Płynące baterie: proszę, wlej dla mnie elektrony!
Naukowcy z Instytutu Fraunhofera w Niemczech prowadzą poważne prace rozwojowe w dziedzinie baterii elektrycznych, alternatywnych do klasycznych. Dzięki technologii przepływu redoks proces magazynowania energii elektrycznej jest naprawdę radykalnie inny ...
Akumulatory, które są ładowane płynem jako paliwo, wlewamy do samochodu z silnikiem benzynowym lub wysokoprężnym. Może to zabrzmieć utopijnie, ale dla Jensa Noacka z Instytutu Fraunhofera w Pfinztal w Niemczech jest to w rzeczywistości codzienność. Zespół programistów, w którym jest zaangażowany, od 2007 roku rozwija tę egzotyczną formę akumulatora na pełnych obrotach. W rzeczywistości pomysł przepływowej lub tak zwanej przepływowej baterii redoks nie jest trudny, a pierwszy patent w tej dziedzinie pochodzi z 1949 roku. Każda z dwóch przestrzeni ogniw, oddzielonych membraną (podobnie jak ogniwa paliwowe), jest połączona ze zbiornikiem zawierającym określony elektrolit. Ze względu na tendencję substancji do chemicznego reagowania ze sobą, protony przemieszczają się z jednego elektrolitu do drugiego przez membranę, a elektrony kierowane są przez odbiornik prądu połączony z dwiema częściami, w wyniku czego płynie prąd elektryczny. Po pewnym czasie dwa zbiorniki są opróżniane i napełniane świeżym elektrolitem, a zużyty jest „poddawany recyklingowi” na stacjach ładowania.
Choć to wszystko wygląda świetnie, niestety nadal istnieje wiele przeszkód w praktycznym zastosowaniu tego typu baterii w samochodach. Gęstość energii akumulatora redoks z elektrolitem wanadowym wynosi zaledwie 30 Wh na kilogram, czyli mniej więcej tyle samo, co akumulator kwasowo-ołowiowy. Aby zmagazynować taką samą ilość energii, jak nowoczesny akumulator litowo-jonowy o pojemności 16 kWh, przy obecnym poziomie technologii redoks akumulator będzie wymagał 500 litrów elektrolitu. Do tego oczywiście wszystkie peryferia, których objętość też jest spora - klatka niezbędna do dostarczenia mocy jednego kilowata, jak skrzynka po piwie.
Takie parametry nie są odpowiednie dla samochodów, biorąc pod uwagę, że akumulator litowo-jonowy magazynuje czterokrotnie więcej energii na kilogram. Jens Noack jest jednak optymistą, ponieważ rozwój w tym obszarze dopiero się zaczyna, a perspektywy są obiecujące. W laboratorium tak zwane akumulatory z polisiarczku wanadu osiągają gęstość energii 70 Wh na kilogram i są porównywalne pod względem wielkości do akumulatorów niklowo-wodorkowych stosowanych obecnie w Toyocie Prius.
Zmniejsza to wymaganą objętość zbiorników o połowę. Dzięki stosunkowo prostemu i niedrogiemu układowi ładowania (dwie pompy pompują nowy elektrolit, dwie wysysają zużyty elektrolit), układ można naładować w dziesięć minut, aby zapewnić zasięg 100 km. Nawet systemy szybkiego ładowania, takie jak ten zastosowany w Tesli Roadster, działają sześć razy dłużej.
W tym przypadku nie dziwi fakt, że na badania Instytutu zwróciło się wiele firm motoryzacyjnych, a kraj związkowy Badenia-Wirtembergia przeznaczył na rozwój 1,5 mln euro. Jednak osiągnięcie fazy technologii motoryzacyjnej zajmie jeszcze trochę czasu. „Ten rodzaj baterii może bardzo dobrze współpracować ze stacjonarnymi systemami zasilania, a my już tworzymy eksperymentalne stacje dla Bundeswehry. Jednak w dziedzinie pojazdów elektrycznych ta technologia będzie odpowiednia do wdrożenia za około dziesięć lat” – powiedział Noak.
Do produkcji przepływowych baterii redoks nie są wymagane materiały egzotyczne. Nie są wymagane żadne drogie katalizatory, takie jak platyna stosowana w ogniwach paliwowych lub polimery, takie jak akumulatory litowo-jonowe. Wysoki koszt systemów laboratoryjnych, sięgający 2000 euro za kilowat mocy, wynika wyłącznie z faktu, że są one jedyne w swoim rodzaju i wykonywane ręcznie.
Tymczasem specjaliści instytutu planują budowę własnej farmy wiatrowej, gdzie odbywać się będzie proces ładowania, czyli utylizacji elektrolitu. Dzięki przepływowi redoks proces ten jest bardziej wydajny niż elektroliza wody na wodór i tlen oraz wykorzystywanie ich w ogniwach paliwowych – akumulatory instant dostarczają 75 procent energii elektrycznej wykorzystywanej do ładowania.
Można sobie wyobrazić stacje ładowania, które obok konwencjonalnego ładowania pojazdów elektrycznych pełnią rolę buforów w stosunku do szczytowego obciążenia systemu elektroenergetycznego. Obecnie na przykład wiele turbin wiatrowych w północnych Niemczech trzeba wyłączać pomimo wiatru, ponieważ w przeciwnym razie przeciążałyby sieć.
Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, tutaj nie ma niebezpieczeństwa. „Kiedy zmieszasz dwa elektrolity, następuje zwarcie chemiczne, które wydziela ciepło i temperatura wzrasta do 80 stopni, ale nic więcej się nie dzieje. Oczywiście niektóre płyny nie są bezpieczne, ale tak samo jak benzyna i olej napędowy. Pomimo potencjału przepływowych akumulatorów redoks, naukowcy z Instytutu Fraunhofera ciężko pracują również nad opracowaniem technologii litowo-jonowej ...
tekst: Alexander Bloch
Bateria przepływowa redox
Bateria przepływowa redoks jest w rzeczywistości skrzyżowaniem konwencjonalnej baterii i ogniwa paliwowego. Energia elektryczna przepływa dzięki interakcji między dwoma elektrolitami - jednym podłączonym do dodatniego bieguna ogniwa, a drugim do ujemnego. W tym przypadku jeden daje dodatnio naładowane jony (utlenianie), a drugi je odbiera (redukcja), stąd nazwa urządzenia. Po osiągnięciu pewnego poziomu nasycenia reakcja ustaje i ładowanie polega na wymianie elektrolitów na świeże. Pracownicy są przywracani przy użyciu procesu odwrotnego.
