Flow Batterij voor opslag van energie

Wat is een flow batterij en is deze ook te gebruiken als zakelijke batterij of als thuisbatterij? 

Hoe werkt een flow batterij?

Een flow batterij is een soort oplaadbare brandstofcel waarbij een elektrolyt die één of meer opgeloste elektro actieve elementen bevat door een elektrochemische cel stroomt die chemische energie direct omzet in elektriciteit.

 

Een flow battery zoals die in het engels genoemd wordt bestaat doorgaans uit twee tanks met vloeistoffen die langs een membraan worden gepompt dat tussen twee elektroden wordt gehouden. Het membraan laat ionen door van de ene naar de andere kant, terwijl de elektrische stroom door een extern circuit loopt. De energiecapaciteit is een functie van het volume van de elektrolyt en het vermogen is een functie van het oppervlak van de elektroden.

 

Er zijn wel meer dan vijftig verschillende soorten flow batterijen ontwikkeld, waaronder anorganische flow batterijen en organische flow batterijen. Het grote verschil tussen conventionele en flow batterijen is dat de energie wordt opgeslagen in het elektrodemateriaal in conventionele batterijen, terwijl in flow batterijen de energie wordt opgeslagen in de elektrolyt. Elektrolyt is de vloeistof die in tanks is opgeslagen en heen en weer gepompt kan worden om de batterij te laden of te ontladen.

 

Een flow batterij kan worden gebruikt als een brandstofcel (waarbij nieuwe geladen negolyte (ook wel reductor of brandstof genoemd) en geladen posolyte (ook wel oxidator genoemd) aan het systeem worden toegevoegd) of als een oplaadbare batterij (waarbij een elektrische energiebron de regeneratie van de reductor en oxidator aandrijft). In Jip en Janneke taal: door de materialen inde vloeistof te laten roesten en ontroesten wordt energie toegevoegd of ontladen. 

Hoe bestaat de techniek van de flow batterij?

De flow batterij techniek bestaat al sinds het einde van de 19e eeuw. De oudste flow batterij chemie is de zink-bromide flow batterij (Zn-Br2), die werd gepatenteerd door John Doyle in 1879. Zn-Br2 batterijen hebben een relatief hoge specifieke energie en werden gedemonstreerd als energiebronnen voor elektrische auto’s in de jaren 1970. Ja toen al!

De flow batterij techniek werd nieuw leven ingeblazen in de jaren 1980, toen Maria Skyllas-Kazacos aan de Universiteit van New South Wales de vanadium redox flow batterij (VRFB) ontwikkelde. VRFB’s hebben een lange levensduur en een hoge veiligheid, maar zijn duur en afhankelijk van de beschikbaarheid van vanadium.

Sindsdien zijn er verschillende soorten flow batterijen ontwikkeld, waaronder anorganische flow batterijen en organische flow batterijen. Flow batterijen worden beschouwd als een veelbelovende technologie voor de opslag van duurzame energie op grote schaal en lange termijn. Zo werkt Elestor samen met Vopak, bekend van de grote opsagtanks in de Rotterdamse Haven aan een groot project voor langdurige energie opslag.

In tegenstelling tot Lithium Ion batterijen die doorgaans ingezet worden voor een opslag termijn van nul tot vier uur is het theoretisch mogelijk om met flow batterijen energie voor weken of maanden op te slaan met minimaal verlies aan energie. Een flow batterij is doorgaans minder efficiënt.

Dat lijkt misschien erg, maar als je bedenkt dat er nu al windmolens en zonneparken worden afgeschaald op momenten dat ons energie net vol is moeten we een oplossing hebben om de energie op die momenten ook op te slaan voor later.

Wat is de efficiëntie van een flow batterij?

De efficiëntie van flow batterijen en hun fabrikanten hangt af van het type.  Een veelgebruikte flow batterij is de vanadium redox flow batterij, die een efficiëntie van ongeveer 70 tot 80 procent heeft. Een nadeel van deze batterij is dat vanadium duur en schaars is. Een alternatief is de zink-bromide flow batterij, die een efficiëntie van ongeveer 65 tot 75 procent heeft. Een ander voorbeeld is de all-iron flow batterij (IFB), die een efficiëntie van ongeveer 60 tot 70% heeft. Deze batterijen hebben ook voordelen op het gebied van veiligheid en duurzaamheid. Zestig tot zeventig procent lijkt laag, maar is nog altijd veel hoger dan opslag met waterstof wat maar veertig procent haalt.

Er zijn verschillende fabrikanten van flow batterijen over de hele wereld, zoals Sumitomo Electric Industries (Japan), UniEnergy Technologies (VS), Redflow (Australië), ESS Inc. (VS), VoltStorage (Duitsland) en Elestor (Nederland). Zij bieden verschillende producten en oplossingen voor stationaire energieopslag op basis van flow batterijen.

