Aby prądu nie zabrakło

Kontynuując informacje w zakresie magazynowania energii z odnawialnych źródeł (o czym była mowa w Aktualnościach w BzG 1/2016), przyjrzyjmy się innym rozwiązaniom.

Amerykańska firma JLM Energy zaprezentowała nowy domowy magazyn energii o nazwie Energizer 200. Do budowy systemu wykorzystano technologię LiFePO4. Przedstawiciele firmy zapewniają, że baterie LiFePO4 to lepsze rozwiązanie w przypadku magazynów energii ładowanych i rozładowywanych w cyklach dziennych, a żywotność tych baterii oceniają na 15-17 lat lub nawet 5000 cykli ładowania. Pojemność magazynu energii może wynosić, w zależności od liczby baterii, których jednostkowa pojemność wynosi 2,6 kWh – od 5,2 kWh do 20,8 kWh. Producent przewiduje, że zestaw fotowoltaiczny o mocy 5 kW wraz z baterią o pojemności 10,4 kWh jest wystarczający do zaspokojenia potrzeb domu jednorodzinnego. Instalacja wraz z systemami zarządzającymi i optymalizującymi jego pracę ma kosztować, wraz z montażem, około 18 tys. dolarów. Z pewnością trudno będzie konkurować innym firmom z powyższym systemem (pod względem cenowym) ze względu na federalne ulgi inwestycyjne w wysokości 30%. Są one dostępne w ramach stosowanego w USA rządowego mechanizmu wsparcia inwestycji fotowoltaicznych. Dodatkowo inwestorzy w Kalifornii mogą liczyć na stanowy program wsparcia o nazwie Self-Generation Incentive Program (SGIP), z którego można pokryć nawet 50% kosztów całego systemu. Ach ta Kalifornia.

Z kolei w Korei Południowej powstał największy system magazynów energii oparty o technologię litowo-niklowo-manganowo-kobaltową (Li-NMC). System magazynów energii w technologii Li-NMC składa się z instalacji o mocy 24 MW i pojemności 9 MWh oraz z instalacji o mocy 16 MW i pojemności 6 MWh. Podstawowym celem tych projektów, w odróżnieniu od systemów domowych, jest regulacja częstotliwości napięcia sieci energetycznej. Magazyny te dostarczą dodatkowej energii w szczytach zapotrzebowania. Realizowany w Korei Płd. projekt zakłada budowę kolejnych magazynów energii. W sumie do 2017 r. mają powstać tego rodzaju instalacje o łącznej mocy 500 MW.

Wracając do domowych systemów, do gry wkracza również niemiecki koncern energetyczny E.ON. Celem firmy jest odejście od konwencjonalnej, scentralizowanej energetyki i skupienie się bardziej na obsłudze swoich klientów, dostarczając im rozwiązania z zakresu OZE, czy magazynowania energii. Aby to osiągnąć, E.ON podjął współpracę z firmą Solarwatt, która już w ubiegłym roku wypuściła na rynek domowy magazyn energii o nazwie MyReserve. Pojemność domowego magazynu energii Solarwatt, model MyReserve 500, maksymalnie wynosi 11 kWh. Podana na stronie Solarwatt cena dla klienta końcowego, zawierająca VAT i koszty montażu, zaczyna się od 5,5 tysiąca euro w przypadku zestawu o pojemności 4,4 kWh. Klienci E.ON, którzy zdecydują się na zakup domowego magazynu energii, otrzymają dodatkowo dostęp do aplikacji pokazującej bieżącą pracę domowego systemu fotowoltaicznego i magazynu energii. Nie dziwi fakt, że liczba domowych magazynów energii w Niemczech stale rośnie, skoro jest to wspierane przez program dotacji wprowadzony przez niemiecki rząd. Beneficjenci programu będą mogli ubiegać się o preferencyjną pożyczkę z opcją refundacji części poniesionych kosztów – do maksymalnie 25% poniesionych kosztów kwalifikowanych wyłącznie na zakup i montaż magazynu energii (przy zachowaniu kryterium maksymalnej mocy instalacji fotowoltaicznej wynoszącej 30 kWp oraz dodatkowo ograniczenia ilości energii wprowadzanej do sieci dzięki wykorzystaniu magazynu energii do maksymalnie 50% uzysku energii z PV).

Największy europejski producent ogniw i modułów fotowoltaicznych, jest kolejną firmą, która zaoferuje swoim klientom domowy magazyn energii (SunPac LiOn). Będzie się on składać się z modułów o pojemności 2 kWh, a łączna maksymalna pojemność ma wynieść 10 kWh. Solarwatt jest gotowy do sprzedaży swojego nowego produktu w Niemczech i Austrii, nie ujawnia jednak jego ceny. Póki co nie ma planów uruchomienia sprzedaży magazynów energii w Polsce.

