Przepływowe magazyny energii redox - prąd zmian energetyki

Oksydacja i redukcja – te procesy zachodzące w przepływowych magazynach energii redox pozwalają na przekształcenie energii chemicznej w elektryczną. To rozwiązanie już trafiło do komercyjnego zastosowania, jednak nie jest pozbawione wad. Czy naukowcom uda się je zlikwidować?  

Czym są baterie przepływowe redox?

Nazwa „redox” pochodzi od połączenia słów redukcja i oksydacja. To te reakcje chemiczne zachodzą w przepływowych magazynach energii generując energię elektryczną. Baterie redox zbudowane są z dwóch zbiorników. Oba wypełnione roztworami elektrolitów zawierającymi jony tlenku wanadu o dodatnim i ujemnym ładunku. Płyny są przepompowywane do jednego pojemnika, który przedzielony jest cienką membraną. Gdy akumulator jest rozładowywany, elektron zostaje uwolniony  z negatywnie naładowanego ładunku i przepływa przez obwód zewnętrzny zapewniając zasilanie urządzeniom elektrycznym. Jest to oksydacja.

Następnie ładunek elektryczny trafia do drugiego zbiornika, gdzie w procesie redukcji, wchodzi w reakcje z pozytywnie naładowanym ładunkiem tlenku wanadu.

Ograniczenia technologii Li-ion

Akumulatory wykonane w technologii litowo-jonowej mają niewątpliwe zalety, które pozwalają im stać się istotnym elementem zmieniającego się systemu energetycznego opartego o odnawialne źródła wytwórcze. Cechują się dużą gęstością zarówno energii, jak i mocy. Sprawdzają się w instalacjach domowych, przemysłowych, samochodach elektrycznych oraz sprzęcie RTV. Ich właściwości chemiczne sprawiają również, że mogą być ładowane i ponownie rozładowywane nawet do 6000 razy.

Magazynom energii redox nie brakuje zalet

Jednak ta technologia także ma swoje ograniczenia. Lista pierwiastków, których używa się do konstrukcji ogniw w akumulatorach litowo-jonowych, jest długa. Lit, nikiel, mangan czy kobalt, w różnych konfiguracjach są elementami składowymi tych urządzeń. Wszystkie te metale są wydobywane w różnych częściach świata, co sprawia, że produkcja magazynów energii opracowanych według tej technologii wymaga budowy wielu łańcuchów dostaw i jest wyzwaniem logistycznym. Co więcej, największe złoża kobaltu znajdują się w Demokratycznej Republice Konga, gdzie regularnie naruszane są prawa człowieka.

Przepływowe magazyny energii redox są prostsze w budowie oraz wyjątkowo bezpieczne w użyciu. W przypadku wymieszania się elektrolitów nie ma zagrożenia pożarowego oraz niebezpieczeństwa eksplozji. Mogą być również bardzo łatwo skalowalne – ich pojemność ogranicza jedynie wielkość zbiorników, w których przechowuje się elektrolity. Jest to również technologia, która cechuje się wyjątkową trwałością. Badania pokazują, że ich żywotność sięga nawet 20 000 cykli. Po zużyciu całej zgromadzonej energii mogą pozostać rozładowane znacznie dłużej od swoich odpowiedników wykonanych w technologii litowo-jonowej.

Oczywiście i to rozwiązanie nie jest pozbawione wad. Tlenki wanadu, które można znaleźć w akumulatorach redox, posiadają toksyczne właściwości i są szkodliwe zarówno dla ludzi, jak i środowiska naturalnego.

Rozwiązania wykonane w technologii litowo-jonowej są już na stałe wprowadzone do komercyjnego zastosowania. Skala inwestycji poczynionych przez przedsiębiorstwa w Chinach czy Stanach Zjednoczonych – największych producentów tych akumulatorów –  jest tak znacząca, że rynek jest w stanie sukcesywnie obniżać koszty. Jeszcze w 2010 roku wynosiły one 1100 dolarów/kWh. 10 lat później było to już 137 dolarów. Znaczącym bodźcem dla rozwoju tych technologii jest motoryzacja. W kwietniu bieżącego roku koncern Nissan poinformował, że w 6 lat jest w stanie zredukować koszty produkcji do 65 dolarów/kWh.

Innowacje pomogą?

Nad problemem toksycznego wanadu od kilku lat pracują m.in. naukowcy z University of Southern California, którzy proponują zastąpienie pierwiastka siarczanem żelaza. Ten nieorganiczny związek chemiczny, pełniący w projekcie rolę pozytywnie naładowanego elektrolitu, jest produktem ubocznym procesów zachodzących w kopalniach. Z tego powodu jest powszechnie dostępny, tani oraz nie posiada toksycznych właściwości toksyczny. Z kolei negatywnie naładowanym elektrolitem jest organiczny kwas antrachinodisulfanowy (AQDS).

Według wyliczeń naukowców, zastosowanie tych elementów pozwoli znacznie obniżyć cenę magazynów energii redox. Przy wprowadzeniu tego rozwiązania do powszechnej sprzedaży, może ona spaść do nawet 60 dolarów/kWh. Co więcej, rozwiązuje to problem pozyskania surowców z kopalń rozsianych po całym świecie.

Magazyny energii redox – komercyjne zastosowanie

Zanim technologia opracowana przez kalifornijskich badaczy trafi do powszechnego zastosowania, póki co na rynku są dostępne wanadowe magazyny redox. Jeden z nich od maja 2022 roku pracuje w Chinach. System został wyposażony w akumulatory o pojemności 400 MWh, ale docelowo zostanie zwiększona do 800 MWh. Instalacja ma z pomóc zmniejszyć obciążenie sieci w mieście Dalian. Podobne projekty do końca 2022 roku powstaną w Hubei. W tym przypadku inwestycja będzie miała pojemność sięgającą 500 MWh.