Onze samenleving draait meer en meer op hernieuwbare energie. Om de volgende stap te zetten en ook langere periodes met weinig zon en wind te overbruggen, hebben we nood aan langdurige energieopslag. Een nieuw type batterij kan hierin een hoofdrol spelen.
Stel je voor: het is december 2046 in Vlaanderen. De zon heeft zich wekenlang niet laten zien, de windmolens staan stil. Elektrische vliegtuigen blijven aan de grond, fabrieken draaien op een laag pitje en zelfrijdende auto’s wachten werkloos aan hun laadpaal. Is dit een doemscenario, of kunnen we dit voorkomen?
Waarom onze huidige batterijen niet volstaan
Voor een samenleving die grotendeels op hernieuwbare energie draait, is energieopslag cruciaal. Eerst en vooral is het nodig om de productie van wind- en zonne-energie voorspelbaar en stabiel te maken, zodat een wolk voor de zon ons niet in de problemen brengt. De productie en het verbruik van elektriciteit moeten immers op elk moment in balans zijn. Batterijen zorgen momenteel al voor een buffer die het overschot opslaat en het tekort aanvult. Maar hoe meer we inzetten op hernieuwbare energie, hoe langer we energie moeten kunnen opslaan zodat we ook windstille dagen en bewolkte weken zonder problemen kunnen overbruggen.
Het type batterijen in onze smartphones en elektrische auto’s (lithium-ionbatterijen) is zeer krachtig, maar waarschijnlijk te duur voor grootschalige langdurige opslag van hernieuwbare energie. Daarvoor is een ander type batterij, de zogenaamde redox flow batterij, wellicht geschikter. Het speciale aan deze batterij is dat de energie niet wordt opgeslagen in een vaste stof, maar wel in een vloeistof, of juister gezegd: in een actieve stof die opgelost is in een vloeistof.
Hoe werken redox flow batterijen?
Elke batterij zet chemische energie om in elektriciteit via een chemische reactie in een zogenaamde elektrochemische cel. Bij klassieke batterijen zitten de actieve stoffen vast in de cel. Bij een flow batterij zijn ze opgelost in vloeistoffen die je door de cel kunt pompen en in aparte tanks kunt opslaan. Als je dan in de toekomst energie wil kunnen opslaan gedurende dagen in plaats van uren, kan je gewoon extra tanks met actieve stoffen toevoegen, zonder dat je ook extra cellen moet toevoegen. Dit maakt redox flow batterijen mogelijk goedkoper voor lange duur energieopslag.
Vandaag gebruiken bijna alle redox flow batterijen vanadium als actieve stof. Vanadium is een metaal dat vrij veel voorkomt in de aardkorst (bv. dubbel zo veel als koper), maar op dit moment gebeurt ¾ van de productie (mijnen) in China en Rusland. In geopolitiek onstabiele tijden lijkt het dus geen goed idee om hier blind op te vertrouwen. Bovendien heeft het ontginnen van vanadium, zoals alle mijnen, een negatieve impact op het milieu en zijn bepaalde vanadiumverbindingen giftig. Daarom zoeken onderzoekers wereldwijd naar alternatieven. Een veelbelovende piste zijn organische moleculen die geschikt zouden kunnen zijn voor energieopslag in redox flow batterijen. Deze organische moleculen kunnen geproduceerd worden in een chemische fabriek eender waar ter wereld. En in het beste geval kunnen we gebruik maken van plantaardig materiaal of zelfs afval.
Organische redox flow batterijen, een betrouwbaar alternatief?
Uiteraard wil je zoveel mogelijk energie kunnen opslaan per liter of kilogram materiaal, dit noemen we energiedichtheid. Die energiedichtheid hangt af van de actieve stof die je gebruikt om de energie op te slaan maar ook van het vloeibare oplosmiddel waarin je dit oplost. Zo is het belangrijk dat het oplosmiddel zoveel mogelijk van de actieve stof kan oplossen om zoveel mogelijk energie op te slaan. Maar doe een keer wat klontjes suiker in je koffie. Je zal merken dat de suiker niet oneindig oplosbaar is. Na enkele klontjes blijft de suiker op de bodem van je kopje liggen en lost niet meer op. Daarnaast is het ook belangrijk dat dit vloeibare oplosmiddel zelf niet meedoet aan de reactie. Enkel de actieve stoffen horen te reageren in de cel.
Bijna alle redox flow batterijen gebruiken water als vloeibaar oplosmiddel. Water is immers goedkoop, overal beschikbaar, niet brandbaar en niet giftig. Een nadeel van water is echter dat het wel kan reageren in de cel. Als de spanning van de batterij te hoog wordt (boven 1.23V) zal water immers ontbinden in waterstof en zuurstof. Daardoor is de spanning van de batterij dus beperkt, terwijl een hogere spanning wel tot een hogere energiedichtheid leidt. Je zou eigenlijk liefst met hogere spanningen werken om meer energie te kunnen opslaan.
Daarom doen we bij VITO onderzoek naar redox flow batterijen, waarvan zowel de actieve stoffen als de vloeistof waarin ze opgelost zijn, organisch zijn. Deze vloeistoffen zullen zeker duurder zijn dan water, maar het is de bedoeling dat er ook veel meer energie in kan opgeslagen worden zodat je uiteindelijk toch goedkoper uitkomt. Ons onderzoek zit momenteel nog in het beginstadium. Zo hebben we een aantal organische moleculen geïdentificeerd waarvan we weten dat ze stabiel zijn in de omstandigheden die van belang zijn voor gebruik in een redox flow batterij. Dat betekent dat ze niet spontaan allerlei reacties zullen ondergaan die ervoor zorgen dat ze onbruikbaar worden, zoals wijn die ‘vanzelf’ verandert in azijn.
In een tweede stap testen we deze moleculen om te zien of ze geschikt zijn voor energieopslag. Dit doen we door ze afwisselend te oxideren en te reduceren. Oxideren is een reactie waarbij de actieve stof elektronen afstaat en reduceren is een reactie waarbij de actieve stof elektronen opneemt. Deze elektronen zorgen er dan voor dat er stroom loopt. De naam ‘redox flow batterij’ verwijst trouwens naar dit proces van afwisselend reduceren en oxideren.
Enkel wanneer de moleculen tientallen keren afwisselend geoxideerd en gereduceerd kunnen worden zonder dat er daarbij andere ongewenste reacties optreden, zijn ze mogelijk geschikt voor energieopslag. Het is immers de bedoeling dat je de batterij duizenden keren kan laden en ontladen zonder te veel capaciteitsverlies. Met de moleculen die deze test doorstaan gaan we verder aan de slag. Door hier kleine aanpassingen aan te doen, kunnen we ze beter oplosbaar maken om de energiedichtheid nog te verhogen en we kunnen ze ook nog stabieler maken.
Op die manier zorgen we ervoor dat we wind- en zonne-energie kunnen opslaan in batterijen die volledig in Europa geproduceerd kunnen worden. Zo bouwen we aan een toekomst waarin hernieuwbare energie niet alleen schoon maar ook betrouwbaar is.
