Проточна окислювально-відновна батарея REDOX: чому за нею майбутнє?

Щоб підвищити рівень ефективності накопичення енергії, енергію необхідно зберігати з якомога меншими втратами. Сучасні акумулятори тут швидко досягають своєї межі. Технологія, розроблена майже 50 років тому, стає все більш рентабельною, і тепер може змінити правила гри. Йдеться про проточну окислювально-відновну батарею (Redox Flow Battery). У цій статті ви дізнаєтеся, в чому полягає ідея цього типу акумулятора, які його переваги та недоліки та які можливості його застосування.

Проточна окислювально-відновна батарея: стара ідея для нових часів

Той, хто вважає, що технологічний прогрес завжди виникає завдяки новим ідеям, помиляється. Зовсім недавній приклад старої технології, яка сьогодні може забезпечити значні покращення, – це проточна окислювально-відновна батарея. Також можна зустріти назви: проточна батарея, рідинна батарея або ванадієва батарея, через те, що ванадій є найпоширинішим електролітом.

Конструкція проточної окислювально-відновної батареї

Вперше основу технології було випробувано у середині 20 століття. Навіть НАСА у 1970-х роках вивчало можливість зберігання енергії з використанням окисно-відновлювальних пар. Розчин чистого ванадію, був вперше запропонований у 1978 році, згодом доопрацьований в Університеті Нового Південного Уельсу та запатентований у 1986 році. Варіант з бромом ванадію в даний час використовується найчастіше, оскільки він забезпечує вдвічі більшу густину енергії, ніж базова модель.

Як працює проточна окислювально-відновна батарея?

Проточний окислювально-відновний акумулятор працює за принципом окислювально-відновного переходу, “renovation – відновлення” та “oxidation – окислення”, тобто Red-Ox:

• Відновлення: поглинання електронів.
• Окислення: вивільнення електронів.

Проточні окислювально-відновні акумуляторні батареї являють собою пристрої зберігання енергії, що використовують рідке середовище зберігання. Вони зберігають електричну енергію у хімічних сполуках.

Принципова схема рідинного акумулятора

Комірка: схожа на паливний елемент, складається з двох електродів та мембрани. Резервуари для рідини: містять рідкі електроліти (Аноліт та Католіт) різної концентрації.

Насос подає два рідкі електроліти до одного з двох електродів. Відбувається реакція та вивільняються іони. Ці іони проходять через (частково проникну) мембрану всередині клітини в іншу електролітну рідину, де вони поглинаються.

Електрони, що вивільняються таким чином, проходять не через мембрану, а через електрод у зовнішній ланцюг і потім в інший електрод. Електричний струм збирається і використовується через цей зовнішній ланцюг. Та частина рідкого електроліту, яка не протікала через мембрану, повертається у вихідний бак. На це, звісно, ​​впливає насиченість чи концентрацію рідини. Однак переважно електрони поглинаються (відновлення) і знову вивільняються (окислення).

Наскільки велика постійна напруга на елементі, в результаті залежить від конкретного складу електродів, мембрани та двох електролітів. Два короткі приклади: окислювально-відновні пари водень-бром виробляють 1,1 В, бром-полісульфід – не менше 1,5 В.

Наскільки високою є ефективність проточної окислювально-відновної батареї?

Електрохімічні реакції усередині проточної окислювально-відновної батареї протікають надзвичайно ефективно. Внутрішнє споживання дуже низьке, що означає, що на стороні змінного струму в результаті може бути досягнуто загального ККД від 70 до 90%.

Це дуже нагадує паливний елемент, але великою перевагою окисно-відновного варіанта є те, що електроліти не витрачаються.

Рідинний акумулятор мають такі переваги:

Масштабованість: продуктивність та ємність проточної окислювально-відновної акумуляторної батареї можна легко регулювати незалежно один від одного.

Тривалий термін служби: оскільки електроліти не витрачаються, термін служби окислювально-відновних батарей становить трохи більше 20 років. Як часто вони використовуються у цьому діапазоні, не має значення. Теоретично можлива необмежену кількість циклів.

Висока ефективність: рідинні проточні батареї знаходяться у дуже хорошому діапазоні із середньою ефективністю від 70 до 90%.

Відсутність саморозряду чи глибокого розряду. Глибокий розряд, якого потрібно уникати при використанні інших варіантів акумулювання (акумулятор розряджається занадто довго і більше не заряджається, він більше не може подавати електроенергію) не є проблемою для рідинного акумулятора. Саморозряд (акумулятор втрачає потужність, навіть якщо не живить жодного споживача) також не властивий рідинним акумуляторам.

Висока експлуатаційна безпека: електроліт – незалежно від варіанта, що використовується – не є ні пальним, ні вибухонебезпечним. Це значно підвищує експлуатаційну надійність і є величезною перевагою порівняно із сучасними батареями та розширює можливості застосування.

