Průtokové baterie před prahem singularity: část 1

Václav Diopan - 09 Duben 2019

Nedostatky v dovednosti udržet stabilitu rozvodné sítě během velkých výkyvů ve spotřebě a výrobě elektrické energie představují slabou stránku strategie, která ve snaze vyhovět tlaku na ekologické změny nutí k zvýšení podílu proměnlivých zdrojů energie.průtoková redox-flow baterie

Průtoková baterie CellCube založená na využití vanadu byla ve vývoji 15 let
foto: CellCube Energy Storage Systems

Aby se udržela potřebná rovnováha, bude nutné posílit stávající regulační mechanismy o zařízení, co v době přebytku umí energii střádat do zásoby a v době nouze uvolňovat. V úvahu připadá celá řada řešení založených na různém principu.

Díky flexibilitě, šetrnosti k životnímu prostředí a bezpečnosti poutá na sebe velkou pozornost technologie redoxních průtokových baterií (RFB - redox flow battery).

Za celou historii jejich výzkumu bylo postaveno mnoho demonstračních jednotek s různým rozsahem výkonu a kapacity. Získané zkušenosti potvrdily spolehlivost a správnost užití průtokových baterií pro velkoformátové skladování elektrické energie.

Nicméně RFB zůstaly do dnešních dnů nedoceněny. Namísto toho vlivem dostupnosti a dominantního postavení lithium-iontových článků na trhu začaly být nabízeny též k zálohování dodávky energie do elektrické sítě.

Například největším lithiovým akumulátorem se pyšní Austrálie (129 MWh, výrobce Tesla). O australské prvenství se strhne v příštích letech asi přetahovaná, protože se chystají ještě větší instalace.

Na dalších řádcích bude zodpovězeno: Co to jsou redoxní průtokové baterie? Jaká je jejich historie? Jaké jsou jejich vlastnosti? Kam se ubírá jejich vývoj? A zvláštní pozornost bude věnována dosavadnímu neúspěchu a jeho důvodům.

Co jsou redoxní průtokové baterie?

Pod pojmem redoxní průtoková baterie (redox flow battery - RFB) se rozumí elektrochemické zařízení pro ukládání elektrické energie pomocí vzájemně odděleného anodového a katodového elektrolytu skladovaného v rezervoárech, který je při potřebě vytvořit elektrický proud vháněn do příslušných segmentů elektrochemické cely separovaných od sebe membránou zabraňující promíchání roztoků, ale umožňující výměnu určitých iontů mezi anodovým a katodovým prostorem.

Obecné schéma redoxní průtokové baterie.
foto: archiv autora

Během provozu anoda odebírá elektrony uvolněné při oxidaci a katoda pak v uzavřeném obvodu tyto přenesené elektrony daruje redukčnímu ději. Přičemž samotné elektrody zůstávají netknuté.

Chemické změny probíhají pouze u aktivních látek přítomných v kapalném roztoku. Vyčerpaný elektrolyt po opuštění cely putuje zpět do zásobníku a čeká, než bude regenerován v opačném procesu.

Popsanou kategorii průtokového systému, kde všechny aktivní látky jsou v kapalném stavu, lze označit za konvenční RFB. Rozeznáváme však ještě další základní typ - hybridní RFB. Nárok na zařazení do této skupiny získávají články splňují-li podmínku, že alespoň jeden z reaktantů má pevné skupenství.

Typickým příkladem je článek zinek-brom. Pevnou část tvoří zinková anoda, která je během vybíjení rozpouštěna v elektrolytu. Elektroda se tedy zde účastní přímo reakce a aktivní hmota je součástí elektrochemické cely.

Druhy designu jasně ukazují, že hranice mezi RFB a akumulátorem, kde aktivní látku zastupuje většinou pevná anoda a katoda, je neostrá. Ještě více společných znaků RFB sdílí s palivovými články. Jediný podstatný rozdíl spočívá v tom, že palivový článek není konstruován k dobíjení.

