Jak działają akumulatory przepływowe?
Podsumowując działanie akumulatorów przepływowych należałoby powiedzieć, że główną zasadą ich funkcjonowania jest wykorzystywanie przemian chemicznych do produkcji energii elektrycznej. Zatem w tym zakresie niewiele różnią się one od swoich najpopularniejszych odpowiedników, a więc baterii litowo-jonowych. Okazuje się jednak, że do wspomnianych wcześniej przemian chemicznych dochodzi na skutek specyficznej konstrukcji i zastosowania komponentów zgoła innych niż w bateriach Li-Ion.
Przepływowe magazyny energii zbudowane są z dwóch zbiorników zawierających roztwory solne (elektrolity) o określonym składzie chemicznym oraz z ogniw elektrochemicznych, przez które roztwory te przepływają. Ciecz wprawiana jest w ruch dzięki zastosowaniu w konstrukcji urządzenia specjalnych pomp. Jednym z najważniejszych elementów w akumulatorze przepływowym jest jednak półprzepuszczalna membrana. Zapobiega ona mieszaniu się roztworów, ale pozwala przenikać jonom, dzięki czemu może dochodzić do reakcji i w konsekwencji do przemiany energii chemicznej w energię elektryczną.
Schemat budowy baterii przepływowych; Źródło: cgt-carbon.com
Trzeba w tym miejscu nadmienić, że akumulatory przepływowe dzielą się między innymi na hybrydowe, bezmembranowe, a także redukcyjne i to w tych ostatnich pokładane są największe nadzieje inżynierów. Redukcyjne baterie przepływowe RFB, w stosunku do których używa się nazwy “redoks” (lub ang. redox) zawierają w konstrukcji swoich ogniw filcowe elektrody grafitowe, dzięki którym możliwe jest zachodzenie częściowych reakcji. Ładowanie akumulatorów przepływowych generowane jest poprzez wymianę elektrolitu, a zużyty roztwór wykorzystuje się ponownie w kolejnym procesie ładowania.
Ograniczenia w technologii nie zahamowały jej rozwoju
Przepływowe magazyny energii typu redox mogą wykorzystywać w swojej konstrukcji i działania roztwory różnych soli. Do tej pory testowano w tym zakresie między innymi bromek cynku, bromek chinonu, jodek cynku oraz zdecydowanie najbardziej popularny w technologii przepływowej wanad. Okazuje się jednak, że pomimo oczywistych zalet, takich jak choćby wysoka żywotność akumulatorów przepływowych, urządzenia te posiadają również sporo ograniczeń.
Pierwszym z nich są stosunkowo wysokie koszty produkcji takich magazynów energii. Wynikają one ze specyficznej konstrukcji akumulatorów przepływowych, zastosowanych w ich produkcji materiałów oraz ich spadającej dostępności. W tym ostatnim aspekcie chodzi o wanad, którego zasoby maleją. Dla wszystkich tych ograniczeń znaleziono już bardziej lub mniej skuteczne rozwiązania i alternatywne surowce, jednak inżynierowie rozwijający technologię przepływową w magazynach energii wciąż szukają optymalizacji w zakresie sporego rozmiaru tych urządzeń.
Akumulatory przepływowe coraz wydajniejsze
Inżynierowie z Georgia Institute of Technologii opracowali akumulator przepływowy o wyższej gęstości energetycznej zamkniętej w urządzeniu o zredukowanych wymiarach. Jak tego dokonali? Między innymi poprzez modyfikacje wprowadzone w obszarze membrany jonoselektywnej. W produkcji nowej membrany zastosowano bowiem tzw. tworzywo puste i uzyskano dzięki temu submilimetrową membranę mikrorurkową (skrót ang. SBMT). Czym zaowocowała ta zmiana? Redukcją objętości ogniwa elektrochemicznego o ponad 75% i brakiem konieczności stosowania w jego obrębie dodatkowej, wspierającej infrastruktury.
Amerykańscy naukowcy z Georgii nie poprzestali oczywiście na udoskonaleniu konstrukcji przepływowego magazynu energii, ale szczegółowa zaplanowali jego testy. Prototyp urządzenia będzie bowiem pracował podłączony do mikrosieci o mocy 1,4 MW funkcjonującej w ramach Institute of Technology w Georgii. Dzięki temu inżynierowie będą mieli stały nadzór nad systemem i możliwość monitorowania jego wydajności w czasie rzeczywistym i docelowym środowisku jego pracy.
