Zink-broombatterij: energieopslag met metaal, broom en vloeistoftanks
Stel je twee grote jerrycans voor, gevuld met een heldere, zoutachtige vloeistof, verbonden met een klein apparaat vol elektroden en een pompje. Zolang die vloeistof rondgepompt wordt, kan het apparaat stroom opwekken of juist opslaan. Dat is in de kern een zink-broombatterij: geen compact blokje zoals de accu in je telefoon, maar een systeem waarbij de energie in vloeibare vorm in tanks zit opgeslagen. Wil je meer energie kunnen opslaan? Dan neem je gewoon grotere tanks, net zoals een auto verder kan rijden met een grotere brandstoftank.
De naam verraadt de twee hoofdrolspelers: zink, een gewoon en goedkoop metaal dat je ook in batterijen en dakgoten tegenkomt, en broom, een roodbruine, bijtende vloeistof die tot het element behoort dat scheikundigen 'halogenen' noemen. Tijdens het opladen en ontladen wisselen deze twee stoffen voortdurend van vorm, en daarbij stroomt er elektrische stroom. Zink-broombatterijen worden niet gebruikt in auto's of telefoons, maar vooral in vaste installaties: bij zonneparken, telecommasten en microgrids (kleine, vaak lokale elektriciteitsnetjes die ook zonder het grote net kunnen functioneren).
Wat is het precies?
Een zink-broombatterij behoort tot de familie van 'flowbatterijen' (doorstroombatterijen). Bij een gewone batterij, zoals een lithium-ionaccu, zit de energie opgeslagen in vaste elektrodemateralen binnen de cel zelf. Bij een flowbatterij zit de energie in een vloeistof, de elektrolyt, die in aparte tanks buiten de cel wordt bewaard en er doorheen gepompt wordt. Dat heeft een praktisch voordeel: het vermogen (hoe snel je kunt laden en ontladen, gemeten in kilowatt) hangt af van de grootte van de cel met elektroden, terwijl de energiecapaciteit (hoeveel uur je stroom kunt leveren, gemeten in kilowattuur) simpelweg afhangt van de grootte van de tanks. Beide kun je dus onafhankelijk van elkaar dimensioneren, iets wat bij een lithiumbatterij veel lastiger is.
De elektrolyt in een zink-broombatterij is een oplossing van zinkbromide (ZnBrâ‚‚) in water. Tijdens het opladen gebeuren er twee dingen tegelijk. Aan de ene elektrode (de negatieve) slaat zink neer als een dun laagje vast metaal, een proces dat lijkt op galvaniseren of verchromen. Aan de andere elektrode (de positieve) worden bromide-ionen omgezet in elementair broom (Brâ‚‚), een zware, giftige en corrosieve vloeistof.
Dat vrije broom is het lastigste onderdeel van deze technologie. Om te voorkomen dat het als agressieve, vluchtige stof in de tank blijft ronddrijven, wordt er een zogeheten complexeringsmiddel toegevoegd: een organische stof (meestal een kwaternair ammoniumzout) die zich aan het broom bindt. Daardoor ontstaat een zware, olie-achtige broomcomplex-vloeistof die naar de bodem van de tank zakt en apart wordt opgeslagen, gescheiden van de rest van de elektrolyt. Dit vermindert het risico op broomdampen en remt ook de zelfontlading van de batterij. Bij het ontladen keert het proces om: het vaste zink lost weer op in de elektrolyt, het broomcomplex geeft zijn broom weer af, en de reactie tussen beide levert elektrische stroom op.
Omdat het zink als vaste stof neerslaat op een elektrode, terwijl het broom in vloeibare vorm door de tanks blijft stromen, wordt de zink-broombatterij een 'hybride flowbatterij' genoemd. Dat onderscheidt haar van 'echte' redox-flowbatterijen, zoals de bekendere vanadium-flowbatterij, waarbij beide actieve stoffen steeds opgelost blijven en nooit als vaste stof neerslaan.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste ambitie is betaalbare, veilige opslag van energie voor meerdere uren achtereen, vooral om zonne- en windstroom te kunnen bufferen. Als de zon niet schijnt of de wind niet waait, moet er iets anders inspringen; batterijen die urenlang, in plaats van slechts enkele minuten, vermogen kunnen leveren zijn daarbij onmisbaar.
Zink en broom zijn allebei relatief goedkope en op grote schaal beschikbare grondstoffen, in tegenstelling tot bijvoorbeeld lithium, kobalt of vanadium, waarvan de wereldwijde voorraden en winning meer beperkt zijn. Dat maakt de technologie in theorie aantrekkelijk voor grootschalige, langdurige opslag waarbij de kostprijs per opgeslagen kilowattuur zwaarder weegt dan compactheid.