Deze batterijen beter geschikt zijn voor opslag op de langere termijn is de efficiëntie minder belangrijk. Er zijn immers steeds meer momenten dat er een groot overschot is aan groene stroom. Wanneer de Lithium Ion en LFP batterijen gevuld zijn dan kunnen de toekomstige Flow batterijen van bijvoorbeeld Elestor en Vopak de overtollige energie opslaan in de grote tanks. Dan gaat de groene energie niet verloren en zullen we minder gas of kolen verstoken.

Wat is de levensduur van een flow batterij?

De levensduur van een flow batterij is over het algemeen veel langer dan die van andere batterijen, zoals lithium-ion batterijen. Dit komt omdat flow batterijen geen degradatie van de elektroden hebben. Flow batterijen kunnen ook meer laad- en ontlaadcycli doorstaan dan andere batterijen. Bijvoorbeeld, een vanadium flow batterij kan 15.000 tot 20.000 cycli aan, terwijl een lithium-ion batterij meestal 1.500 tot 6.000 cycli heeft.

De levensduur van een flow batterij hangt ook af van het type elektrolyt en het ontwerp van de cellen. Sommige flow batterijen, zoals zink-bromide en waterstof-lithiumbromide, hebben een kortere levensduur dan andere. De levensduur van een flow batterij kan worden verbeterd door het optimaliseren van de materialen, het membraan, de elektroden en de stroomverdeling.

Zijn er ook flow batterijen voor de consumenten markt?

Er zijn flow batterijen die geschikt zijn voor de consumentenmarkt of binnen afzienbare tijd. Flow batterijen kunnen worden gebruikt voor residentiële energieopslag, vooral in combinatie met zonne- of windenergie. Flow batterijen hebben voordelen ten opzichte van andere batterijen, zoals een lange levensduur, een lage zelfontlading en een hoge veiligheid.

Er zijn verschillende bedrijven die flow batterijen aanbieden of ontwikkelen voor de consumentenmarkt echter is de productie nog niet groot genoeg om deze batterijen in Nederland met een muisklik te bestellen. Hiervoor moet eerst de productie capaciteit verhoogd worden. Het Australische Redflow is wellicht een van de eersten met een oplossing waarbij die thuis kunt plaatsen.

Worden er in Nederland Flow batterijen gebruikt of geplaatst?

Ja, in Nederland worden ze gebruikt en getest voor verschillende toepassingen. Een voorbeeld is het project van Elestor en Vopak, waarbij waterstof-lithiumbromide flow batterijen worden gebruikt om elektriciteit op te slaan en te leveren aan het net op de locatie van Vopak Terminal Eemshaven.

Een ander voorbeeld is het project van Invinity Energy Systems en Scholt Energy, waarbij vanadium redox flow batterijen (VRFB) worden gebruikt om elektriciteit op te slaan en te leveren aan het net op de locatie in Heusden.

Een van de laatste projecten is een test op Schiphol. Hierbij worden vier Iron Flow batterijen van ESS Technology  op het platform getest om vliegtuigen bij te laden in plaats van diesel aggregaten. Dit vanwege de eiggenschap dat deze batterijen tot de meest mileu vriendelijke behoren en niet brand gevaarlijk zijn. Wel zo fijn naast een vliegtuig toch?

Er zijn ook andere projecten in ontwikkeling of in voorbereiding die gebruik maken van flow batterijen in Nederland, zoals het project van Redox Storage Solutions en Energie Samen Rivierenland, waarbij VRFB’s worden gebruikt om elektriciteit op te slaan en te leveren aan het net op de locatie van Energie Samen Rivierenland in Geldermalsen.

Flow batterijen hebben een groot potentieel om in de toekomst gebruikt te worden voor de opslag van duurzame energie uit zonne- en windenergie. Flow batterijen kunnen een lange levensduur, een hoge veiligheid, een lage zelfontlading en een hoge flexibiliteit bieden. Flow batterijen kunnen ook helpen om het net te stabiliseren, de piekvraag op te vangen, de energiekosten te verlagen en de CO2-uitstoot te verminderen. Er zijn verschillende bedrijven die flow batterijen ontwikkelen of leveren in Nederland, zoals Elestor, Redox Storage Solutions, VoltStorage en Invinity Energy Systems en Dutch Smart Energy Hub in samenwerking met Duration Energy.

Om af te sluiten nog een interessante Youtube video van de Fully Charged Show (in het Engels) waar een mooie uitleg wordt gegeven over de RedFlow flow batterij. Veel kijkplezier.