Flowbatterij: energie opslaan in tanks vol vloeistof
Een flowbatterij is een oplaadbare batterij die haar energie niet opslaat in vaste platen of folies, zoals een gewone lithium-ionbatterij, maar in vloeistoffen. Die vloeistoffen, elektrolyten genoemd, zitten in twee aparte tanks en worden door pompen langs elkaar geleid via een centrale cel waar de eigenlijke chemische reactie plaatsvindt. Hoe groter de tanks, hoe meer energie er past; hoe groter de cel, hoe sneller de batterij kan laden en ontladen.
Een handige vergelijking is die met een auto op waterstof, of eigenlijk met een tankstation. Bij een gewone batterij zitten "motor" en "brandstoftank" onlosmakelijk in één blok; wil je meer energie, dan moet je een grotere batterij kopen. Bij een flowbatterij zijn dat twee losse onderdelen: een compacte reactorcel (de "motor", die het vermogen bepaalt) en aparte vloeistoftanks (de "brandstof", die de opslagcapaciteit bepaalt). Wil je meer energie opslaan, dan zet je gewoon grotere tanks neer, zonder de rest van het systeem aan te passen. Dat maakt flowbatterijen vooral interessant voor grootschalige, langdurige opslag op het elektriciteitsnet, minder voor auto's of telefoons.
Wat is het precies?
Het hart van een flowbatterij is de elektrochemische cel, ook wel de "stack" genoemd. Daarin worden twee vloeibare elektrolyten van elkaar gescheiden door een dun membraan dat wel ionen doorlaat, maar geen elektronen. Aan de ene kant vindt oxidatie plaats (elektronen worden afgestaan), aan de andere kant reductie (elektronen worden opgenomen). Dat verschil in elektronen levert de elektrische stroom op die je kunt gebruiken.
De meest gebruikte chemie is die van vanadium: het element vanadium kan in vier verschillende oplaadtoestanden voorkomen, en door steeds tussen twee van die toestanden te schakelen kan dezelfde vloeistof duizenden keren op- en ontladen worden zonder noemenswaardige slijtage. Dit heet een vanadium-redoxflowbatterij (VRFB). Er bestaan ook varianten op basis van zink-broom, ijzer of, experimenteler, organische moleculen zoals quinonen die uit plantaardige grondstoffen kunnen komen.
Om te laden of te ontladen, pompen elektrische motoren de elektrolyten door de cel; hoe sneller die stroom, hoe meer vermogen (kilowatt) de batterij levert. De hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen (kilowattuur) hangt alleen af van de concentratie van de elektrolyt en het volume van de tanks. Dat ontkoppelen van vermogen en capaciteit is het belangrijkste technische kenmerk van de flowbatterij, en meteen ook de reden waarom ze zo geschikt lijkt voor toepassingen waarbij je uren- of zelfs dagenlang stroom wilt kunnen leveren.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter flowbatterijen is de groeiende behoefte aan langdurige, betrouwbare opslag van duurzame stroom. Zonnepanelen en windturbines leveren niet altijd stroom op het moment dat we die nodig hebben: op een zonnige zomerdag is er soms een overschot, terwijl er op een donkere, windstille winteravond juist een tekort dreigt. Lithium-ionbatterijen zijn uitstekend voor kortdurende opslag van enkele uren, maar worden relatief duur en minder praktisch naarmate je ze langer wilt laten ontladen, omdat je dan simpelweg steeds meer dure cellen moet bijplaatsen.
Flowbatterijen richten zich juist op die niche van vier tot wel twintig uur (of meer) aaneengesloten ontlading, het zogeheten "long duration energy storage". Andere beloften zijn een lange levensduur (tienduizenden laadcycli zonder noemenswaardige capaciteitsverlies, omdat de elektrolyt zelf niet fysiek slijt zoals een vaste elektrode), goede brandveiligheid (waterige oplossingen branden niet zo makkelijk als sommige lithium-chemieën) en, bij sommige varianten, het gebruik van goedkope en op grote schaal beschikbare grondstoffen zoals ijzer of zink in plaats van schaarsere metalen.
Voorbeelden uit de praktijk
De grootste vanadium-flowbatterij ter wereld staat in de Chinese havenstad Dalian. Het project, gebouwd door Rongke Power in samenwerking met de Dalian Institute of Chemical Physics, is ontworpen voor 200 megawatt vermogen en 800 megawattuur opslagcapaciteit. De eerste fase werd rond 2022 op het net aangesloten; het is bedoeld om pieken in de vraag van het lokale elektriciteitsnet op te vangen.
