Проточные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы стали предпочтительным накопителем энергии для сотовых телефонов, портативных компьютеров, персональных портативных устройств и электромобилей. Высокая плотность энергии литий-ионного элемента помогает ему хранить большое количество энергии без лишнего веса и не занимать слишком много места. Литий-ионные аккумуляторы также находят применение в стационарных хранилищах энергии, таких как энергосистемы с возобновляемыми источниками энергии и резервные источники питания для компьютерных систем и критического медицинского оборудования.
Хотя цена литий-ионных аккумуляторов в последние годы снизилась, в основном благодаря спросу со стороны отрасли производства электромобилей, технология по-прежнему остается относительно дорогой. У них есть и другие проблемы, такие как ограниченный срок службы и возможность возникновения пожара в случае чрезмерного или недостаточного заряда. Традиционные свинцово-кислотные батареи также могут использоваться в этих приложениях, но они не обладают плотностью энергии, скоростью зарядки или емкостью, которые могут обеспечить литий-ионные батареи. Но есть современная альтернатива – проточные аккумуляторы (или проточные батареи), которые хранят энергию в растворах жидких электролитов (анолит и католит), которые прокачиваются через элемент для производства электроэнергии.
Проточные батареи имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными аккумуляторами, в том числе хранение большого количества энергии, быстрое время зарядки и разрядки и длительный срок службы. Наиболее распространенные типы проточных аккумуляторов включают ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (VRB), бромно-цинковые батареи (ZNBR) и батареи с протонообменной мембраной (PEM).
Ванадиевые окислительно-восстановительные аккумуляторы
Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи являются наиболее широко используемым типом проточных аккумуляторов. Они используют два разных раствора ионов ванадия, один в положительном состоянии (V(+4)) и один в отрицательном состоянии (V(+5)), которые разделены мембраной. Зарядка вызывает окисление и восстановление ионов ванадия, что приводит к увеличению электрического потенциала. Когда аккумулятор разряжается, ионы ванадия проходят через мембрану, генерируя электрический ток. Несколько компаний поставляют системы VRB по всему миру.
Invinity Energy Systems имеет проточные ванадиевые батареи более 45 мегаватт-часов (МВтч), развернутые или законтрактованные на объектах по всему миру. Крупнейшая установка Invinity – это проточная батарея мощностью 2 МВт (МВт)/8 МВтч, расположенная вместе с солнечной фотоэлектрической батареей мощностью 6 МВт на земле, прилегающей к станции Ядламалка, ферме по разведению овец и крупного рогатого скота площадью 1000 квадратных километров в Австралии.
Цинк-бромные аккумуляторы
Цинк-бромные (ZNBR) батареи являются старейшим типом проточных батарей (первые прототипы были получены в 1879 г.) и используют ионы цинка и брома для хранения электроэнергии. Высокая плотность энергии делает их идеальными для крупномасштабных систем хранения энергии. Цинк-бромные батареи использовались в течение нескольких десятилетий в различных приложениях, в том числе в системах хранения энергии коммунального масштаба и в системах резервного питания. Раствор (электролит) бромно-цинкового хранится в двух емкостях. Раствор прокачивается через пакет реакторов, состоящий из двух отсеков, разделенных микропористой мембраной из полиолефина. Электролит на отрицательной (анодной) стороне основан на воде, а электролит на положительной стороне содержит органическое соединение амина. Этот амин используется для удержания брома в растворе. Когда батарея ZNBR заряжается, металлический цинк наносится в виде пленки на анодную сторону пластикового композитного электрода. В то же время ионы брома окисляются до брома и образуют побочный продукт, который опускается на дно емкости с катодным электролитом. Когда аккумулятор разряжается, металлический цинк с покрытием окисляется и растворяется в водном электролите, высвобождая два электрона на анод, используемый для питания электрического устройства. Когда электроны возвращаются через катод (положительный электрод), бром в побочном продукте амина превращается в два отрицательных иона бромида и объединяется с образованием раствора бромида цинка.
В отличие от литий-ионной батареи с общей эффективностью заряда-разряда 90 процентов, ZNBR находится в диапазоне эффективности 65-75 процентов. Redflow в Австралии и Primus Power в США – две компании, занимающиеся коммерциализацией проточных бромно-цинковых батарей. Подобный аккумулятор можно масштабировать за счет размера резервуаров для электролита: Redflow производит систему на 10 киловатт-часов (кВтч), а Primus Power – на 125 кВтч.
Проточные аккумуляторы с протонообменной мембраной
Проточные аккумуляторы с протонообменной мембраной (PEM) используют протонпроводящую мембрану для разделения положительного (катодного) и отрицательного (анодного) электродов. PEM представляют собой новый тип проточной батареи и действуют как комбинация электролизера, использующего зарядную электрическую энергию для расщепления воды на водород и кислород, и топливного элемента, объединяющего водород и кислород, как топливный элемент во время разряда, для производства свободных электронов. В качестве одного из электродов для хранения водорода, образующегося при зарядке, можно использовать твердотельный электрод из гидрида металла. Из-за более высокой плотности мощности проточные батареи PEM обсуждаются для использования в электромобилях для замены литий-ионных батарей. Как и литий-ионные элементы, они обладают высокой эффективностью, теряя мало энергии между циклами заряда и разряда.
Перспективы развития проточных аккумуляторов
В будущем проточные батареи будут играть решающую роль в развитии систем возобновляемой энергии. Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая энергия, нуждаются в средствах для хранения избыточной энергии, вырабатываемой в периоды высокой производительности, и высвобождения ее в периоды низкой производительности. Проточные аккумуляторы идеально подходят для решения этой проблемы, так как они могут хранить большое количество энергии и быстро высвобождать ее, когда это необходимо.
Ожидается также, что проточные батареи будут использоваться в системах микросетей, которые представляют собой небольшие энергетические сети, независимые от традиционной электрической сети. Микросети становятся все более популярными, поскольку они обеспечивают более надежный источник энергии, особенно в сельской местности или районах, подверженных перебоям в подаче электроэнергии.
Кроме того, проточные батареи полезны в системах резервного питания для обеспечения электрической поддержки во время перебоев в подаче электроэнергии и стихийных бедствий. Поскольку количество электромобилей на дорогах резко увеличилось, спрос на литий в их батареях будет продолжать расти. Проточные аккумуляторы представляют собой жизнеспособную альтернативу использованию литий-ионных аккумуляторов в сетевом хранилище, экономя литий для электромобилей.
© digitrode.ru