Stroom opslaan in een vloeistof

Voor je laptop of fiets heb je aan een relatief kleine batterij genoeg. Maar voor de opslag van de overtollige stroom uit een wind- of zonnepark is een veel grotere capaciteit nodig. Met gewone batterijen loopt de prijs dan snel op. Daarom werkt Edwin Otten aan een ander soort batterij, waarbij de stroom in grote vaten vol vloeistof zit: dat zou de batterij een stuk goedkoper maken. Om zo’n batterij effectief en betaalbaar te maken is nog wel veel onderzoek nodig.

Grootschalige opslag helpt om het stroomnet stabiel te houden: zon- en windenergie is in wisselende hoeveelheden beschikbaar en is niet af te stemmen op de vraag. Grote batterijen kunnen een buffer vormen, ze slaan overtollige stroom op en geven het af wanneer de vraag groter is dan het aanbod. Maar de meeste grote batterijen bestaan uit een heleboel kleintjes bij elkaar. Het maken en samenvoegen van al die kleine batterijtjes is relatief duur. De flow-batterij doet dat anders. Die bestaat uit twee grote ‘vaten’ met een vloeistof, één negatief en één positief. Een grotere batterij bestaat simpelweg uit grotere vaten.

Twee vaten

De lading van de flowbatterij ontstaat als de vloeistof langs een reactor wordt gepompt, die ervoor zorgt dat deze een negatieve lading of positieve krijgt. De reactor kan ook de lading uit de twee vaten weer omzetten in stroom, net als een gewone oplaadbare batterij.

Het voordeel van een flow-batterij is dat het gemakkelijk opgeschaald kan worden. Daarnaast kun je een flowbatterij volledig ontladen of helemaal opladen, iets dat bij gewone batterijen schadelijk is – daarom heeft je telefoon een app die zorgt dat het opladen stopt bij 80 procent, en bij 20 procent waarschuwt dat je de lader tevoorschijn moet halen. In een flowbatterij heeft een cyclus van laden en ontladen ook nauwelijks schadelijke gevolgen, waardoor de verwachte levensduur op zo’n twintig jaar ligt.

Op zoek naar de beste vloeistof

Dat klinkt allemaal mooi, maar er zijn ook nadelen, vertelt hoogleraar Moleculaire Energie Materialen Edwin Otten. ‘De flowbatterij werkt met opgeloste stoffen, maar de hoeveelheid die je in een vloeistof kunt oplossen is beperkt. Daarom is de energiedichtheid van een flowbatterij lager dan een gewone batterij.’ Ook is er een pomp nodig om de vloeistof rond te pompen, en dat kost energie. ‘De efficiëntie van laden en ontladen is in een flowbatterij ongeveer 75 tot 80 procent, zo’n tien procent lager dan in een lithiumbatterij.’

Inmiddels staan er op enkele plaatsen in de wereld flowbatterijen die werken met een oplossing van het metaal vanadium, dat wel een aanvaardbare energiedichtheid heeft. ‘Alleen wordt dit maar op een paar plekken gewonnen, dus de prijs voor vanadium ligt vrij hoog. En als er meer vraag komt zal die nog verder stijgen’, vertelt Otten. Daarom zoekt hij naar goedkopere verbindingen die de stroom net zo goed kunnen opslaan, zoals eenvoudig te maken organische moleculen. Drie jaar geleden publiceerde hij resultaten van een onderzoek waarin hij zo’n organische vloeistof ontwikkelde.

‘Daarmee hebben we aangetoond dat het kan’, vertelt Otten. ‘Maar de energiedichtheid van de vloeistof die we maakten was nog te laag, ook omdat het voltage te laag was. Dat moet nog drie tot vier keer hoger worden.’ Met zijn team blijft hij daarom zoeken naar nieuwe moleculen die de energie beter kunnen opslaan. ‘Het elektrische gedrag van allerlei moleculen is redelijk te voorspellen op basis van wat we weten over hun eigenschappen. Het is lastiger om te voorspellen hoe stabiel ze zijn in een batterij.’

Moleculen monitoren

In veel proeven bleek de capaciteit van kansrijke moleculen toch te snel terug te lopen. ‘Dan willen we weten wat er precies met ze gebeurt. We werken aan een systeem waarmee we de moleculen in de vloeistof voortdurend kunnen monitoren.’ Een andere uitdaging is om snel te kunnen zien of ze op lange termijn stabiel blijven. ‘Dat zou bijvoorbeeld kunnen door de temperatuur te verhogen, dan lopen allerlei processen sneller. Alleen krijg je dan ook te maken met andere zaken, zoals verdamping.’

In Nederland wordt aan verschillende typen gewerkt door startups, en het is nog niet duidelijk wat de winnaar zal zijn. Otten: ‘Het is een nieuwe techniek, dus er zijn nog allerlei problemen die we moeten oplossen.’ En daar blijft hij aan werken. ‘Dit is belangrijk voor de stabiliteit van ons stroomnet.’