In Japan geldt Sumitomo Electric als een van de pioniers: het bedrijf ontwikkelt al sinds de jaren tachtig vanadiumtechnologie en heeft meerdere systemen gekoppeld aan windparken op het eiland Hokkaido, om de wisselvallige windstroom te stabiliseren voordat die het net op gaat.
In de Verenigde Staten werkt ESS Inc, gevestigd in Oregon, aan flowbatterijen op basis van ijzer, zout en water in plaats van vanadium, met als doel de kosten fors te verlagen. Het bedrijf leverde onder meer systemen aan Amerikaanse nutsbedrijven, maar kampte de afgelopen jaren ook met financiële tegenwind, wat illustreert hoe moeilijk het is om deze technologie op te schalen tot een winstgevend bedrijf.
In Europa is Invinity Energy Systems een belangrijke naam: dit Brits-Canadese bedrijf ontstond in 2020 uit een fusie van de flowbatterijbedrijven Avalon Battery en redT energy, en installeerde onder meer vanadiumsystemen bij Britse en Amerikaanse energieprojecten.
Het Australische bedrijf Redflow kiest voor een andere chemie, zink-broom, en levert kleinere, modulaire systemen die onder meer worden ingezet bij telecommunicatiemasten en in afgelegen, van het net losstaande ("off-grid") gemeenschappen in Australië en de Verenigde Staten.
Hoe ver is de techniek?
Vanadium-flowbatterijen zijn het verst ontwikkeld: ze worden al op commerciële schaal gebouwd en ingezet, met projecten van enkele megawattuur tot de honderden megawattuur van het Dalian-project. Toch blijft het een niche vergeleken met lithium-ion, dat wereldwijd de dominante technologie is voor batterijopslag.
De belangrijkste hinderpaal is economisch, niet technisch: vanadium is een relatief schaars en prijsvolatiel metaal, voor een groot deel afkomstig als bijproduct van staalproductie, vooral in China, Rusland en Zuid-Afrika. Wie vanadium moet aankopen voor de elektrolyt, is afhankelijk van een grillige markt, al kan de vanadium na afschrijving van de installatie in principe hergebruikt worden, wat de technologie op lange termijn aantrekkelijker maakt.
Alternatieve chemieën zoals ijzer-flow proberen dat probleem op te lossen met goedkopere grondstoffen, maar zijn nog minder volwassen en hebben in de praktijk te kampen gehad met tegenvallers, zoals de eerder genoemde financiële problemen bij ontwikkelaars. Organische flowbatterijen, waarbij de actieve moleculen niet uit metalen maar uit koolstofverbindingen bestaan, zijn nog vooral onderzoek in laboratoria en kleine proefopstellingen, onder meer aan Harvard University onder leiding van hoogleraar Michael Aziz.
Een ander blijvend nadeel is de lage energiedichtheid: flowbatterijen zijn zwaar en nemen relatief veel ruimte in per opgeslagen kilowattuur, vergeleken met lithium-ion. Dat maakt ze ongeschikt voor auto's of consumentenelektronica, maar minder een probleem voor stationaire toepassingen naast een windpark of onderstation, waar ruimte doorgaans minder kritiek is.
Wie werken eraan?
China is momenteel de belangrijkste speler, met Rongke Power en onderzoek vanuit de Dalian Institute of Chemical Physics, gesteund door grootschalige overheidsprojecten voor netstabilisatie. Japan bouwde met Sumitomo Electric decennialang expertise op en blijft actief in onderzoek en projecten.
In de Verenigde Staten combineren bedrijven als ESS Inc en UniEnergy Technologies commerciële ontwikkeling met onderzoek bij nationale laboratoria; het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Amerikaanse ministerie van Energie geldt als een belangrijk kenniscentrum voor verbeterde vanadium-elektrolyten. Aan universiteiten zoals Harvard wordt gewerkt aan de volgende generatie, metaalvrije flowbatterijen.
In Europa zijn Invinity Energy Systems (VK/Canada) en het Oostenrijks-Canadese CellCube actief, vaak met steun van Europese en nationale subsidieprogramma's gericht op langdurige energieopslag, een onderwerp dat ook in Nederland en de rest van de EU steeds hoger op de agenda staat naarmate het aandeel zon en wind in het elektriciteitsnet groeit.