Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - De nikkel-ijzer batterij vergt geen zeldzame aarde, geen exotische of strategische materialen, geen zware metalen noch zuur. Gewoon nikkel en ijzer en een alkalische ‘elektrolyt’. De batterij kan noch overladen, noch onderladen worden. Hij laadt stroomstoten op en geeft stroomspurtjes weg. En... hij slijt niet. Een groene batterij.
«Er hangt een mythische sfeer rond de NiFe-batterij en zijn voordelen. Het lijkt wel een hoax. Dat maakt het juist moeilijk om er hier mee de markt op te gaan. We beginnen dan ook bescheiden met kleinere systemen», zegt Sam De Prins bij Stafco op het Dendermondse Hoogveld. Het familiebedrijf is sinds kort exclusief invoerder voor de Benelux en Frankrijk van Chinese NiFe-batterijen.
«Uiteindelijk willen we niet alleen woningen maar ook bedrijfsprocessen ermee uitrusten. De eerste systemen zijn verkocht in Frankrijk. Hier lopen de eerste dimensioneringsgesprekken. We staan op de Intersolar-beurs in München met een aanvalsplan.»
Back to the future?
Uitvinder ‘par excellence’ Thomas Alva Edison patenteerde de technologie van de nikkel-ijzer batterij een eeuw geleden. Zijn doel was voor de elektrische wagens van die tijd een batterij te ontwikkelen die lichter en duurzamer was dan de toen nog onbetrouwbare lood-zuur batterij. Het vergde hem tien jaar aan O&O.
Zijn herlaadbare alkali-batterij was opgebouwd uit ijzer (anode) en nikkeloxide (kathode) elektrodes met een elektrolyt van potassium hydroxide. Uiteindelijk werd de batterij niet ‘lichter’ maar hij was wel bestand tegen overladen en tegen diep ontladen. Zwaarder en groter dan een loodzuur batterij -want iets minder krachtig- werd hij niet bepaald een succes in automotive.
Hij was ook een pak duurder dan een loodzuurbatterij. Maar vooral was de hele auto-industrie op heel korte tijd weggeschoven van elektrische aandrijving naar de verbrandingsmotor. De NiFe-batterij trok het wel in industriële, vooral stationaire toepassingen. En op duikboten, bijvoorbeeld. In China dienen ze al jaren vooral voor noodverlichting, in metrostations en bij onstabiele netten.
De batterijen varen nu in een container naar Dendermonde waar Stafco de elektrolyt toevoegt voor ze naar de installateurs te schuiven.
Batterijen die een UPS 30 jaar trekken
«We gaan de markt op met een afgewerkt product», zegt De Prins. «Een NiFe-batterijbank, die niet vijf jaar maar dertig jaar meegaat, biedt een blijvende meerwaarde voor een woning of bedrijf.»
Zo’n stroomsysteem vrijwaart niet alleen voor de fluctuaties op het net. De stroom uit omvormers is veel zuiverder dan die van het net. De spanning is constant tot op een tiende van een volt. «Het voorkomt ook dat je proces onderbroken wordt.» Bij sommige industriële processen kan je je een onverwachte stop niet permitteren. Hij denkt aan freesbanken, 3D-printertoepassingen,...
«Voor wie PV-energie op overschot heeft, zijn er mogelijkheden zat. Je hoeft voortaan geen noodgenerator meer voor het geval het net uitvalt. In noodgeval -te weinig zon- gebruik je het net om op terug te vallen.» In Duitsland is er subsidie voor wie zijn zonnestroom buffert. Maar het ontbreken van subsidies hier en ook het betalen voor het dubbelgebruik van het net spelen Stafco zelfs in de kaart, meent De Prins.
Demosysteem
In zijn bedrijfslokalen heeft Stafco een UPS-opstelling op NiFe-batterijen. Het demosysteem trekt de verlichting in de winkel - LED-buizen - en twee computersystemen en loopt al 400 dagen. De energie uit 6 fotovoltaïsche panelen -samen 1.000 Wp- wordt opgeslagen in twee keer 10 NiFe-cellen, samen goed voor 12V-200Ah.
