In onze serie over innovatieve accutechnologie hebben we tot nu toe vooral cellen in traditionele vormen besproken, zoals we die bijvoorbeeld tegenkomen in hybride, plug-in- en elektrische auto's, thuisaccu's en allerhande consumentenapparatuur. In dit deel kijken we naar varianten met een heel andere vorm en functie: flowcellen. Bij flowcellen, ook bekend als 'redoxflowbatterijen', wordt de energie opgeslagen in vloeibare elektrolytoplossingen die zich in externe tanks bevinden. Deze elektrolyten stromen vanuit twee verschillende tanks, een voor de positieve elektrolyt en een voor de negatieve elektrolyt, naar de elektrochemische cel. Daar vindt door middel van een ionuitwisselingsmembraan een chemische reactie plaats die elektrische energie produceert.
Flowcellen onderscheiden zich van de gangbaardere lithiumionaccu's door hun schaalbaarheid en levensduur, wat ze bijzonder geschikt maakt voor grootschalige energieopslag zoals die in de nabije toekomst nodig is voor het elektriciteitsnet. Ze hebben echter een lagere energiedichtheid dan de gangbare LFP- en NMC-lithiumionaccu's, waardoor ze in principe niet geschikt zijn voor draagbare toepassingen.
Uniek voor flowcelaccu's is hun eigenschap om capaciteit en vermogen onafhankelijk van elkaar te schalen. Het vermogen wordt namelijk bepaald door het totale membraanoppervlak en capaciteit door de volumes van de vloeistoftanks. Cellen samenvoegen tot 'stacks' geeft een hogere elektrische spanning. Een grotere oppervlakte van de elektrodes en het membraan geeft een hoger vermogen. En een groter volume van de elektrolytoplossingen, het volume van de tanks, geeft een hogere capaciteit. Dit maakt het mogelijk om de totale capaciteit te vergroten zonder het vermogen te wijzigen en vice versa. Dit is vooral waardevol in toepassingen waarbij langere periodes economisch overbrugd moeten worden (long duration energy storage, ofwel ldes).
In lithiumionaccu's schalen het vermogen en de capaciteit lineair met elkaar, aangezien beide eigenschappen zijn geïntegreerd in dezelfde elektrochemische cel. Dit betekent dat een verdubbeling van de capaciteit automatisch leidt tot een verdubbeling van het vermogen. Deze lineaire schaalbaarheid is een gevolg van ontwerpbeperkingen van lithiumioncellen, waarbij de elektroden en elektrolyten in een vaste, gesloten structuur zijn opgenomen. Daardoor zijn deze twee parameters intrinsiek met elkaar verbonden. Bij flowcellen kan de capaciteit relatief eenvoudig worden opgeschaald door simpelweg de grootte van de tanks te vergroten. Lithiumionaccu's hebben vaste elektroden waarop lithium wordt afgezet tijdens het opladen. Hierdoor is er geen mogelijkheid om vermogen en capaciteit onafhankelijk van elkaar te schalen zoals bij flowcelaccu's.
Een ander verschil is dat de levensduur van flowcellen beduidend langer is dan die van reguliere accu's. Er wordt gesproken van minimaal 10.000 cycli, maar 20.000 zijn ook haalbaar. Dit komt door een scheiding van elektrochemische reacties van de elektroden in combinatie met een verminderde chemische degradatie. Het grote verschil is dat de energieopslag in een vloeistof in plaats van een vaste stof plaatsvindt, waardoor degradatie minder bepaald wordt door het aantal cycli. Flowcellen slijten niet door gebruik, maar door veroudering.
De meeste flowcelaccu's kunnen bovendien tegen volledige ontlading en vertonen ook geen extra slijtage bij 100 procent laden, beide in tegenstelling tot de meeste lithiumionaccu's. Bij lithiumionaccu's leidt de directe interactie tussen elektroden en elektrolyten tot meer degradatie, onder andere doordat er na iedere cyclus wat lithium achterblijft bij de elektroden. Flowcellen hebben geen last van dendrietvorming. De elektrolyten stromen door membraanstacks, wat leidt tot een continue vernieuwing van de elektrolyten en gelijkmatige distributie van ionen. Al met al zijn flowcellen beter geschikt voor langdurige opslagtoepassingen en cyclische belastingen.
Flowcelaccu's worden daardoor steeds vaker gebruikt voor stationaire toepassingen, zoals de opslag van overtollige energie en netstabilisatie, of als offgrid- of noodstroomvoorziening, voor loadleveling en frequentieregeling. Energieopslag wordt de komende jaren steeds belangrijker naarmate de elektriciteitsopwekking steeds meer op zon en wind wordt gebaseerd.
In dit artikel bekijken we hoe dit type accu anders is dan lithiumionaccu's, hoe het werkt, welke varianten er zijn, waarvoor het wel en niet geschikt is en wat van ieder type de voor- en nadelen zijn. Tot slot gaan we in op de rol die deze accu's de komende jaren en decennia kunnen spelen in de energietransitie en of ze ook geschikt zijn als thuisaccu.
Source: Tweakers.net