RFB se hodí k velkoobjemovému ukládání energie

Je to dáno flexibilitou návrhu zařízení, kdy lze libovolně a nezávisle na sobě přizpůsobovat kapacitu a výkon zdroje, protože o kapacitě rozhoduje objem nádrží pro elektrolyt a o výkonu proporce elektrochemické cely.

Hybridní průtoková baterie ZBM2 typu Zn-Br vyráběná společností RedFlow. Přiléhavý název RedFlow pochází od hnědočerveného zbarvění elektrolytu způsobeného přítomnosti bromu.

Hybridní průtoková baterie ZBM2 typu Zn-Br vyráběná společností RedFlow. Přiléhavý název RedFlow pochází od hnědočerveného zbarvění elektrolytu způsobeného přítomnosti bromu.
foto: RedFlow

Výrobci vyspělých článků často vyzdvihují dlouhověkost. Po simulaci dvaceti let provozu nezpozorovali žádnou degradaci. Kdyby se vyjádřila životnost způsobem obvykle používaným pro popis akumulátorů, vycházela by tato čistě spekulativní hodnota klidně na 100 000 - 200 000 cyklů.

Z environmentálního hlediska je cenné, že po skončení činnosti se průtoková baterie snáze recykluje. V podstatě 100 % aktivního materiálu lze přepracovat a vpustit znovu do oběhu. Mimoto jako rozpouštědlo aktivních látek slouží obyčejná voda, která nehoří a není toxická.

Hlavní faktor odsuzující průtokové baterie ke stacionárním účelům spočívá v nízké energetické hustotě, jež začíná a až na výjimky o mnoho nepřevyšuje 20 Wh na litr elektrolytu. Mezi zde prezentovanými jediný článek zinek-brom nabízí výjimečnou energetickou hustotu do 100 Wh/litr elektrolytu.

Průtoková baterie dokáže vrátit 60-80% energie do ni vložené. V oblasti záchrany energetických přebytků se to považuje za excelentní výkon. Překonávají ho jenom lithiové akumulátory.

Kolik druhů RFB existuje?

Periodická tabulka prvků disponuje sice omezeným počtem elementů, ale z nich lze sestavit nepřeberný v lidském chápání prakticky nekonečný počet průtokových systémů.

Mnohé RFB jsou předmětem probíhajících výzkumů včetně těch vhodných pro pohon elektrovozů, o nich ale zase někdy jindy. Pro rutinní aplikace vyzrály zejména ty založené na dvojicích železo-chrom, zinek-brom, zinek-železo, polysulfid-brom, vanad-vanad a železo-železo.

Průtoková baterie měla být na Měsíci

Zrod moderní podoby průtokové baterie se odehrál v sedmdesátých letech minulého století, kdy , nejspíš volně inspirovaná myšlenkou teoretického návrhu průtokového zdroje patentovaného roku 1954, vyvinula zařízení obsahující ionty železa a chromu. Hledala tak zásobárnu energie pro měsíční základny schopnou zachytit přeměněné sluneční záření.

Navzdory smělým plánům základny na přirozeném satelitu Země nevznikly. Projekt baterie byl ukončen v roce 1984. Zejména protože zájem o něj ztratil předchůdce Ministerstva energetiky Spojených států amerických, jež ho spolufinancoval.

V době ropné krize byl pochopitelně výzkum podobného zaměření populární, ale jakmile nedostatek ropných produktů pominul, dostal se do kolonky nadbytečný.

S podporou vládních úřadů následovalo převedení rozvoje systému do rukou soukromého sektoru. Nicméně klesající zisk zainteresované ropné společnosti SOHIO (dnes BP) ji donutil k úsporným opatřením. K opuštění dalších prací přispěla rovněž ekonomická analýza průtokového systému založená na dohadech a odhadech.

Tím se dějová linka v přerušuje. Příběh však částečně paralelně pokračoval v Japonsku. Tam rozjeli projekt Moonlight. Probíhal za velmi těsné spolupráce vědců z USA a několik let jejich postup prakticky kopíroval.

Bohužel Japonci rozhodli zavést některé inovace například snížili operační teplotu, což vedlo k nižší výkonové hustotě než dosahoval původní americký projekt. Při porovnání byla proto japonská odnož právem označena za technicky nedostatečnou a rovněž zrušena.

