Проточная окислительно-восстановительная батарея REDOX: почему за ней будущее?

Чтобы повысить уровень эффективности накопления энергии, энергию необходимо хранить с как можно меньшими потерями. Современные аккумуляторы здесь быстро достигают своего предела. Технология, разработанная почти 50 лет назад становиться все более рентабельной, и теперь может изменить правила игры. Речь идет о проточной окислительно-восстановительной батарее (Redox Flow Battery). В этой статье вы узнаете, в чем заключается идея этого типа аккумулятора, каковы его преимущества и недостатки и какие возможности его применения.

Проточная окислительно-восстановительная батарея: старая идея для новых времен

Тот, кто думает, что технологический прогресс всегда возникает благодаря новым идеям, ошибается. Совсем недавний пример старой технологии, которая сегодня может обеспечить значительные улучшения, — это проточная окислительно-восстановительная батарея. Также можно встретить названия: проточная окислительно-восстановительная батарея, проточная батарея или жидкостная батарея. 

Конструкция проточной окислительно-восстановительной батареи

Впервые основа технологии была опробована в середине 20 века. Даже НАСА в 1970-х годах изучало возможность хранения энергии с использованием окислительно-восстановительных пар. Раствор чистого ванадия, который до сих пор наиболее широко используется, был впервые предложен в 1978 году, впоследствии доработан в Университете Нового Южного Уэльса и запатентован в 1986 году. Вариант с бромом ванадия в настоящее время используется наиболее часто, поскольку он обеспечивает вдвое большую плотность энергии, чем базовая модель.

Как работает проточная окислительно-восстановительная батарея?

Проточный окислительно-восстановительной аккумулятор работает по принципу окислительно-восстановительного перехода. Восстановление (Reduction) и окисление (Oxidation , то есть Red-Ox:

• Восстановление: поглощение электронов.
• Окисление: высвобождение электронов.

Проточные окислительно-восстановительные аккумуляторные батареи представляют собой, устройства хранения энергии, использующие жидкую среду хранения. Они хранят электрическую энергию в химических соединениях.

Принципиальная схема жидкостного аккумулятор

Ячейка: похожа на топливный элемент, состоит из двух электродов и мембраны. Резервуары для жидкости: содержат жидкие электролиты (Анолит и Католит) различной концентрации.

Насос подает два жидких электролита к одному из двух электродов. Происходит реакция и высвобождаются ионы. Эти ионы проходят через (частично проницаемую) мембрану в середине клетки в другую электролитную жидкость, где они поглощаются.

Высвобождаемые таким образом электроны проходят не через мембрану, а через электрод во внешнюю цепь и затем в другой электрод. Электрический ток собирается и используется через эту внешнюю цепь. Та часть жидкого электролита, которая не протекла через мембрану, возвращается в исходный бак. Это, конечно, влияет на насыщенность или концентрацию жидкости. Однако в основном электроны поглощаются (восстановление) и снова высвобождаются (окисление).

Насколько велико постоянное напряжение на элементе, в итоге зависит от конкретного состава электродов, мембраны и двух электролитов. Два коротких примера: окислительно-восстановительные пары водород-бром производят 1,1 В, бром-полисульфид — не менее 1,5 В.

Насколько высока эффективность проточной окислительно-восстановительной батареи?

Электрохимические реакции внутри проточной окислительно-восстановительной батареи протекают чрезвычайно эффективно. Внутреннее потребление очень низкое, что означает, что на стороне переменного тока в результате может быть достигнут общий КПД от 70 до 90%.

Это очень напоминает топливный элемент, но большим преимуществом окислительно-восстановительного варианта является то, что электролиты не израсходуются. 

Жидкостной аккумулятор имеют следующие преимущества:

Масштабируемость: производительность и емкость проточной окислительно-восстановительной аккумуляторной батареи можно легко регулировать независимо друг от друга.

Длительный срок службы: поскольку электролиты не расходуются сами по себе, срок службы окислительно-восстановительных батарей составляет чуть более 20 лет. Как часто они используются в этом диапазоне, не имеет значения. Теоретически возможно неограниченное количество циклов.

Высокая эффективность: жидкостные батареи находятся в очень хорошем диапазоне со средней эффективностью от 70 до 90%.

Отсутствие саморазряда или глубокого разряда. Глубокий разряд, которого можно опасаться при использовании других вариантов аккумулирования (аккумулятор разряжается слишком долго и больше не заряжается, он больше не может подавать электроэнергию), не является проблемой для жидкостного аккумулятора. Саморазряд (аккумулятор теряет мощность, даже если он не питает ни одного потребителя) также не свойственен жидкостным аккумуляторам.

Высокая эксплуатационная безопасность: используемый электролит – независимо от используемого варианта – не является ни горючим, ни взрывоопасным. Это значительно повышает эксплуатационную надежность и является огромным преимуществом по сравнению с современными батареями и расширяет возможности применения.

