroomredoxbatterijen, werken onderzoekers van het Fraunhofer-instituut ook hard aan de ontwikkeling van lithium-ion-technologie ...
tekst: Alexander Bloch
Batterij Redox-stroom
Een redoxflow batterij is eigenlijk een kruising tussen een conventionele batterij en een brandstofcel. Elektriciteit stroomt als gevolg van de interactie tussen twee elektrolyten - de ene is verbonden met de positieve pool van de cel en de andere met de negatieve pool. In dit geval geeft de ene positief geladen ionen (oxidatie), en de andere ontvangt ze (reductie), vandaar de naam van het apparaat. Wanneer een bepaald verzadigingsniveau is bereikt, stopt de reactie en bestaat het opladen erin de elektrolyten te vervangen door nieuwe. Werknemers worden hersteld met behulp van het omgekeerde proces.