Przepływowy, wanadowy magazyn energii w Australii; Źródło: TNG Limited
W ramach modyfikacji wdrażanych przez amerykańskich naukowców testowany jest przepływowy magazyn energii wykorzystujący w elektrolicie sole wanadu. Jak wiadomo pierwiastek ten generuje wysokie koszty produkcji przez kurczące się zasoby surowca. Dlatego też inni inżynierowie angażujący się w rozwój technologii przepływowej w magazynowaniu energii skupiają się obecnie na wykorzystaniu alternatyw dla wanadu, z których najbardziej obiecujący wydaje się cynk, ale także zdecydowanie mniej popularny diimid naftalenu (NDI).
NDI zamiast wanadu w technologii przepływowej
Nad optymalizacją gęstości energii przepływowych magazynów energii pracują także badacze z Koreańskiego Zaawansowanego Instytutu Nauki i Technologii (KAIST). Jednym z ich ostatnich osiągnięć we współpracy z Uniwersytetem Nauki i Technologii w Pohang jest zbadanie potencjału, jaki w porównaniu z wanadem mógłby mieć w bateriach przepływowych redox organiczny związek o nazwie diimid naftalenu (NDI). Po pokonaniu pierwszych przeszkód w postaci braku rozpuszczalności tego związku (finalnie uzyskano 1,5 M rozpuszczalności) testy przyniosły bardzo obiecujące rezultaty.
Akumulator przepływowy redox wykorzystujący NDI utracił jedynie 2% pojemności po 45 dniach testów, w trakcie których zainicjowano 500 cykli ładowania. To bardzo dobry wynik, jednak nie jest jedynym pozytywnym odkryciem koreańskich badaczy. W jednym molu roztworu diimidu naftalenu można bowiem umieścić 2 mole elektronów, co będzie skutkowało wyższą gęstością energii i pojemności akumulatorów opartych na tym związku. Wszystko wskazuje zatem na to, że każde z początkowych ograniczeń technologii przepływowej znajduje stopniowo rozwiązanie i pozwala prognozować znaczny wzrost popularności takich magazynów energii w niedalekiej przyszłości.
Dlaczego przepływowe magazyny energii mogą zastąpić litowo-jonowe?
Niektórzy obserwatorzy branży magazynów energii uważają, że niemożliwym jest, aby akumulatory litowo-jonowe zniknęły z rynku, wyparte przez nowe technologie. Zapewne w wielu kontekstach mają oni rację, gdyż obecnie większość produkowanej elektroniki użytkowej wykorzystuje właśnie ten rodzaj ogniw. Nie zmienia to jednak faktu, że przepływowe magazyny energii znajdują się w zdecydowanej czołówce technologii, które mogą sukcesywnie zastępować akumulatory litowe. Jakie argumenty przemawiają za takim scenariuszem? Należy tu wspomnieć o takich aspektach jak:
- Bardzo wysoka żywotność akumulatorów przepływowych dochodząca do nawet 15 000 cykli ładowania;
- Różnorodność surowców, które można wykorzystać w produkcji elektrolitu, co gwarantuje ich niewyczerpalność. Niektóre ze związków można bowiem pozyskiwać w reakcjach chemicznych, a nie wydobywać z naturalnych, wyczerpywalnych złóż;
- Przypływowe akumulatory charakteryzują się pojemnością niezależną od ich mocy wyjściowej, co skutkuje większą różnorodnością ich zastosowań;
- Technologia przepływowa jest bardzo bezpieczna w kontekście przechowywania i oddawania energii elektrycznej, a urządzenia ją wykorzystujące nie wymagają szczególnie zaawansowanej konserwacji;
- Świetnie sprawdzą się we współpracy z instalacjami OZE do balansowania napięcia w sieci i przechowywania nadwyżek energii elektrycznej. Nieregularne procesy ładowania i rozładowywania przepływowych akumulatorów nie wpływają znacząco na ich żywotność;
- Akumulatory przepływowe już teraz wykorzystywane są jako systemy zasilania awaryjnego (UPS-y) i wszystko wskazuje na to, że ich popularność w tym obszarze będzie rosła.
