„Hibernujące” magazyny energii
Jeszcze kilka lat temu wydajność baterii litowo-jonowych mierzono w ilości godzin, ale teraz dyskusja rozszerza się do skali sezonowej. Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) w USA postanowili udowodnić, że magazynowanie energii w stanie hibernacji rozwiąże problem sezonowego wytwarzania energii. Tzw. „Hibernujące” magazyny energii mają olbrzymi potencjał, ponieważ potrafią przechować energię przez wiele miesięcy bez znaczącej utraty pojemności.
Przyszłość litowo-jonowych magazynów energii
Ładowalne baterie litowo-jonowe od dawna uchodzą za złoty standard w dziedzinie magazynowania energii. Wyraźnie przodują na rynku w wielu różnych zastosowaniach, w tym w pojazdach elektrycznych.
Choć baterie litowo-jonowe nadają się do wielu zastosowań, to wciąż można je ulepszać w celu zapewnienia energii elektrycznej przez jak najdłuższy czas. Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) w USA podjęli próbę opracowania litowo-jonowego systemu magazynowania energii umożliwiającego przechowywanie energii przez cały sezon. Przewidują oni, że „hibernujące” baterie przeznaczone do magazynowania sezonowego będą się ładować i rozładowywać tylko 1-2 razy w roku.
Wszystkie te informacje można znaleźć w pracy badawczej pod tytułem „A freeze-thaw molten salt battery for seasonal storage”. Tłumacząc na język polski tytuł brzmi: „Akumulator z zamarzającej i rozmarzającej stopionej soli do sezonowego przechowywania energii”. Pracę opublikowano 23 marca 2022 r. i można ją znaleźć w czasopiśmie Cell Reports Physical Science.
„Hibernujące” magazyny energii – zasada działania
Obecnie prawie wszystkie masowe, długoterminowe systemy magazynowania energii w USA wykorzystują stuletnią technologię w postaci „akumulatorów wodnych”, czyli elektrowni wodnych szczytowo-pompowych. Ale możliwe, że wkrótce się to zmieni.
Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory, należącego do Departamentu Energii USA, opracowali nowy rodzaj magazynu energii. „Hibernująca” bateria cechuje się długim czasem działania i zbudowana jest z elektrolitu. Elektrolit można schłodzić przekształcając go z cieczy do postaci stałej, gdy występuje nadmiar energii odnawialnej. Następnie można go rozmrozić, aby uwolnić energię w momencie pojawienia się zapotrzebowanie na nią. Według naukowców system zamrażania i rozmrażania pozwala magazynować energię przez wiele miesięcy utrzymując ją w stanie bezczynności bez utraty znacznej ilości mocy.
Sposób działania „hibernującej” baterii opisano następująco:
Bateria jest najpierw ładowana przez podgrzanie jej do temperatury 180 stopni Celsjusza, co umożliwia przepływ jonów przez ciekły elektrolit i wytworzenie energii chemicznej. Następnie bateria jest schładzana do temperatury pokojowej, co zasadniczo zatrzymuje energię w baterii. Elektrolit staje się stały, a jony, które przenoszą energię, pozostają prawie nieruchomo. Kiedy energia jest potrzebna, bateria jest ponownie podgrzewana i energia przepływa.
„Hibernująca” bateria – test technologii
Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory przetestowali system na prototypie wielkości krążka hokejowego. Ten niewielki prototyp pokazał jak duża jest potencjalna przydatność nowej technologii. W ciągu 12 tygodni system zachował aż 92% swojej pojemności. To imponujący wynik w porównaniu z utratą pojemności, która występuje w przypadku konwencjonalnego podejścia do technologii litowo-jonowej w okresie bezczynności. Oznacza to, że w przyszłości energia z odnawialnych źródeł słonecznych i wiatrowych będzie mogła być prawdopodobnie magazynowana przez długi czas.
Sekret stopionej soli w „hibernującej” baterii
Elektrolitem w „hibernującej” baterii jest stopiona sól, która sprawia, że opisany proces zamrażania i rozmrażania może się odbywać. W zależności od momentu przemiany materiał może być płynny w wyższych temperaturach lub stały w temperaturze pokojowej. Taki sposób działania baterii pozwala na uniknięcie jej samoczynnego rozładowywania się. Dzięki temu energia pobierana z magazynu energii może być wykorzystywana przez dłuższy czas.
Użycie powszechnie dostępnych materiałów
Aluminiowo-niklowa bateria ze stopionej soli jest pełna powszechnych, dostępnych na Ziemi materiałów.
Naukowcy opracowujący rozwiązanie unikali rzadkich i drogich materiałów. Warto zauważyć, że „hibernująca” bateria posiada anodę będącą litą płytą aluminiową oraz katodę będącą płytą niklową. Obie płyty zanurzono w elektrolicie ze stopionej soli:
Są one zanurzone w morzu stopionego elektrolitu solnego, który w temperaturze pokojowej ma postać stałą, a po podgrzaniu płynie jako ciecz. Zespół dodał do elektrolitu siarkę – inny powszechnie występujący, tani pierwiastek – aby zwiększyć pojemność energetyczną baterii.
Zespół naukowców wykorzystał tę samą strategię do opracowania separatora, który znajduje się między anodą a katodą. Konwencjonalne podejście polega na zastosowaniu zaawansowanej technologicznie ceramiki, takiej jak ta używana w niektórych półprzewodnikowych akumulatorach litowo-jonowych. Są one jednak drogie i mniej odporne na zmiany temperatury, dlatego w tym przypadku zdecydowano się na włókno szklane. Dzięki temu udało się zmniejszyć koszty oraz zwiększyć bezpieczeństwo baterii, ponieważ włókno szklane jest tańsze i bardziej wytrzymałe.
Minimalizacja kosztów wytworzenia
Obniżenie kosztów baterii ma kluczowe znaczenie. Dlatego wybraliśmy do pracy popularne, tańsze materiały i skupiliśmy się na usunięciu separatora ceramicznego.
Guosheng Li, współautor badania
Materiały użyte w nowej „hibernującej” baterii kosztowały ok. 23 USD za 1 kWh. Jednak zespół z PNNL bada również wykorzystanie żelaza jako kolejnego sposobu na zaoszczędzenie pieniędzy. Pozwoliłoby to obniżyć koszty do poziomu 6 USD za 1 kWh, czyli byłoby to ok. 15 razy mniej niż koszt materiałów w typowych akumulatorach litowo-jonowych.
Teoretyczna gęstość energii akumulatora wynosi 260 watogodzin na kilogram – to więcej niż w przypadku dzisiejszych akumulatorów kwasowo-ołowiowych i przepływowych.