Technologii železo-chrom oprášila v nedávné době až společnost EnerVault ze Silicon Valley. Úspěšně dokončila v Kalifornii v roce 2014 větší testovací model baterie. O rok později startup hledal nového majitele a od té doby se nechlubí žádnou progresí.

Na počátku byla ropná firma

Obecně redoxní prostředky v souvislosti s elektromobilitou a obnovitelnými zdroji vnímáme jako nástroj, jež nás může zbavit závislosti na fosilních palivech. Je docela ironií, že dveře do této komnaty odemkly právě ropné firmy, když hledaly na čem jiném by vydělaly v těžkých časech ropné krize.

Ano byla to právě americká olejářská společnost Exxon, která první představila dobíjecí lithiový článek, bez něhož se neobejde žádné elektroauto. Kdyby potíže s ropou přetrvaly, elektromobilita by dnes...

Průtoková baterie Energypod

Průtoková baterie Energypod
foto: Primus Power

Jakoby to nestačilo, do dějin se Exxon zapsal ještě zkonstruováním hybridního průtokového článku zinek-brom. Začátkem 80. let dokončil časný návrh. Následně ale vysoké pracovní nasazení, zřejmě s obnovením v důvěry v ropu, polevilo a technologie byla licencována.

Ve Spojených státech amerických odpovědnost za vývoj převzaly národní laboratoře Sandia a Ministerstvo energetiky za participace korporace známé svými akumulátory Varta. Snily přitom o bezolovnatých energetických skladištích.

Technologie pronikla rovněž do japonského programu Moonlight. V něm prověřovali kromě redoxních párů železo-chrom, zinek-brom ještě skupinu sodík-síra a zinek-chlor. Obě země dospěly k vlastním modulům. Jen v Japonsku to brali vážněji a v roce 1990 z navržených modulů poskládali baterii o kapacitě 4 MWh.

V současné době nejviditelněji prosazuje Zn-Br články australská společnost RedFlow. Jejich produktové srdce ZBM2 se pyšní titulem nejmenší průtoková baterie, jelikož pojme jen 10 kWh při hmotnosti 240 kg.

Referenční platforma velkokapacitní baterie od RedFlow. Obsahuje 45 jednotek ZBM2 (450 kWh) a šest dvanácti-kilowatových střídačů v šestimetrovém přepravním kontejneru.

Referenční platforma velkokapacitní baterie od RedFlow. Obsahuje 45 jednotek ZBM2 (450 kWh) a šest dvanácti-kilowatových střídačů v šestimetrovém přepravním kontejneru.
foto: RedFlow

V roce 2017 to se společností vypadalo špatně. Prohrávala marný boj s lithiovými akumulátory. RedFlow však nedávno obnovila výrobu po přesunu továrny do Thajska. Podařilo se ji získat nové zakázky a v posledním období snížit ztrátu.

Vedení ohlásilo že, bude ve velmi brzké době dosaženo maximální výrobní tempo 30 MWh za rok a ke konci roku 2019 náklady produkce nižší o 30%, což bude klíčové pro konkurenceschopnost a úspěch podnikatelského plánu.

V podnikání manažment spoléhá na domácí úložiště dotované australskou vládou. Po zkušenostech s lithiovým soupeřem přidal na seznam obchodního zájmu lukrativnější podnikové zálohy a speciálně chce prorazit u napájení telekomunikační infrastruktury v rozvojových zemích s častými výpadky elektrického proudu nebo izolovaných míst mimo elektrickou síť.

Roztok pracovní látky odděluje v ZBM2 od vnějšího světa dvojitá stěna. Opatření jistí před únikem toxického a zároveň těkavého halogenu. Jedovatost a agresivita je hlavní nevýhodou bromového katolytu. Na druhou stranu nebezpečí expozice při havárii není tak vysoké, jak by se mohlo zdát při prostém pohledu na toxikologické údaje.

Ani po náhodném a nepochybně mimořádném úniku nehrozí stejný scénář, co potkal vojáky Dohody na frontové linii u Ypres, protože brom je v elektrolytu z větší části komplexován a jeho tenze par dosahuje pouze nepatrného zlomku čisté látky.