Wyżej wymienione magazyny energii opierają się przede wszystkim na związkach litu. Mamy już na rynku technologię, która może stać się „pogromcą” powyższej. Minęły trzy lata, od czasu gdy prezentowałem różne technologie stosowane do magazynowania energii (artykuły "Ekologicznie = ekonomicznie? Magazynowanie energii" - BzG 1/2013 i 2/2013). Omawiałem w nich m.in. elektrownie szczytowo-pompowe, baterie akumulatorów, kompresyjne zasobniki energii, kinetyczne zasobniki energii, superkondensatory, ogniwa paliwowe, nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii. Jakimś cudem zabrakło wówczas informacji o bateriach przepływowych. Właśnie one stają obecnie w szranki w walce o rynek magazynów energii. Momencik, powyżej pisałem o nanoFlowcell®, tak to też baterie przepływowe!!! I o ile powyżej było trochę "na luzie" o technologii, to teraz bardziej naukowo.

Cóż to takiego baterie przepływowe? W tradycyjnych akumulatorach różnego typu przechowywanie energii dokonuje się wewnątrz stałych płyt zawierających związki chemiczne absorbujące energię elektryczną poprzez przemiany elektrochemiczne. W bateriach przepływowych mamy do czynienia z magazynowaniem energii elektrycznej w związkach chemicznych rozpuszczonych w płynach stanowiących elektrolit baterii. Elektrolit ten jest przechowywany w zbiornikach zewnętrznych, skąd przepompowuje się go do baterii, w których wydziela na elektrodach energię elektryczną w trakcie przemian elektrochemicznych. Możemy wyróżnić kilka rodzajów baterii przepływowych: redox (Redox Flow Batteries - RFB), hybrydowe, bezmembranowe.

Baterie przepływowe typu redox

Nazwa "redox" odnosi się do chemicznego procesu redukcji i utleniania, reakcji stosowanych w RFB do przechowywania energii w ciekłych roztworach elektrolitów. Podczas rozładowania elektron jest uwalniany, poprzez reakcję utleniania, z wysokiego potencjału chemicznego po katodowej lub anodowej stronie ogniwa. Elektron ten przemieszcza się następnie przez zewnętrzny obwód obciążenia, aby wykonać użyteczną pracę. Na końcu drogi elektron jest przejmowany poprzez reakcję redukcji przy niższym stanie potencjału chemicznego po katodowej lub anodowej stronie ogniwa. Kierunek prądu i reakcji chemicznych są odwracane podczas ładowania. Całkowita różnica w potencjale między chemicznym stanem elementów aktywnych po obu biegunach ogniwa określona jest przez siłę elektromotoryczną generowaną w każdym ogniwie baterii. Napięcie wygenerowane przez RFB jest specyficzne dla tej substancji chemicznej, która bierze udział w reakcjach i liczbą ogniw, które są połączone szeregowo. Prąd wygenerowany przez baterię jest określany liczbą atomów lub cząsteczek aktywnych substancji chemicznych, które poddane są reakcji w ogniwach, w funkcji czasu. Moc magazynowanej energii dostarczana przez RFB jest iloczynem całkowitego napięcia i wygenerowanego prądu. Całkowita ilość energii magazynowanej w RFB określona jest przez pełną ilość aktywnych związków chemicznych dostępnych w objętości roztworu elektrolitu znajdującego się w systemie. Dzięki przechowywaniu naładowanego elektrolitu poza systemem elektrochemicznym ogniwa, uzyskuje się rozdzielenie systemów mocy i energii, co jest kluczowym wyróżnikiem akumulatorów przepływowych, w stosunku do innych systemów magazynowania elektrochemicznego. Całkowita moc systemu jest uzależniona od wielkości stosu złożonego z ogniw elektrochemicznych, natomiast ilość elektrolitu w ogniwach stanowi zwykle kilka procent całości znajdującej się w systemie. Dzięki temu mamy możliwość przerwania w dowolnym momencie procesu rozładowania baterii podczas awarii oraz uzyskujemy dużą skalowalność systemu w szerokim zakresie. W akumulatorach klasycznych cała energia zmagazynowana jest w stałych płytach – w konsekwencji jakiekolwiek zwarcie w systemie powoduje, że cały ładunek znajdujący się w akumulatorze zostanie rozładowany, co z kolei powoduje całkowitą utratę energii zawartej w systemie i może skutkować uszkodzeniem systemu spowodowanym gwałtownym rozładowaniem. W przypadku akumulatorów przepływowych aktywny udział w procesach elektrochemicznych bierze tylko niewielka część elektrolitu znajdującego się w celach elektrochemicznych. Poprzez zwykłe zatrzymanie pompy, wymuszającej przepływ przez ogniwo, można zatrzymać proces elektrochemiczny, ograniczając do minimum utratę energii oraz szkodliwe efekty termiczne. Dzięki temu system ten jest bardziej odporny na zakłócenia, trwalszy i bezpieczniejszy. Kolejną korzyścią wynikającą z rozdziału mocy od energii, jest bardzo duża elastyczność i skalowalność całego systemu energetycznego, poprzez zwiększanie ilości lub objętości zbiorników. Pozwala to dostosowywać ilość energii do bieżącego zapotrzebowania, umożliwia również korzystanie z usług zewnętrznych, np. poprzez dostawę naładowanego elektrolitu - analogicznie jak to się dzieje w przypadku paliw płynnych. Energia układu może być magazynowana w zakresie od pojedynczych kilowatogodzin do dziesiątków megawatogodzin energii elektrycznej, zależnie od pojemności zbiorników z elektrolitem.

