KANDIDATEN VOOR DE 'NOT THE LI-ION'-BATTERIJ

Een vergelijking van de waterstofbromide- en zinkbromidebatterij

De noodzaak om elektriciteit op te kunnen slaan behoeft geen betoog; de toenemende onbalans tussen vraag en aanbod van groene stroom maakt dit een 'no-brainer'. De vraag is alleen: wie komt als eerste over de finishlijn met een betaalbare opslagmethode? Dat wil zeggen: goedkoper dan de Powerpack van Tesla. Twee kanshebbers beide buiten het laboratorium getest in Nederland worden hier belicht.

Door Ir. Henri Vogelsang, Ing. Fred van Hessen

DE EERSTE VRAAG: WAT DOET DE CONCURRENT?

Tesla's Powerwall en Powerpack zijn oplaadbare lithium-ionbatterijen. De eerste weegt ongeveer 100 kg en kan thuis aan de muur worden gehangen. Een probleem is de prijs: ca. € 2.700 voor de 7 kWh-versie. Daarbij komt nog een omvormer, installatie en btw. De tweede, grootschalige, versie kan 210 kWh opslaan. Op grotere schaal: Southern California Edison heeft vorig jaar een contract getekend met Altagas voor een 'build, own and operate'-opslagfaciliteit met een capaciteit van 20 MWh. Kosten: tussen USD 40 à 45 miljoen, verwachte oplevering: december 2017. Recentelijk zijn om te testen in Nederland twee andere types batterij geïnstalleerd in respectievelijk Deventer en Vierakker. Het betreft de waterstofbromide flowbatterij en de zinkbromide hybrideflowbatterij.

DE FLOWBATTERIJ

Een flowbatterij (ook 'redox-flowbatterij') is eigenlijk een elektrochemische cel (twee compartimenten gescheiden door een ionenselectief membraan). Alleen zijn de elektrolyten niet opgeslagen in de cel, maar in een tank buiten de cel vanwaaruit ze door de cel gepompt worden. De hoeveelheid elektriciteit (kWh), die op deze manier wordt opgeslagen of afgegeven, hangt alleen af van de grootte van de opslagtanks. De snelheid van opname of afgifte (het vermogen, kW) hangt af van de grootte (oppervlak) van de cel. Om de fysieke afmetingen van de cel te beperken, worden meerdere cellen gestapeld tot een stack. Flowbatterijen kunnen dus ontworpen worden met elke willekeurige combinatie van elektrisch vermogen en opgeslagen hoeveelheid energie, waardoor lage opslagkosten per kWh te realiseren zijn. Dat de opgeslagen hoeveelheid energie en het vermogen van het opslagsysteem zijn ontkoppeld, is een unieke eigenschap van de flowbatterij. Hoe groter de opslagcapaciteit, hoe groter het kostenvoordeel wordt ten opzichte van lithium-ionbatterijen.

DE WATERSTOFBROMIDE FLOWBATTERIJ

Waterstofbromide flowbatterij — Bron: J. Electrochem. Soc. 2012 vol. 159 no. 11 A1806-A1815

De elektrolyt in de waterstofbromide flowbatterij is HBr in oplossing met broom in water. Als er op de batterij spanning wordt aangelegd, vindt er een redoxreactie plaats (zie tabel voor de anode- en kathodereacties), waarbij H+-ionen door het protongeleidende membraan getrokken worden, waarna ze een elektron oppikken en zich verenigen tot H₂. Bij het ontladen van de batterij vindt de reactie in de omgekeerde richting plaats. Het protonentransport door het membraan vindt dan in de omgekeerde richting plaats. De bruto chemische reactie die het laden (naar links) en ontladen (naar rechts) weergeeft, is: H₂ + Br₂ ↔ 2 HBr + elektrische energie

Tijdens het laden wordt waterstofbromide omgezet in broom (eigenlijk HBr₃) en waterstof, waardoor de druk in de waterstoftank toeneemt. Het broom blijft ontstaan in de waterige waterstofbromideoplossing, totdat alle waterstofbromide weg is gereageerd. Op dat moment is de batterij volledig geladen en is de waterstofgasdruk maximaal. Tijdens het ontladen wordt broom weer omgezet in waterstofbromide en wordt de waterstof geconsumeerd, waardoor de druk in de waterstoftank weer afneemt.

Doordat de redoxreactie 100% omkeerbaar is, kent het proces intrinsiek geen degradatie, waardoor de opslagcapaciteit na verloop van tijd niet afneemt.