Was er te weinig zon overdag dan spreekt Stafco het net aan om de batterijen bij te laden. Je kan ‘s nachts op nachttarief laden. Voor de stroom die je panelen overdag opwekken en die je aan het net afgeeft, krijg je echter minder dan wat je ‘s nachts van het net verbruikt. Stop je overdag de overschot in een batterijbank om daarmee je nachtverbruik te trekken, dan win je.
Tussen de zonnepanelen, het net en de batterij hangen een zonneregelaar en een Xtender-omvormer van het Zwitserse Studer-Innotec. De ‘zonneregelaar’ regelt de variabele spanning van het paneel naar 230V voor het net of de laadspanning voor de 12V batterijbank. De ‘omvormer’ schakelt de 12V gelijkstroom om naar 230V wisselstroom.
Je kan de batterijbank laden via een omvormer maar omdat je dan eerst de spanning optrekt naar 230V om die vervolgens naar 12V terug te brengen voor de lader, is er efficiëntieverlies. «Het is beter een zonneregelaar tussen de PV-panelen en de batterijbank te plaatsen die de zonne-energie rechtstreeks op gelijkstroom doorstuurt naar de accu.»
De opstelling kost een slordige 10.000 euro. Wie helemaal net-onafhankelijk wil zijn, heeft in de winter wel drie keer meer PV-panelen nodig en een omvormer die een maatje of twee groter is.
Toepassing in slim netwerk?
Stafco schreef de NiFe-batterij in voor een Tetra-studie naar het decentraliseren van het elektriciteitsnet en de smart grid-problematiek. Dit IWT-project wordt uitgevoerd met LEMCKO, het elektrotechnisch expertisecentrum voor Energie en Power Quality verbonden aan Howest, de hogeschool West-Vlaanderen, in Kortrijk.
LEMCKO heeft een ‘teststraat’ met een mini-GRID, een wijk met huizen en huishoudtoestellen die het in het labo nabouwde en waarop het realistische testen uitvoert. «Mijn batterij - goed voor 400Ah - is er nu deel van de test.» NiFe-accucellen lopen op 1,2 V. Om aan 12V te geraken heb je dus 10 NiFe-cellen nodig. Voor de industriële testen op 48V zijn er 40 NiFe-cellen nodig. Ter vergelijking: een klassieke loodbatterij komt aan 2V per cel. Voor 12V zijn er 6, voor 48V zijn er 24 cellen nodig.
Aan de Gentse Hogeschool loopt ook een uithoudingstest op één NiFe-cel. Dagelijks wordt de cel - 30 Ah - drie of vier keer geladen en ontladen terwijl de efficiëntie gemonitord wordt. «5.000 tot 10.000 cycli mogen de efficiëntie van de cel niet aantasten.» Loodbatterijen haken tien keer eerder af. Lithium komt helemaal niet in de buurt. «Zeker niet als de gebruiker even buiten het pad fietst.» En dat gebeurt ook slag om slinger, is de ervaring van De Prins. Waarom? «Wie een batterijbank aanschaft, laat die doorgaans kleiner dimensioneren dan waarvoor ze uiteindelijk gebruikt en belast wordt.» Daarom toog hij op zoek naar het robuustere NiFe-alternatief.
Overleveraccu
Elke NiFe-cel komt met een spanning van 1,2V. De grootste celmaat NiFe is op dit ogenblik 1200 Ah. Daarboven maakt het gewicht de cel moeilijker hanteerbaar. De cellen kunnen modulair aan elkaar geschakeld worden.
Uitvinder Edison raadde aan om de elektrische auto op poten te zetten en de motor te laten lopen tot de NiFe-batterij helemaal leeg was.
«Je kon toen enkel voorspellen dat de batterij helemaal vol was als je zeker wist dat hij helemaal leeg was bij de start van het laden», vertelt De Prins. Voor een loodzuur- of lithiumbatterij betekent zo’n leeghalen een ‘doodvonnis’. Loodbatterijen mogen nauwelijks meer dan de helft ontladen worden. Lithiums houden ook liefst een veilige restlading. Batterij monitoring zorgt ervoor dat die batterijen niet dieper gaan, want anders haal je ze nooit meer terug. Niet zo bij NiFe-batterijen, dus.