Do najbardziej zaawansowanego typu baterii przepływowych należą systemy oparte na układzie wanadowo-wanadowym. Zasada działania baterii polega na zmianie stopnia utlenienia metalu, który wiąże się z oddaniem lub pobraniem elektronów. Wanad, który ma pięć stopni utlenienia okazał się pod tym względem szczególnie użyteczny. Akumulator wanadowy składa się z dwóch komór oddzielonych od siebie półprzepuszczalną membraną, wykonaną na przykład z sulfonowanego polistyrenu. Elektrodami w tym akumulatorze są dwie metalowe komory wyłożone płytami z grafitu i wypełnione watą grafitową. Do obydwu komór tłoczone są dwa różne wodne roztwory jonów wanadu w kwasie siarkowym, które zawierają wanad o innym stopniu utlenienia. Roztwory tłoczone są do baterii w obiegu zamkniętym z dwóch osobnych zbiorników. W wyniku procesów elektrochemicznych zachodzących w roztworach, na elektrodzie dodatniej pojawia się niedobór, a na ujemnej nadmiar elektronów. Do komór-elektrod, są tłoczone odpowiednio roztwory: V⁵ do dodatniej i V² do ujemnej. W trakcie rozładowania żółty roztwór V⁵ zamienia się w niebieski z V⁴, z kolei fioletowy z V² przechodzi w zielony z V³. Membrana zabezpiecza przed przechodzeniem jonów wanadu z jednej komory do drugiej, pozwala natomiast na swobodne przenikanie jonów wodorowych. Po rozładowaniu akumulatora można go ponownie naładować lub wymienić roztwory na już naładowane. Dostępne akumulatory wanadowe, oprócz istotnych zalet, mają też dość poważne wady. Po pierwsze gęstość energii jest niska, rzędu 20-25 Wh/kg, czyli niższa niż w akumulatorach kwasowych. Ekonomiczny sens mają tylko duże instalacje do gromadzenia sporych ilości energii, na przykład na farmach wiatrowych czy w dużych instalacjach solarnych!!! Ich moc sięga kilku, kilkudziesięciu megawatów, a pojemności wynoszą od 100.000 Ah do 10.000.000 Ah.

Podstawową wadą obecnie stosowanych akumulatorów przepływowych jest wysoka cena elektrolitu wiążąca się między innymi ze stosowaniem kosztownych związków wanadu. Dlatego najnowsze prace idą w kierunku zastosowania materiałów organicznych jako źródła magazynowania ładunku elektrycznego. Konstrukcja nowych baterii opiera się na niedrogich, małych, organicznych cząsteczkach na bazie węgla zwanych chinonami, podobnymi do tych, które transportują ładunki elektryczne u roślin i zwierząt. Chinony występują powszechnie w ropie naftowej oraz roślinach zielonych. W prototypie chinonowego akumulatora wykorzystano organiczne molekuły o budowie niemal identycznej jak ta, którą posiadają chinony występujące w rabarbarze.

W 2016 UniEnergy Technology i Rongke Power planują wdrożyć w życie projekt największego magazynu energii. Bateria przepływu (wanadowa) ma mieć moc 800 MWh (!) i zapewnić stabilizację sieci energetycznej na półwyspie Dalian w północnych Chinach.

Do tej pory największe magazyny energii znajdowały się w Japonii (bateria Li-Ion, o mocy znamionowej 40 MW), w USA (udoskonalona bateria kwasowo-ołowiowa, o mocy znamionowej 36 MW), ponownie w Japonii (bateria sodowo-siarkowa, o mocy znamionowej 34 MW) i USA (bateria Li-Ion, o mocy znamionowej 32 MW).

Ilość rozwiązań rośnie, skala postępu jest olbrzymia, nie pozostaje nic innego, jak dobrać odpowiednią technologię do naszych potrzeb i możliwości.
Jakie to proste...