Czy baterie przepływowe zrewolucjonizują rynek magazynów energii?
Obserwatorzy branży magazynowania energii elektrycznej są zgodni: alternatywy dla dominującej technologii akumulatorów litowo-jonowych zaczną zdobywać coraz większą popularność. W odpowiedzi na coraz trudniejszą dostępność i wysokie koszty wydobycia litu w branży zaczynają pojawiać się magazyny energii wykorzystujące na przykład cynk, czy sód. Jedną z najbardziej obiecujących alternatyw dla technologii Li-Ion są jednak obecnie baterie, a właściwie akumulatory przepływowe.
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.
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.
Trzeba bowiem zaznaczyć, że jedną z cech baterii przepływowych typu redox, która wymaga dopracowania, jest ich stosunkowo niska gęstość energii wymuszająca duże gabaryty magazynu energii. Tu zdecydowaną przewagę mają ogniwa litowo-jonowe. Z pomocą przychodzi jednak wynalazek amerykańskich naukowców.
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.
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.
Obserwuj
Może Cię również zainteresować
Niemcy podpisują umowy na wcześniejsze wycofanie się z energetyki węglowej – nowy etap transformacji
Niemiecka minister gospodarki Reiche oraz spółka LEAG zawarły publicznoprawne umowy dotyczące przyspieszonego odejścia od produkcji energii z węgla brunatnego. To ważny krok w niemieckiej transformacji energetycznej.
Odkryto gigantyczny „magazyn” CO2 pod dnem Oceanu Atlantyckiego
Naukowcy z Uniwersytetu Southampton odkryli, że pokłady porowatego rumoszu lawowego pod południowym Atlantykiem mogą magazynować ogromne ilości dwutlenku węgla przez dziesiątki milionów lat. To przełomowe ustalenie zmienia rozumienie długoterminowego obiegu węgla na Ziemi.
Odpady z przemysłu papierniczego mogą przyczynić się do tańszej produkcji czystej energii
Naukowcy z chińskich uczelni opracowali wydajny katalizator do produkcji wodoru na bazie ligniny – odpadu z przemysłu papierniczego. Nowe rozwiązanie może znacząco obniżyć koszty i zwiększyć skalowalność technologii wodorowych.
Nowatorska metoda wychwytywania CO2 może znacząco obniżyć koszty
Inżynierowie chemiczni z MIT opracowali prostą i skuteczną metodę zwiększającą efektywność wychwytywania dwutlenku węgla. Dzięki zastosowaniu popularnego związku chemicznego proces może stać się tańszy i mniej energochłonny.
Incydent z autonomiczną taksówką Waymo: pasażer znalazł nieznajomego w bagażniku
W Los Angeles matka zamówiła autonomiczną taksówkę Waymo dla córki i odkryła w bagażniku ukrywającego się nieznajomego. Sprawa wywołała debatę o bezpieczeństwie pojazdów autonomicznych.
Blisko 200 mln zł z Funduszy Europejskich na termomodernizację budynków administracji i służb mundurowych
Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej podpisał kolejne umowy na termomodernizację budynków publicznych i służb mundurowych. Inwestycje o wartości blisko 200 mln zł mają poprawić efektywność energetyczną i obniżyć koszty eksploatacji.
Komentarze