Bij een loodzuurbatterij verzuurt het water bij het laden en gaan anode en kathode slijten. Bij ontladen schuift het zuur opnieuw in het lood dat degradeert. Bij een NiFe-batterij daarentegen is de elektrolyt het transportmedium. Het soortelijk gewicht van de elektrolyt verschilt niet bij een geladen of ontladen batterij. «De ene kant oxideert, de andere kant desoxideert.
Het metaal zit niet in het proces zelf en breekt dan ook niet af», legt De Prins uit. Het enige dat kan gebeuren, is dat het metaal aan de lucht oxideert. «Je moet dus wel het waterpeil in het oog houden», zegt De Prins. Voor loodzuur batterijbanken - in ziekenhuizen, bijvoorbeeld - bestaan er professionele systemen om het niveau van de cel automatisch bij te vullen met gedistilleerd water. De elektrolyt ‘slijt’ wel. «Je kan er nieuw elektrolyt in doen om de batterij te doen herleven. Maar dan moet je eerst de oude verwijderen en de neerslag wegspoelen.» Maar de batterij - de cel zelf - slijt niet!
Een ontladen loodbatterij bevriest. Beide elektroden bestaan dan uit loodsulfaat terwijl de vloeistof ertussen louter water is geworden. Niet zo bij de NiFe-batterij. «Bij vorst is de NiFe-cel tot -25°C gegarandeerd. Wel is het rendement bij -15°C gehalveerd. Door de batterij te gebruiken, warmt ze op en blijft het vermogen. De cel heeft een behoorlijke massa die ervoor zorgt dat je geen extra energie hoeft aan te wenden om hem te verwarmen.»
De cel houdt het ook bij kortstondige stroomstoten. Je hoeft ook geen grote bank om veel amperage te halen. «Uit een bank van 200 Ah haal ik kortstondig 200A. .. De structuur van de cel blijft onveranderd bij herhaaldelijk diepontladen of overladen. Tijdens het laden en ontladen schuift zuurstof van de ene elektrode naar de andere.
De spanning wordt opgebouwd door een verandering in het oxidatiepotentiaal tussen beide elektroden. Er is wel ‘waterverbruik’. Bij het laden borrelt HHO langs de elektrode omhoog. Wanneer de batterij helemaal opgeladen is, lijkt ze nog steeds evenveel extra stroom op te nemen. De stroom wordt wel afgenomen, maar wordt niet ‘opgeladen’. De extra stroom gaat op in het produceren van nog meer ‘plofgas’ maar is onschadelijk voor de batterij. Wel laden in goed verluchte ruimtes, dus.
(foto's: LDS)
door Luc De Smet, Engineeringnet
Kader:
Edison-batterij in oldtimer
Sam De Prins (36) studeerde af als productontwikkelaar aan de Antwerpse Hogeschool -toen Henry Van de Velde. Voor zijn eindwerk liet hij zich inspireren door de scheepsliften van Strépy om een systeem te ontwikkelen dat energie recupereert uit een... trap.
Na de studie trok hij onmiddellijk in het familiebedrijf. «Logisch.» Stafco Marine ging van start in 1967 met zelfstandige stroomsystemen voor boten, onderhoud van kraanmotoren en generatoren. Het toeval wil dat Sam De Prins liefhebber is van oldtimers. Een jaar of drie geleden zag hij ergens in Oost-Vlaanderen een elektrisch autootje rijden -een Detroit Electric van 1907.
Er zat een oude batterij in die nog werkte. Na wat speurwerk bleek het een ‘Edison batterij’. Het gerucht liep dat ze nog ergens te krijgen waren. Waar? In China. Er zouden vier leveranciers zijn. Een Russisch bedrijf dat de accu’s enkel voor militaire toepassingen inzet en drie Chinezen die allemaal van dezelfde fabriek toegeleverd kregen.
«Van die producent hebben we nu de exclusieve invoerrechten voor de Benelux en Frankrijk. Onze Duitse partner doet de rest van Europa en Afrika.»