De broom/waterstofbromideoplossing en het waterstofgas circuleren elk aan hun kant van het membraan in de stack. Het is een volledig gesloten proces waar niets in of uit gaat, behalve elektrische energie. Het waterstofbromide is lichtoranje en het broom is donkerrood. Dus ook aan de kleur van de elektrolyt is te zien hoe vol de batterij is.

Het werkingsprincipe van de waterstofbromide flowbatterij komt overeen met een waterstof-zuurstofbrandstofcel, maar door broom te gebruiken in plaats van het minder reactieve zuurstof, stijgt de oplaad- en ontlaadefficiëntie van 35% naar 90% of meer. De al in de jaren 80 aangetoonde levensduur van de HBr flowbatterij is 10.000 oplaad- en ontlaadcycli, maar ligt inmiddels wellicht al veel hoger.

DE ZINKBROMIDE FLOWBATTERIJ

Het basisprincipe van de zink-broombatterij is hetzelfde als van galvanisch verzinken (electroplating): zink slaat neer op de kathode, dus binnen de cel. De elektrolyt wordt wel door de cel gepompt, maar van de ontkoppeling van opslagcapaciteit en vermogen is hier geen sprake, want beide hangen af van de grootte van de stack (d.w.z. het oppervlak van de elektroden). Het is daarom een hybride flowbatterij.

Zowel anolyt als katholyt bestaat uit een oplossing van zinkbromide in water. Tijdens het laden slaat zink neer op het kathodeoppervlak en wordt bromide omgezet in broom bij de anode. Om de dampspanning van het broom te verlagen, wordt het broom gecomplexeerd in een organische fase. Deze reageert omkeerbaar met het broom tot een olieachtige rode vloeistof en reduceert zo de broomconcentratie in de elektrolyt. Het complex wordt opgeslagen in de elektrolyttank. Bij het ontladen wordt de polariteit omgekeerd en vindt het omgekeerde proces plaats: het neergeslagen zink op wat nu de anode is, lost op in de elektrolyt en aan de kathode wordt broom weer omgezet in bromide. De batterij is ontwikkeld door het Australische REDFlow. Broomproducent ICL-IP Terneuzen levert battery grade zinkbromide en de Bromine Complexing Agent (BCA).

De bruto chemische reactie in de zinkbromide flowbatterij is: Zn (s) + Br₂(aq) ↔ 2 Br^- (aq) + Zn²⁺ (aq)

De anode- en kathodereacties zijn beschreven in de tabel. De twee elektroderuimtes van iedere cel worden gescheiden door een membraan. Dit membraan voorkomt dat broom de anode bereikt waar het zou reageren met neergeslagen zink, waardoor de batterij zou ontladen. De capaciteit van de zinkbromide flowbatterij is schaalbaar en de levensduur is zeer groot. Zinkbromide batterijen hebben een energiedichtheid tussen de 34,4 en 54 Wh/kg.

OVEREENKOMSTEN ...

Voor beide technieken geldt dat de energie voor een haast onbeperkte tijd kan worden opgeslagen:

Als de waterstofbromide batterij niet gebruikt wordt, kan de waterstoftank afgesloten worden en kan er geen reactie plaatsvinden, en dus ook geen zelfontlading.

Ook de zinkbromide batterij heeft een veel kleinere zelfontlading dan Li-ionbatterijen en dus minder problemen met de capaciteitsreductie en daardoor een langere levensduur. Bovendien is er geen risico op spontane zelfontbranding en is het elektrolytmengsel chemisch stabiel. De batterij kan volledig ontladen worden bewaard zonder beschadiging.

De belangrijkste chemische componenten van de batterijen (Br₂ en Zn) zijn zeer goedkoop. Dit is een van de belangrijkste sleutels tot de lage opslagkosten per kWh. Broom kan onder andere uit zeewater worden gewonnen, maar de rijkste bron is de Dode Zee.

… EN VERSCHILLEN

Het meest fundamentele verschil ligt in het feit dat bij de zinkbromide batterij het reactieproduct (zink) in de cel opgeslagen wordt, terwijl dat van de waterstofbromide batterij (broom) afgevoerd wordt. De opslagcapaciteit (kWh) van de eerste wordt daarom beperkt door de grootte van de stack. Direct gevolg hiervan is dat de HBr flowbatterij geschikt is voor grotere opslagcapaciteiten (tot meerdere MWh), terwijl de ZnBr₂-batterij zich tot kleinere systemen beperkt (tot max. 600 kWh). De twee bedrijven, die deze technologieën commercialiseren (Elestor en RedFlow), richten zich daarom op verschillende marktsegmenten.