Відсутність дефіцитної сировини: також величезний плюс у порівнянні з батареями, що використовуються в даний час. Критики електричних автомобілів неодноразово висувають як контраргумент високий попит на рідкісну сировину і землю. Це було б повністю виключено з використанням проточних окислювально-відновних акумуляторів, оскільки у виробництві не використовуються такі критичні копалини.

Можливість розширення: окремі проточні окислювально-відновлювальні батареї можна збирати у великі та відповідно потужні модулі. За наявності достатнього місця нові батареї можна використовувати і в приватних домоволодіннях, а завдяки їхній модульності їх можна адаптувати до конкретних вимог.

Недоліки проточної окислювально-відновної батареї:

Незважаючи на всі типові переваги проточної окислювально-відновної батареї, є, звичайно, недоліки. Негативні характеристики, які досі перешкоджали поширенню. Найголовніший негативний момент: низька густина енергії.

Ємність: порівняно з поширеними нині літій-іонними батареями, окислювально-відновлювальні батареї мають значно меншу ємність. У середньому воно становить від 25 до 70 ват-годин на літр. Це означає, що технологія (поки що) поступається деяким іншим типам накопичення енергії.

Потрібний простір: в даний час технологія вимагає багато місця і тому не підходить, наприклад, для електричних автомобілів.

Робоча температура: оскільки допустимі робочі температури дуже низькі, діапазон застосування автоматично стає обмеженим.

Ціноутворення: Ванадій, як один з основних компонентів, схильний до сильних коливань вартості. Це знижує безпеку планування.

Кросовер: іноді відбувається небажане перенесення електролітів через мембрану, що, своєю чергою, знижує продуктивність.

Розмір має значення!

Прихильники технології окислювально-відновного потоку не визнають недоліку з погляду щільності енергії. Тобто ємність акумуляторів залежить виключно від кількості наявних електролітів. Це означає: що більше резервуари для рідини, то більше енергії можна зберігати. Поєднання такої конструкції цілком можливе для великих сонячних та вітроенергетичних систем так само в побутовому секторі, де є вільний простір для облаштування системи. В даний час ведуться дослідження «найбільшої батареї у світі». Дві просторово розділені підземні колишні соляні шахти є сховищем електроліту. Введення в експлуатацію наразі очікується у 2025 році.

Які існують типи проточних окислювально-відновних батарей?

З погляду основного функціонального принципу між різними варіантами акумуляторів немає відмінностей. Інша ситуація зі складом використовуваних електролітів та розчинників. Насправді, за даними спеціальної літератури, існує понад 50 різних варіантів.

Певне поєднання розчинника та розчинених у ньому солей призводить до отримання іншого електроліту. Ставлення відповідає за напругу елемента і, отже, за щільність енергії: що вище щільність, то вища продуктивність.

Говорячи про електроліти: те, що на перший погляд може здатися складним і високотехнологічним, насправді таким не є. У проточних окислювально-відновних батареях використовуються різні органічні та неорганічні кислоти, але в деяких моделях використовуються також сольові розчини. У наступній таблиці наведено огляд найпоширеніших варіантів акумуляторів.

Найбільш розвиненою системою в даний час є окисно-відновлювальний варіант ванадію. Декілька виробників пропонують на ринку свою продукцію для стаціонарного зберігання. У Японії, наприклад, вже впроваджено системи потужністю 15 МВт та 60 МВт.

Проточні окислювально-відновлювальні батареї: що буде далі?

Все ще необхідно провести безліч досліджень та розробок, щоб технологія окислювально-відновного потоку могла незабаром досягти свого домінування та спростити зберігання енергії. Інвестиційні витрати мають бути скорочені, що відбудеться за рахунок автоматизації виробничих процесів та використання нових, більш дешевих матеріалів.

Серійна побутова модель рідинного акумулятора STORAC від швейцарської компанії ProLux

Другим важливим моментом є збільшення питомої потужності та розширення діапазону робочих температур. Нові типи каталізаторів покликані підвищити щільність струму обміну, що, своєю чергою, призведе до значного підвищення ефективності. Що може стати ключовим фактором для використання технології в електротранспорті.

Принцип, що лежить в основі проточних окисно-відновних батарей, має високий потенціал. Рідкісні акумулятори мають величезні переваги перед існуючими варіантами зберігання, особливо з точки зору екологічності та безпеки. А завдяки можливості підключення кількох модулів проточні окиснювально-відновлювальні системи вже підходять для широкого спектру застосувань. Від приватних домоволодінь до великих промислових підприємств.

Однак доведеться пройти ще шлях, перш ніж рідкі батареї зможуть повністю розкрити свій потенціал. Особливо в області щільності енергії вони все ще значно відстають від літій-іонних акумуляторів, що широко використовуються сьогодні. У своєму нинішньому вигляді вони все ще не застосовуються для електротранспорту. Однак у всьому світі вживаються зусилля щодо покращення цієї технології. Проточні окислювально-відновні батареї безперечно починають відігравати важливу роль в енергетичному переході.