Отсутствие дефицитного сырья: также огромный плюс по сравнению с используемыми в настоящее время батареями. Критики электрических автомобилей неоднократно выдвигают в качестве контраргумента высокий спрос на редкое сырье и землю. Это было бы полностью исключено при использовании проточных окислительно-восстановительных аккумуляторов, поскольку в производстве не используются такие критические ископаемые ресурсы.

Возможность расширения: отдельные проточные окислительно-восстановительные батареи можно собирать в большие и соответственно мощные модули. При наличии достаточного места новые батареи можно использовать и в частных домовладениях, а благодаря их модульности их можно адаптировать к конкретным требованиям.

Недостатки проточной окислительно-восстановительной батареи

Несмотря на все типичные преимущества проточной окислительно-восстановительной батареи, есть, конечно, и недостатки. Отрицательные характеристики, которые до сих пор препятствовали широкому распространению. Самый главный отрицательный момент: низкая плотность энергии.

Емкость: по сравнению с распространенными в настоящее время литий-ионными батареями, окислительно-восстановительные батареи имеют значительно меньшую емкость. В среднем оно составляет от 25 до 70 ватт-часов на литр. Это означает, что технология (пока) уступает некоторым другим типам накопления энергии.

Требуемое пространство: в настоящее время технология требует много места и поэтому не подходит, к примеру для электрических автомобилей.

Рабочая температура: поскольку допустимые рабочие температуры очень низкие, диапазон применения автоматически становиться ограниченным.

Ценообразование: Ванадий, как один из основных компонентов, подвержен сильным колебаниям стоимости. Это снижает безопасность планирования.

Кроссовер: иногда происходит нежелательный перенос электролитов через мембрану, что, в свою очередь, снижает производительность.

Размер имеет значение!

Сторонники технологии окислительно-восстановительного потока не признают предполагаемого недостатка с точки зрения плотности энергии. Т. е. емкость аккумуляторов зависит исключительно от количества имеющихся электролитов. Это означает: что чем больше резервуары для жидкости, тем больше энергии можно хранить. Сочетание такой конструкции вполне возможно для крупных солнечных и ветроэнергетических система так же в бытовом секторе, где есть свободное пространство для обустройства системы. В настоящее время ведутся исследования «самой большой батареи в мире». Две пространственно разделенные подземные бывшие соляные шахты служат хранилищем электролита. Ввод в эксплуатацию в настоящее время ожидается в 2025 году.

Какие типы проточных окислительно-восстановительных батарей существуют?

С точки зрения основного функционального принципа между различными вариантами аккумуляторов нет различий. Иная ситуация с составом используемых электролитов и растворителей. На самом деле, по данным специальной литературы, существует более 50 различных вариантов. 

Определенное сочетание растворителя и растворенных в нем солей приводит к получению другого электролита. Отношение отвечает за напряжение элемента и, следовательно, за плотность энергии: чем выше плотность, тем выше производительность.

Говоря о элекролитах: то, что на первый взгляд может показаться сложным и высокотехнологичным, на самом деле таковым не является. В проточных окислительно-восстановительных батареях используются различные органические и неорганические кислоты, но в некоторых моделях используются также просто солевые растворы. В следующей таблице представлен обзор наиболее распространенных вариантов аккумуляторов.

Наиболее развитой системой в настоящее время является окислительно-восстановительный вариант ванадия. Несколько производителей предлагают на рынке свою продукцию для стационарного хранения. В Японии, например, уже внедрены системы мощностью 15 МВт и 60 МВт.

Проточные окислительно-восстановительные батареи: что будет дальше?

Все еще необходимо провести множество исследований и разработок, чтобы технология окислительно-восстановительного потока могла вскоре достичь своего доминирования и упростить хранение энергии. Инвестиционные затраты должны быть сокращены, что произойдет за счет автоматизации производственных процессов и использования новых, более дешевых материалов.

Серийная бытовая модель жидкостного аккумулятора STORAC от швейцарской компании ProLux

Вторым важным моментом является увеличение удельной мощности и расширение диапазона рабочих температур. Новые типы катализаторов призваны повысить плотность тока обмена, что, в свою очередь, приведет к значительному увеличению эффективности. Что может так же стать ключевым фактором для использования технологии в электротранспорте.

Принцип, лежащий в основе проточных окислительно-восстановительных батарей, имеет высокий потенциал. Жидкостные аккумуляторные батареи имеют огромные преимущества перед существующими вариантами хранения, особенно с точки зрения экологичности и безопасности. А благодаря возможности подключения нескольких модулей проточные окислительно-восстановительные системы уже подходят для широкого спектра применений. От частных домовладений до крупных промышленных предприятий. 

Однако предстоит пройти еще путь, прежде чем жидкие батареи смогут полностью раскрыть свой потенциал. Особенно в области плотности энергии они все еще значительно отстают от широко используемых сегодня литий-ионных аккумуляторов. В своем нынешнем виде они все еще не применимы для электротранспорта. Однако во всем мире предпринимаются усилия по улучшению этой технологии. Проточные окислительно-восстановительные батареи определенно начинают играть важную роль в энергетическом переходе.