Powszechne akumulatory litowo-jonowe nie nadają się do przechowywania energii przez dłuższy czas. Jednak w tym aspekcie systematycznie pojawiają się nowe rozwiązania. Obecnie obiecującą technologią są baterie przepływowe, ale nie jest to idealne rozwiązanie – pisze Jacek Perzyński, redaktor BiznesAlert.pl.
W nadchodzących dziesięcioleciach odnawialne źródła energii będą odgrywać coraz większą rolę w miksie energetycznym wielu krajów. Ponieważ energia słoneczna i wiatrowa wytwarzają energię elektryczną tylko wtedy, gdy jest słonecznie lub wietrznie, zapewnienie niezawodnego systemu, który może dostarczać prąd 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu wymaga udoskonalenia środków magazynowania energii.
Czym są baterie przepływowe i jak działają?
Bateria przepływowa to urządzenie elektrochemiczne, które może przechowywać setki megawatogodzin energii, wystarczającej do utrzymania tysięcy domów. Akumulator ten korzysta z dwóch ciekłych roztworów chemicznych, które oddzielone są membraną (specjalna błona półprzepuszczalna). Membrana umożliwia wymianę jonów między substancjami, dzięki czemu energia chemiczna przemienia się w energię.
Kluczowym elementem przy konstruowaniu baterii przepływowych jest wanad (pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych). Pierwiastek ten jest w stanie zapewnić stosunkowo wysokie napięcie ogniwa, co jest korzystne dla magazynowania większej ilości energii. Baterie przepływowe wanadu są trwałe, a ich oczekiwana żywotność wynosi 25 lat lub więcej bez utraty zmagazynowanej pojemności, podczas gdy akumulatory litowe zużywają się szybciej.
Bateria przepływowa to magazyn energii ze źródeł odnawialnych, który zaspokaja zapotrzebowanie na prąd w godzinach szczytu. Akumulatory w czasie mniej napiętego okresu na energię ładowane są dzięki farmom słonecznymi lub wiatrowym, a w okresie dużego obciążenia sieci trafia do niej zmagazynowana energia. Bateria ma na celu minimalizowanie ryzyka blackoutu i stabilizację systemu elektroenergetycznego.
Jakie są wady i zalety baterii przepływowych?
W przeciwieństwie do akumulatorów litowych, akumulatory przepływowe zawsze rozładowują się do 100 procent, nie ma rozkładu ani utraty zmagazynowanej energii w czasie. To oznacza, że 100 procent początkowej pojemności akumulatora jest dostępne przez cały okres eksploatacji, co ułatwia dopasowanie dziennego zapotrzebowania. Nie ma potrzeby ulepszania lub serwisowani już zainstalowanego akumulatora, co oznacza, że ten rodzaj technologii jest bardziej ekonomiczny.
Niewątpliwą zaletą tej konstrukcji jest również jej trwałość, a oczekiwana żywotność wynosi 25 lat lub więcej. Ważne jest, że nie ma pogorszenia wydajności, nawet gdy bateria zbliża się do końca swojej żywotności.
Ponadto te urządzenia są bardzo zrównoważoną technologią. Elektrolit stosowany w akumulatorach przepływowych może być ponownie użyty, co oznacza, że wymiana akumulatorów nie wymaga wydobycia nowego wanadu.
Warto zwrócić uwagę, że akumulatory przepływowe są niepalne, a więc nie stwarzają zagrożenia eksplozji, co zdecydowanie zwiększa poziom bezpieczeństwa w porównaniu z innymi technologiami akumulatorów.
Z drugiej strony oczekuje się, że popyt na wanad będzie rósł, co może stanowić niemałe wyzwanie. Pierwiastek ten występuje na całym świecie, ale w bardzo małych ilościach, a wydobycie go jest trudne. Istnieje więc ograniczona liczba potencjalnych złóż. Metal ten jest głównie wydobywany w Rosji, Chinach i RPA, jednak w obecnych czasach łańcuchy dostaw są podatne na wstrząsy i zakłócenia.
Kolejną przeszkodą we wdrażaniu tego rodzaju rozwiązań są stosunkowo wysokie koszty, osiągające około 800 dolarów za każdą kWh, czyli ponad dwukrotnie więcej niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
W rezultacie ceny wanadu są zarówno wysokie jak i niezwykle zmienne, co stanowi przeszkodę w szerokim rozpowszechnieniu baterii przepływowej.