Vergelijking waterstofbromide en zinkbromide flowbatterij

IN DE PRAKTIJK

Het Arnhemse bedrijf Elestor heeft in oktober 2016 een waterstofbromide flowbatterij geïnstalleerd bij het kantoor van Witteveen+Bos in Deventer, die verbonden is met zes innovatieve zonnepanelen, geleverd door ECN. Voorafgaand aan de installatie, was er al zo'n 16.000 uur getest met deze technologie. De testresultaten bevestigen dat er met de waterstofbromide flowbatterij vijf- tot tienmaal goedkoper energie kan worden opgeslagen dan met de lithium-ionbatterij. Er is nu een betrouwbaar systeem, zij het nog op pilotschaal, waarbij een groot deel van de engineering betrekking heeft op de veiligheid.

Recent is een eerste test met een zinkbromide flowbatterij van start gegaan in Vierakker in de Achterhoek bij een boerderij met zonnepanelen. Dit is de eerste stap van REDFlow naar praktijktesten, nadat een vanadiumbatterij van een ander fabricaat (een flowbatterij waarbij vanadium van V²⁺ naar V³⁺ gaat en terug) op dezelfde locatie na een aantal jaren ongeschikt bleek. Met de test moet achterhaald worden welke kostendaling nodig is om de techniek haalbaar te maken en tegen welke knelpunten men in de praktijk aanloopt. Nieuwe ontwikkelingen zitten vooral in de cell-stacks. De afdichting daarvan moet goed gewaarborgd zijn, zodat er geen lekkage optreedt. Er is hierbij sprake van twee media met een membraan ertussen. De productie van de platte cellen die in de cell-stacks worden geplaatst, is nu nog handmatig en dus kostbaar.

Op termijn zullen de kosten door opschaling en robotisering sterk omlaag kunnen. Als de kosten voldoende omlaag kunnen, kan er geconcurreerd worden met de (deels) concurrerende technologie zoals de waterstofproductie.

VOORLOPIG NIET ALS ACCU VOOR DE AUTO

Voor mobiele toepassingen moet de energiedichtheid sterk omhoog. Het is de vraag of dit kan. Hier heerst Tesla (ter vergelijking: de klassieke loodaccu heeft een energiedichtheid van 30-40 Wh/kg en de Li-ionaccu meer dan het dubbele). Voor stationaire toepassingen worden de pilotsystemen nu opgeschaald naar grotere vermogens en hogere capaciteiten. In 2018 worden de eerste grote systemen van Elestor geïnstalleerd, de eerste op de Gemeentewerf van Emmeloord. In de toekomst wordt er gedacht aan toepassingen ter grootte van hele woonwijken, ziekenhuizen, bedrijven en industrieterreinen. Vermogens van de Elestor systemen starten bij 50 kW en kunnen tot enkele MW's opgebouwd worden. Ook voor de toekomstige stroominfrastructuur van bijvoorbeeld een getijde installatie is het potentieel enorm. Doordat de energieafname dan ver van de opwekking af ligt, is opslag bij de centrale interessant.

IN DE PRIJZEN

Elestor heeft met de HBr flowbatterij vorig jaar de Jan Terlouw Ambition Award gewonnen voor het meest veelbelovende innovatieve bedrijf op het gebied van energie en klimaat.
In mei 2017 is aan Elestor in Berlijn de Europese IDTechEx Award toegekend voor 'Best Technical Development in Energy Storage'.
In 2016 nomineerde de VNCI de batterij techniek van RedFlow voor de Responsible Care-Award.

REFERENTIES

Leendert van der Ent, ICL test Zink-bromide batterij bij 'Fotonenboer', Chemie magazine, april 2017, pg 14-17
E. G. Haile, H₂/Br₂ Flow Battery System Architecture and Control System Analysis, master thesis, oktober 2015
Flow batteries maken het mogelijk om zeer lage opslagkosten per KWh te realiseren, interview met Wiebrand Kout, oprichter Elestor, uit Plus Business, 14 november 2016
www.elestor.nl/technology/fundamentals
Pilot met waterstofbromide flowbatterij officieel van start, Witteveen en Bos nieuws, 8-11-2016

Een vergelijking van de HBr en ZnBr flowbatterij