Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) w USA zbudowali baterię przeznaczoną do pracy w sieci elektrycznej, która blokuje energię przez wiele miesięcy bez znaczącej utraty pojemności. Opracowanie tzw. akumulatorów zamrażania i rozmrażania, gromadzących energię do późniejszego wykorzystania, jest krokiem w kierunku akumulatorów, które mogą być używane do sezonowego jej przechowywania.
Prototyp jest niewielki, mniej więcej wielkości krążka hokejowego, ale potencjalna przydatność technologii zastosowanej w urządzeniu jest ogromna. Zapowiada czasy, w których energia z nieciągłych źródeł, takich jak światło słoneczne i wiatr, może być przechowywana przez długi czas. Praca naukowców z Narodowego Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku Departamentu Energii USA została opublikowana 23 marca br. w „Cell Reports Physical Science”.
Wykorzystywanie i pakowanie energii natury
Źródła odnawialne pracują zgodnie z cyklami przyrody. Utrudnia to włączenie ich w niezawodny, sieciowy, stały strumień energii elektrycznej. Przykładowo na wiosnę na północno-zachodnim Pacyfiku, gdy wiatr wieje gwałtownie w wąwozie Columbia, rzeki obfitują w maksymalne spływy z zapór hydroelektrycznych. Cała ta moc musi być natychmiast wykorzystana lub zmagazynowana najwyżej przez kilka dni. Operatorzy sieci chcieliby wykorzystać tę wiosenną energię, przechowywując ją w dużych bateriach, a następnie uwalniać pod koniec roku, kiedy wiatry w regionie są powolne, rzeki mają niskie stany wód, a zapotrzebowanie na energię elektryczną jest największe. Baterie poprawiłyby również zdolność przedsiębiorstw użyteczności publicznej do eliminowania przerwy w dostawie prądu podczas silnych burz, udostępniając do sieci duże ilości energii po huraganie, pożarze lub innej katastrofie.
Działanie solnego akumulatora
Akumulator jest najpierw ładowany przez podgrzanie go do 180 °C, co pozwala na przepływ jonów przez ciekły elektrolit w celu wytworzenia energii chemicznej. Następnie akumulator jest schładzany do temperatury pokojowej, co zasadniczo blokuje energię w akumulatorze. Elektrolit staje się stały, a jony, które transportują energię, pozostają prawie nieruchome. Kiedy energia jest potrzebna, bateria jest ponownie podgrzewana i następuje przepływ energii.
Zjawisko zamrażania i rozmrażania (krzepnięcia i topnienia) jest możliwe, ponieważ elektrolitem akumulatora jest stopiona sól – molekularny kuzyn zwykłej soli kuchennej. Materiał jest płynny w wyższych temperaturach, ale stały w temperaturze pokojowej. Koncepcja zamrażania i rozmrażania pozwala uniknąć problemu samoczynnego rozładowywania się, gdy akumulator nie jest wykorzystywany przez dłuższy czas. Szybki wskaźnik rozładowania, podobnie jak w przypadku akumulatorów w większości samochodów lub laptopów, utrudniłby akumulatorowi sieciowemu przechowywanie energii przez wiele miesięcy. Warto zauważyć, że akumulator PNNL do zamrażania i rozmrażania zachował 92% swojej pojemności przez 12 tygodni.
Zastosowanie powszechnie dostępnych materiałów
Zespół naukowców PNNL unikał rzadkich, drogich i wysoce reaktywnych materiałów. Zamiast tego akumulator aluminiowo-niklowy ze stopioną solą jest wypełniony powszechnie występującymi na Ziemi materiałami. Anoda i katoda to solidne płyty z aluminium i niklu, zanurzone w elektrolicie ze stopionej soli, który w temperaturze pokojowej jest stały, ale po podgrzaniu staje się cieczą. Zespół dodał siarkę – kolejny powszechny, tani pierwiastek – do elektrolitu, aby zwiększyć pojemność energetyczną akumulatora.
Jedną z największych zalet akumulatora jest skład komponentu, zwanego separatorem, umieszczonego pomiędzy anodą a katodą. Większość akumulatorów o wyższej temperaturze ze stopioną solą wymaga separatora ceramicznego, który może być droższy w wykonaniu i podatny na pękanie podczas cyklu krzepnięcia i topnienia. Akumulator PNNL wykorzystuje proste włókno szklane, co jest możliwe dzięki jego stabilnej chemii baterii. Zmniejsza to koszty wytworzenia i sprawia, że jest on bardziej wytrzymały podczas zmiany stanu skupienia elektrolitu. – Obniżenie kosztów baterii ma kluczowe znaczenie. Dlatego wybraliśmy do pracy popularne, tańsze materiały i skupiliśmy się na usunięciu separatora ceramicznego – powiedział autor korespondent Guosheng Li, który kierował badaniem.
Energia akumulatora jest magazynowana przy kosztach materiałów wynoszących około 23 dol. Za 1 kWh. Zespół bada zastosowanie tańszego żelaza w nadziei na obniżenie kosztów materiałowych do około 6 dol. za 1 kWh, czyli około 15 razy mniej niż koszt materiałów w dzisiejszych akumulatorach litowo-jonowych. Teoretyczna gęstość energii akumulatora wynosi 260 Wh/kg – więcej niż w przypadku dzisiejszych akumulatorów kwasowo-ołowiowych i przepływowych.
Naukowcy podkreślają, że baterie zaprojektowane do przechowywania sezonowego prawdopodobnie ładowałyby się i rozładowywały tylko raz lub dwa razy w roku. W przeciwieństwie do akumulatorów przeznaczonych do zasilania samochodów elektrycznych, laptopów lub innych urządzeń konsumenckich, nie muszą one wytrzymać setek lub tysięcy cykli. – Można zacząć wyobrażać sobie coś w rodzaju dużego akumulatora na 40-metrowej przyczepie ciągnika zaparkowanej na farmie wiatrowej – powiedział współautor Vince Sprenkle, starszy doradca strategiczny w PNNL. – Akumulator jest ładowany na wiosnę, a następnie ciężarówka jedzie drogą do podstacji, gdzie akumulator jest dostępny w razie potrzeby podczas letnich upałów – dodaje.
– Długotrwałe technologie magazynowania energii są ważne dla zwiększenia odporności sieci w przypadku włączenia dużej ilości energii odnawialnej – powiedział Imre Gyuk, dyrektor ds. magazynowania energii w Biurze Energii Elektrycznej DOE, które sfinansowało prace. – Badania te stanowią ważny krok w kierunku rozwiązania do sezonowego przechowywania energii elektrycznej w akumulatorach, które przezwyciężą ograniczenia wynikające z samorozładowania obecnych technologii akumulatorowych – dodaje. Przedstawiona technologia jest w trakcie opatentowywania.
Zdjęcie główne: Grid Storage Launchpad, gdzie naukowcy opracują i przetestują technologie magazynowania energii w skali sieciowej
Źródło: Pacific Northwest National Laboratory
