Bestaande batterijen zijn te klein, te duur en te giftig om alle opgewekte zonne- en windenergie op te slaan. De redox flow-accu moet uitkomst bieden. ‘Het zijn allemaal evenwichtreacties.’

Dit jaar moet op een melkveehouderij de eerste Nederlandse proefopstelling met de nog vrij onbekende redox flow-accu draaien. Het InnovatieNetwerk, de organisatie voor innovatie binnen de landbouw, ziet het helemaal zitten met deze opslagmogelijkheid gebaseerd op redoxreacties. Volgens het rapport Fotonenboer rijdt Nederland in 2025 massaal naar de boer om elektriciteit te tanken.

Ruim 20 jaar geleden werd de techniek achter de redox flow-accu al ontwikkeld, maar de technologie heeft nog geen grote vlucht genomen. “De techniek werkt en is al commercieel te verkrijgen”, vertelt Mereille Schreurs van Kema, een van de schrijvers van het rapport. “Ook gaat de ontwikkeling erg snel, vooral in de VS.” Er staan bijvoorbeeld wereldwijd al een aantal redox flow-systemen bij windmolenparken. Die grote systemen dienen als buffer, om tijdelijk een overmaat op te slaan. De Nederlandse toepassing is veel kleinschaliger met handzamere systemen voor individuele boerenbedrijven.

REDOXREACTIES

Aan de basis van alle batterijen – waaronder de redox flow-batterij – staan redoxreacties, waarin moleculen elektronen uitwisselen. Het is bekende chemie van de middelbare school: reductoren verliezen elektronen die de oxidatoren daarna opnemen. In een batterij zijn die twee gescheiden en leidt een extern circuit de uitgewisselde elektronen om. Zo ontstaat er een stroom die is te gebruiken om bijvoorbeeld een auto aan te drijven.

Bij redoxreacties veranderen reductoren in oxidatoren en vice versa. Een molecuul dat eenmaal een elektron heeft verloren, kan er vervolgens eentje opnemen. “Het zijn allemaal evenwichtsreacties”, legt Kitty Nijmeijer, universitair docent membraantechnologie aan de Universiteit Twente, uit. “Door elektronen in het systeem te stoppen, dwing je de reacties de ene kant op. Die elektronen kun je later weer laten vrijkomen.”

Verschillende redoxkoppels zijn bruikbaar in redox flow-batterijen. Toch lijken onderzoekers en bedrijven massaal te kiezen voor batterijen die gebruikmaken van vanadium. Het unieke van dit vrij onbekende element is dat het maar liefst in vier verschillende geladen versies voorkomt. Dat maakt het mogelijk om een accu te maken met alleen maar vanadiumoplossing. Het ene redoxkoppel bestaat uit V²⁺ en V³⁺, het andere uit V⁴⁺ en V⁵⁺. Vanadium zorgt ook voor een vrolijk gekleurde accu, V²⁺ is paars, V³⁺ groen, V⁴⁺ blauw en V⁵⁺ geel.

MEMBRANEN

Een flowbatterij heeft een aantal voordelen. Er gaat vrijwel geen energie verloren, wat wel het geval is bij bijvoorbeeld de productie van waterstof. Een redox flowbatterij kan bovendien wel duizenden keren worden opgeladen. Dat is veel meer dan andere oplaadbare batterijen die er na een paar honderd oplaadcycli al mee ophouden. Staat het nu nog dure redox flow-systeem er eenmaal, dan gaat het ook een hele tijd mee.

De redox flow-accu zit wel ingewikkelder in elkaar dan een standaard oplaadbare batterij. Om te kunnen werken als energiebron moet de oplossing met elektrolyten worden rondgepompt naar een cel waar de reactie plaatsvindt. Vandaar de flow in redox flow. Zo voorkomt men dat alle reductoren tegelijkertijd reageren.

Een membraan scheidt de compartimenten met anode en kathode van elkaar. Dit voorkomt dat de vloeistoffen mengen. Het membraan geleidt geen elektronen maar protonen kunnen er wel doorheen trekken, zodat er tijdens de reactie geen ladingsverschil tussen de compartimenten ontstaat. “Het systeem werkt met sterk zure oplossingen, dat stelt dan ook hoge eisen aan het membraan”, vertelt Nijmeijer. Het bedrijf V-Fuel brengt redox flow-batterijen op de markt met een oplossing van twee molair vanadiumsulfaat en maar liefst 2,5 molair zwavelzuur.