Een ander doel is veiligheid: de elektrolyt is waterig en niet brandbaar, in tegenstelling tot de organische, brandbare elektrolyten in lithium-ionbatterijen. Zink-broomsystemen kunnen bovendien, anders dan de meeste lithiumbatterijen, herhaaldelijk volledig worden leeggetrokken (diepontlading) zonder dat de levensduur daar sterk onder lijdt. Tot slot is het idee dat vermogen en energie los van elkaar te schalen zijn aantrekkelijk voor netbeheerders en bedrijven die specifiek op zoek zijn naar veel opslaguren, zonder daarvoor onnodig veel dure vermogenselektronica te hoeven bijplaatsen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Australische bedrijf RedFlow, opgericht in 2005 en genoteerd aan de Australische beurs (ASX), is een van de bekendste huidige producenten. De ZBM2- en ZBM3-modules van RedFlow worden onder meer gebruikt als noodstroomvoorziening voor telecommasten, in microgrids op afgelegen locaties en in combinatie met zonnepanelen voor commerciële en residentiële opslag, met projecten in Australië en de Verenigde Staten.
Gelion, een spin-off van de Universiteit van Sydney rond scheikundig hoogleraar Thomas Maschmeyer, ontwikkelde een 'gel'-variant van de zink-bromidetechnologie, vermarkt onder de naam Endure. Het bedrijf ging in 2021 naar de beurs in Londen (London Stock Exchange) en richt zich vooral op telecom- en off-grid toepassingen, waarbij de gelvormige elektrolyt moet helpen om lekkage en zinkdendrieten (naaldvormige uitgroeisels die kortsluiting kunnen veroorzaken) te beperken.
In de Verenigde Staten ontwikkelde Primus Power de EnergyPod, een zink-bromide flowbatterij bedoeld voor netgekoppelde opslagprojecten; het bedrijf was met name in de jaren 2010 actief in demonstratieprojecten voor elektriciteitsbedrijven.
De wortels van de technologie liggen verder terug: al in de jaren zeventig deed Exxon Research and Engineering in de VS baanbrekend onderzoek naar zink-broomcellen, en in de decennia daarna experimenteerden onder meer het Amerikaanse Johnson Controls en het Japanse Meidensha met de technologie, destijds soms zelfs met het oog op elektrische voertuigen — een toepassing die uiteindelijk vooral door lithium-ionbatterijen is overgenomen.
Hoe ver is de techniek?
Zink-broombatterijen zijn geen laboratoriumcuriosum: de technologie bestaat al zo'n vier decennia in verschillende commerciële vormen en wordt op beperkte schaal daadwerkelijk verkocht en geïnstalleerd. Toch blijft het een nichetechnologie. Lithium-ionbatterijen domineren de markt voor stationaire opslag dankzij hun hogere energiedichtheid, hoger rendement en snel dalende kostprijs door massaproductie, vooral gedreven door de autosector.
De obstakels voor zink-broom zijn vooral technisch en economisch van aard. Het rendement (de verhouding tussen ingestopte en teruggewonnen energie) ligt doorgaans lager dan bij lithium-ionbatterijen, met verliezen die deels ontstaan door de pompen die nodig zijn om de elektrolyt rond te laten stromen. Bij herhaald opladen kan zink onregelmatig neerslaan in naaldvormige structuren, zogeheten dendrieten, die het membraan tussen de twee elektroden kunnen beschadigen en zo de levensduur beperken. Het werken met broom vereist bovendien zorgvuldige afdichting en materiaalkeuze vanwege de corrosieve en giftige eigenschappen ervan, wat de productie duurder maakt dan de eenvoud van de grondstoffen zou doen vermoeden. Verschillende pioniers in dit veld hebben in de afgelopen decennia financieel moeten herstructureren of van koers moeten veranderen, wat laat zien dat commercieel succes in deze niche allesbehalve vanzelfsprekend is.
Recente ontwikkelingen richten zich vooral op betere membranen, elektrolytadditieven die dendrietvorming afremmen, en gel- of pasta-achtige elektrolytformules — zoals bij Gelion — die de veiligheid en hanteerbaarheid moeten verbeteren.
Wie werken eraan?
Naast de eerdergenoemde bedrijven RedFlow, Gelion en (historisch) Primus Power, ZBB Energy, Exxon, Johnson Controls en Meidensha, wordt er ook binnen onderzoeksinstituten aan flowbatterijtechnologie gewerkt, waaronder aan zink-gebaseerde chemieën. In de Verenigde Staten doet het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), fundamenteel onderzoek naar flowbatterijchemie in bredere zin. Universiteiten in Australië (met de Universiteit van Sydney als opvallend voorbeeld via Gelion), de Verenigde Staten en China houden zich bezig met verbeteringen aan elektrolyten, membranen en celontwerp.
Op landenniveau springt Australië eruit als centrum van commerciële activiteit rond zink-broomtechnologie, mede dankzij de aanwezigheid van RedFlow en Gelion. De Verenigde Staten hebben een langere onderzoeksgeschiedenis op dit gebied, deels gefinancierd via overheidsprogramma's gericht op netstabiliteit en langeduuropslag. China investeert breder in flowbatterijproductie, met vanadium als grootste focus, maar ook met aandacht voor goedkopere zinkchemieën.