Wanad jako kluczowy pierwiastek baterii przepływowych
Ogromną zaletą wanadu jest to, że nie ulega degradacji. Przykładowo: w przypadku umieszczenia 100 gramów wanadu w baterii za 100 lat można odzyskać taką samą ilość tego surowca.
Obecnie tylko ten pierwiastek może posłużyć do budowy nowych akumulatorów. Jednak w kontekście geopolityki będzie to niemały problem. Można powiedzieć, że dwaj główni rywale Zachodu kontrolują wydobycie tego surowca, więc rozwój baterii przepływowych w Europie i Stanach Zjednoczonych dużej mierze jest uzależniony i kontrolowany przez Rosję i Chiny.
Z drugiej strony naukowcy są świadomi potencjalnych ograniczeń i cały czas poszukują nowe zamienniki, które mogłyby tańsze i bardziej dostępne niż wanad. Jednak nie jest to takie proste, gdyż opracowanie nowych rozwiązań może wygenerować wyższe koszty kapitałowe, eksploatacja innych surowców może okazać się droższa i przełoży się to na niższą efektywność.
Jakie jest praktyczne zastosowanie baterii przepływowych?
Pod koniec września 2022 roku największa na świecie bateria przepływowa o mocy 100 MW została podłączona w chińskim mieście Dalian (prowincji Liaoning). Docelowa pojemność baterii w chińskim mieście ma wynieść 200 MW.
Biorąc pod uwagę, że średnie dzienne zużycie energii elektrycznej w Chinach to około 2 kWh na mieszkańca, system może zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną nawet dla 200 tysięcy mieszkańców miasta Dalian. To największy projekt tego typu, zarówno pod względem mocy, jak i wydajności. Całkowity koszt inwestycji wyniósł 3,8 mld juanów (2,6 mld zł).
Ponadto, amerykańskie siły zbrojne przystąpiły do testów nowych akumulatorów GridStar z firmy Lockheed Martin w bazie Fort Carson w stanie Kolorado. Akumulator przepływowy jest w stanie dostarczać energię do 1 MW przez maksymalnie 10 godzin.
Lockheed Martin twierdzi, że system jest zaprojektowany do magazynowania do setek megawatów energii bez ryzyka toksyczności lub zagrożenia pożarowego. Firma twierdzi również, że system akumulatorów przepływowych będzie działać przez 20 lat.
Jeśli akumulator przepływowy okaże się sukcesem, może to oznaczać początek technologii nowych baterii zdolnych do długotrwałego przechowywania energii, w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych Departamentu Obrony w kraju.
Zakończenie budowy baterii przepływowej w Fort Carson zaplanowano na koniec 2023 roku, a oddanie do użytku nastąpi w 2024 roku.
Jakie są perspektywy baterii przepływowych?
Ten rodzaj baterii jest bezpieczniejszy niż w przypadku odpowiedników litowo-jonowych, więc ryzyko awarii akumulatora przepływowego i niebezpiecznego pożaru z toksycznymi oparami jest znacznie niższe. Wygląda na to, że w przyszłości wanadowe baterie stopniowo znajdą zastosowanie w systemach magazynowania energii.
Naukowcy podkreślają pilność zagrożeń związanych ze zmianą klimatu i potrzebę posiadania gotowych systemów magazynowania o długim czasie działania. Oczywiście ten typ akumulatorów nie jest w stanie rozwiązać wszystkich problemów magazynowania energii, gdyż wady konstrukcyjne blokują skuteczną implementację. Ważne jest, że specjaliści nieustannie udoskonalają niektóre rozwiązania, które faktycznie będą w stanie konkurować z wanadem i będą działać w dłuższej perspektywie.
Dobrą wiadomością jest to, że postępy osiągnięte w badaniach nad akumulatorami przepływowymi można często zastosować do innych urządzeń tego typu. Z pewnością będą stanowić one pomoc w opracowywaniu doskonalszych systemów magazynowania energii.
Polska chce budować elektrownie szczytowo-pompowe. Czas na ustawę w Sejmie