Schreurs benadrukt dat het scheiden van opslagtanks en reactiecel een groot voordeel is. “Zowel het vermogen als de opslag kan worden aangepast door de cel en de tank te vergroten. De techniek is daardoor zowel bruikbaar voor drie windmolens en laagspanning als voor een heel groot windmolenpark dat hoogspanning levert.” Toch zijn de huidige vanadiumbatterijen nog erg groot. Een batterij van 20 kWh heeft een grootte van een flinke koelkast en levert genoeg elektriciteit om een computer een paar dagen te laten draaien. Het systeem is dus geschikter voor opslag bij afgelegen windparken dan voor thuisgebruik. De grootste opstelling met vanadiumopslag bouwt het bedrijf VRB Systems bij een windpark in Ierland. Dit systeem kan maar liefst 12 MWh opslaan.

FOTONENBOEREN

Begin volgend jaar komt er voor het eerst een redox flow-opstelling bij een veehouderij in Nederland. De locatie is al gekozen. Maar pas als de vergunningen rond zijn wordt wereldkundig gemaakt waar de proef gaat plaatsvinden, zegt Carel de Vries, projectleider van Courage, de organisatie voor innovatie binnen de melkveehouderij.

Die lokatie bij een veeboer is geheel in lijn met het rapport van het InnovatieNetwerk waarin de agrarische sector een hoofdrol speelt. Boerenbedrijven gebruiken ongeveer 70 procent van het Nederlandse landoppervlak en hebben dus veel mogelijkheden om zonnecellen en windturbines te plaatsen.

“Er is binnen de veehouderij heel veel interesse voor opslagsystemen”, vertelt De Vries. “Veel boeren maken al gebruik van zonne- of windenergie. ’s Ochtends vraagt het melken van koeien veel energie. De rest van de dag wordt elektriciteit opgewekt, die meteen voor een absolute minimumprijs wordt verkocht. Met een opslagsysteem is het mogelijk de energie te bufferen en beter te benutten.”

Het aardige van dit soort ideeën is dat ze het mogelijk maken om energiewinning te decentraliseren, zegt De Vries. “Mensen kunnen buiten de grote bedrijven om zelf energie opwekken. Dat is een spannende en belangrijke ontwikkeling.”

REDOX FLOW-AUTO'S

De volgende grote stap wordt het geschikt maken van het redox flow-systeem voor vervoer. Volgens het scenario van het InnovatiePlatform gaat dat al snel gebeuren. Als steeds meer boeren redox flow-accus plaatsen kan in 2012 het transport tussen agrarische bedrijven plaatsvinden met deze techniek. Rond 2025 kunnen dan ook personenauto’s uitgerust zijn met de redox flow-accu.

Schreurs kan nog niet voorspellen hoe die energievoorziening er precies gaat uitzien. “Misschien gaan we de auto’s opladen op het tankstation, of thuis aan het stopcontact. Het is ook mogelijk dat we door te tanken alle vloeistof vervangen, of dat er een systeem komt met cartridges. De toekomst moet dat uitwijzen.” Door elektrolyten te tanken kunnen autorijders snel al het uitgereageerde vanadium vervangen.

Maar voordat de redox flow-auto in de showrooms zal staan, moet er nog veel worden verbeterd aan de techniek. Kosten en volumes zullen flink omlaag moeten gaan. Om in 2025 te concurreren met benzine moeten de kosten van elektrolyt met een factor 7 omlaag. “Vanadium is in grote hoeveelheden voorradig, maar het wordt nauwelijks gewonnen”, legt de Vries uit. “Als die productie op gang komt, dan zal de prijs naar beneden gaan.”

LUCHT

Nijmeijer probeert samen met Kema en het Schiedamse bedrijf Magneto redox flow-systemen te verbeteren. Ze onderzoekt nieuwe membranen en probeert de systemen compacter te maken. “De uitdaging ligt voor een groot deel in de ontwikkeling van zuurresistente membranen die veel protonen doorlaten en de integratie van membraan en elektrodes. De elektrodes moeten zo dicht mogelijk bij het membraan liggen om ervoor te zorgen dat de protonengeleiding maximaal is.”

“We kiezen trouwens nog niet exclusief voor vanadium”, vertelt Nijmeijer. “Er bestaan nog meer interessante redoxkoppels.” Zo wil Nijmeijer graag een van de twee redoxkoppels vervangen door lucht. Dit zal de helft schelen in de kosten en het volume van de accu. “De vrijkomende protonen zullen dan met zuurstof en elektronen tot water reageren.” Als dat lukt heeft de redox flow-motor via een heel andere chemische route precies dezelfde uitstoot als de waterstofmotor.

Bron: C2W6, 28 maart 2009