Při nehodě třeba domovního úložiště, proto stačí po čichové detekcí otravných par okamžitě opustit zamořený prostor a zajistit dekontaminaci. V nejhorším případě si postižený odnese podrážděné oči a dýchací cesty.

různé
Zpět na HybridPřidat komentář

Bylo by fajn napsat článek o setrvačníkových úložištích. Někdo se znalostmi?

Výborný článek. Škoda, že se zatím nedaří najít takové složení elektrolytů, které by mělo vyšší hustotu energie. Ale určitě je to další způsob, jak elektrickou energii efektivně ukládat.

---

hariprasad

Obrázek uživatele Kuk

off

volně to sem pohodím, neštudoval jsem to

CO2 analýza - porovnání e-Golf a Golf 1.6 TDI
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1b9WkLOjaej7OrPk3ATSxGjYTQxzDoMrA5WuK5K0M-xE/htmlview

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá - Leave the oil in the soil and the coal in the hole. - Sekám a vysávám na baterky. // Jak vkládat odkazy bez registrace. Stačí vložit mezeru www. link.com www.freeghosn.com #freeghosn ‪#‎BasuraChallenge‬ ‪#‎trashtag‬

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Tak píšítí tam, že diesel udělá na 100 km 20,6 kg CO2, Elektromobil 3,6 kg chvilku jsem hledal a našel, že člověk svojí chůzí vytvoří 1,22 kg, cyklista 0,53 kg, takže mi vyplývá, že 4 členná rodina je lepší, aby jezdila elektromobilem než chodila pěšky (zakažme rodinné procházky a nařiďme rodinné projížďky elektromobilem), jednotlivec a dvojice, ovšem nesmí jezdit elektromobilem a musí chodít, ale ta samá rodina by vytvořila jen 2,12 kg CO2 při jízdě na kole, takže zakažme rodinné projížďky elektromobilem a nařiďme rodinné projížďky na kolech. Nebylo by vlastně nejlepší zakázat auta veškerá? Nebo zakázat kompletní mobilitu? A je největší problém ten ošklivý CO2, co jeho honěním jsme udělali všechna zvěrstva dieselgate včetně ostatních a mnohem horších emisních problémů, které řešíme recyrkulacema a filtry pevných částic...neděláme si vlastně většinu těchto problémů sami hony na čarodejnice a úřednickým lobby a neználkovstvím v kombinaci s naprosto konzumní nadspotřebou čehokoli, které nás žene do ekologistické vývrtky bez návratu?

Obrázek uživatele spetak

Zakažme lidi a je po vtákách.....

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Díky za doplnění, když jsem to psal, tak se mi vybavil vtip:
Potkaj se dvě panety a jedna druhá povídá: "Copak ti je, vypadáš nějak nedobře."
"Ale chytla jsem lidi"
"Neboj, to brzo přejde...."

Obrázek uživatele spetak

Že by 'planety'???

No nevím, školy nemám, ale místo slovíčka "cely" bych použil "buňky".
I překladátor vám přeloží "cell" jako "buňka".

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Cela je ale opravdu odborný a zavedený výraz.

Obrázek uživatele Kuk

Další ukázka lenosti překládat a používat slova která již máme.

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá - Leave the oil in the soil and the coal in the hole. - Sekám a vysávám na baterky. // Jak vkládat odkazy bez registrace. Stačí vložit mezeru www. link.com www.freeghosn.com #freeghosn ‪#‎BasuraChallenge‬ ‪#‎trashtag‬

Ve vezenstvi? :-)

Obrázek uživatele Jan Veselý

Spíše "články".

