Een van de grote uitdagingen voor de duurzame samenleving is energieopslag. Misschien hebben we ooit voldoende capaciteit uit zonne- en windenergie. Maar duurzame energie kan efficiënter in het elektriciteitsnet worden ingevoerd als er een manier is om deze op grote schaal op te slaan om zo ook soepel productieschommelingen op te vangen.
Deze week kondigde de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) een mogelijke oplossing aan voor zowel schone waterstofproductie als energieopslag op grote schaal. Het gaat om een wijziging van een van de vloeistoffen in de tanks van de zogenaamde redox-flowbatterij.
Wij spraken met Hubert Girault, hoogleraar analytische en fysische elektrochemie aan de EPFL en de man achter de nieuwe ontwikkeling. Girault is ook betrokken bij het Zwitserse H2Valais, een technologiebedrijf dat werkt aan een waterstofinfrastructuur voor mobiliteit in Zwitserland.
Om te beginnen, wat is een redox-flowbatterij?
Redox-flowbatterijen bestaan uit twee tanks die van elkaar gescheiden zijn door een elektrochemische cel. Twee sterk geleidende elektrolytvloeistoffen – één aan de positieve kant, één aan de negatieve kant – circuleren door de tanks en langs de cel om een chemische reactie op gang te brengen waarbij elektronen worden uitgewisseld. De negolyte- en posolyte-oplossingen worden van elkaar gescheiden door een membraan. Deze batterijen slaan energie op in elektrochemische vorm.
Waarin verschillen zij van de gewone lithium-ion batterijen?
De lithium-ion-batterij slaat ook energie op in elektrochemische vorm, maar dan binnen de elektrode van zijn eigen structuur. Een van de nadelen van lithium-ionenbatterijen is dat deze types onderhevig zijn aan chemisch verval en dat hun capaciteit dus na verloop van tijd afneemt. Redox-flowbatterijen hebben een veel langere levensduur en zijn zeer flexibel. Hoe groter de tanks, hoe groter de capaciteit. Dergelijke batterijen zijn natuurlijk niet bedoeld voor thuisgebruik. Om een idee te krijgen, in onze testopstelling in Matigny bedraagt het volume van elke tank meer dan 10 kubieke meter.
In ieder geval, de redoxbatterij is niet nieuw. Wat is de doorbraak?
De meest gebruikelijke oplossingen van redox-flowbatterijen maken gebruik van vanadium. Wereldwijd zijn er wel 30 bedrijven die vanadium-flowbatterijen ontwikkelen. Onze bijdrage is dat wij een van de oplossingen van de vanadiumbatterij hebben veranderd zonder de structuur te veranderen. De negolyte bevat vanadiumzout in zwavelzuur. Maar in de posolyte hebben we een mengsel van mangaan en vanadiumzout in zwavelzuur.
Wat is het voordeel?
Een voordeel is dat mangaan het op 12 na meest voorkomende element in de aardkorst is en minder problemen oplevert bij het delven dan bijvoorbeeld lithium. Het gebruik van mangaan in de posolyte zou de prijs van de batterij moeten verlagen in vergelijking met die van een volledig-vanadiumbatterij.
Conventionele redoxbatterijen kunnen geen energie meer opslaan wanneer zij volledig zijn opgeladen. In ons systeem echter kan de batterij, zodra zij volledig is opgeladen, vloeistof afvoeren naar externe reactoren. Deze genereren op hun beurt waterstof, die kan worden opgeslagen en later kan worden gebruikt, waardoor opslagruimte in de batterij vrijkomt.
Is waterstof de toekomst in mobiliteit?
Misschien niet voor particulier vervoer in Europa. Automobilisten leggen daarvoor over het algemeen te korte afstanden af. Waterstof is wel zinvol voor langeafstandsvervoer en vrachtvervoer. Met de huidige oplossing voor waterstofproductie hoef je geen grote hoeveelheden waterstof op te slaan bij het benzinestation.
Afgezien van mobiliteit heeft waterstof vooral een toekomst als energiedrager. Elektriciteit is moeilijk over zeer lange afstanden te vervoeren. Als de af te leggen afstand meer dan een paar honderd kilometer is, wordt verlies een probleem. Waterstof daarentegen is een goede vector voor lange afstanden, hetzij via pijpleidingen, hetzij vervoerd als vloeibare waterstof.
Zijn er nadelen aan de mangaan-vanadium-flowbatterij?
De batterij heeft een relatief hoge kostprijs en de energiedichtheid is laag. De batterijproductie moet op grote schaal worden geïndustrialiseerd om de kosten te verlagen.
Wat zal er gebeuren na deze proof to concept?
We moeten nu industriële oplossingen ontwerpen en produceren, namelijk tankstations om elektrische en brandstofcelvoertuigen op te laden. Dit soort tankstations kost een paar miljoen euro per stuk. Om 1000 van dergelijke stations te installeren, heb je het over een investering van enkele miljarden euro.
Is uw uitvinding uniek?
Je kunt het niet echt een uitvinding noemen. Het is meer het resultaat van een ontwikkeling na jaren van onderzoek. Er zijn veel manieren om een batterij te ontwerpen maar zeer weinig methoden om waterstof te produceren. Op dit ogenblik is ons project het eerste systeem dat in staat is elektriciteit op te slaan en waterstof te produceren op aanvraag op dezelfde plaats.
Lees via deze link meer artikelen over redox-batterijen