Obrázek uživatele Jan Veselý

Už to tu ostatní nakousli, hlavní problém mají průtokové baterie v ceně. Oproti Li-ion článkům mají tu nevýhodu, že se nejedná o plně komoditizovaný (zaměnitelné výrobky různých výrobců) produkt, ještě nebyl z mnoha možných chemismů fakticky určen ten nejvhodnější, ty velké průtokové baterie nejsou produkovány ve velkém jako standardizované investiční celky.
Ale pořád mají naději, hlavně jako ekvivalent přečerpávaček tam, kde se to hodí lidem, ne kde jsou kopce.
Li-ion se ovšem drsně vezou na zkušenostní křivce, ještě je čeká tak 6x pokles ceny o 20% (0.8^6 - pokles ceny o 74%) než nasytí jen trh s osobními automobily.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Dobrý článek!
Jen tedy RDF zatím vypadá celkem draze (při té nízké účinnosti). Je nějaká větší naděje na zlevnění a tedy i konkurence schopnost vůči Li-ion v ukládání energie průmyslovém měřítku? Co způsobuje tu vysokou cenu? Střídače by měli stát stejně jako u Li-ion a redukční jednotky jsou relativně malé, bez drahých kovů, stejně jako ty používané elektrolyty....je to jen otázkou nasazení velkovýroby či je v tom ještě nějaký zakopaný pes?

Obrázek uživatele Jan Veselý

čerpadla, membrány, kde probíhá reakce a nejednotnost designu. Je to jako FV články v roce 1990, několik potenciálních možných technologií (poly-Si, mono-Si, CIGS, CdTe, GaAs, ...) a malý objem produkce.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Z článku může vzniknout dojem, že průtokové baterie jsou pouze ve výzkumných projektech.

Avšak již v roce 2013 jsem se k mé FVE 22,5 kWp zajímal o vanadiovou průtokovou baterii rakouské firmy Cellstrom GmbH (nyní Enerox GmbH) typ cellcube FB 10-100 s výkonem 10kW a kapacitou 100kWh (v současné době však firma nabízí jen modely s výkonem 1-2MWh).

FB 10-100 byla umístěna (včetně třífázového střídače) v kontejneru 4,5m x 2,2m x 2,4m, suchá hmotnost 3,5t a provozní hmotnost 10,3t. Účinnost úplného cyklu až 80%, prakticky neomezený počet nabíjecích cyklů. Zejména kvůli ceně kolem 100tis. EUR jsem tento projekt nerealizoval a čekám na 3x Powerwall 2 od Tesly.

Skvělý, tuhle ZCell bednu do každého sklepa a panely na střechu a věřím, že to půjde :) Ještě tu cenu zlidovět, co jsem zatím našel, tak: ...The Redflow Zcell (a 10kWh battery) currently costs around $12,600 AUD, not including inverter... což je asi 200 000,-Kč.

---

FVE 7,23kW, ZERO SR MY2018, M3 čekatel

Na počátku byla ropná firma - TO JE HEZKÉ ;)

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Tak doladit, ještě dobrá cena a konečně něco, co bude mít smysl jako baterka k baráku. Pak se dostaneme na zajímavou kombinaci, FVE na střechu domu a rozumné skladování v rozumné baterce. Jen se musí mnohem víc a rychleji zapracovat na vodním hospodářství a vodě, protože jinak bude úplně jedno, jaké ostatní technologie budeme mít za 100 vyvinuté...

Obrázek uživatele Michelin

Velmi pekne napsany clanek.
Dekuji za nej a za utvrzeni, ze elektrina je ta spravna cesta, a v jejim skladovani (bez ktereho se cista vyroba neobejde) stojime teprve na prahu velkych veci.
Dava mi to nadeji, ze moje vnoucata budou mozna jednou opravdu zit ve zdravejsim prostredi a lidstvo se konecne oprosti od toho co si osvojilo jiz v jeskynich a totiz, ze energii je mozne ziskavat jen spalovanim.

---

Více než 130tis. elektrizujících km s TMX.
Na nákupy Nissan Leaf 40kWh, k ničemu jinému se tahle ostuda elektromobility nehodí.

S čtením příspěvků prudičů a provokatérů již nehodlám marnit čas, a tedy na ně ani neodpovídám.


EVMapa.cz - mapa nabíjecích stanicYouloca Dating — Connecting Singles Worldwideveletrh e-SalonAutonabíjení.cz - vše pro Váš elektromobilNabíječky elektromobilů Circontrol