Maria Skyllas-Kazacos jest emerytowanym profesorem w Szkole Inżynierii Chemicznej na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii. Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Ponieważ coraz więcej energii słonecznej i wiatrowej trafia do australijskiej sieci energetycznej, będziemy potrzebować sposobów na jej magazynowanie na później. Możemy magazynować energię elektryczną na kilka różnych sposobów, od pompowych systemów hydroelektrycznych po duże systemy akumulatorów litowo-jonowych. Możemy również korzystać z akumulatorów przepływowych. Są one mniej znanym połączeniem konwencjonalnej baterii i ogniwa paliwowego.
Baterie przepływowe mogą dostarczać energię z powrotem do sieci nawet przez 12 godzin – znacznie dłużej niż baterie litowo-jonowe, które działają tylko przez cztery do sześciu godzin.
„Byłem jednym z wynalazców jednego z głównych typów baterii przepływowych w latach 80-tych. Potrzeba było dziesięcioleci, aby takie baterie stały się komercyjnie opłacalne. Ale w końcu pojawiają się na poważnie” – Skyllas-Kazacos.
W tym roku australijski rząd uruchomił krajową strategię dotyczącą baterii, aby rozszerzyć krajową produkcję baterii. Ta warta 500 milionów dolarów strategia skupi się na dobrze znanych bateriach litowo-jonowych, które zasilają telefony i samochody. Obejmie ona jednak również baterie przepływowe.
Baterie stają się coraz ważniejsze. Mogą teraz zasilać samochody, domy, a nawet miasta. Ogromne sumy pieniędzy przeznaczane są na komercjalizację nowych chemikaliów akumulatorowych w celu elektryfikacji, transportu i umożliwienia ekologizacji sieci energetycznej.
Do tej pory większość australijskich akumulatorów sieciowych wykorzystuje ogniwa litowo-jonowe. Jednak w miarę jak nasza sieć przestawia się na odnawialne źródła energii, będziemy potrzebować akumulatorów o dłuższym czasie przechowywania, aby wyeliminować potrzebę stosowania zapasowych generatorów paliw kopalnych. Do tego zadania dobrze nadają się akumulatory przepływowe.
Co wyróżnia akumulatory przepływowe?
Konwencjonalne akumulatory, takie jak litowo-jonowe, przechowują energię w swoich elektrodach, zwykle metalowych.
Akumulatory przepływowe przechowują energię w ciekłych elektrolitach. Roztwory elektrolitu są przechowywane w zewnętrznych zbiornikach i pompowane przez reaktor, w którym zachodzą reakcje chemiczne na obojętnych elektrodach w celu wytworzenia energii.
Wraz ze wzrostem pojemności magazynowania, koszt za kWh zmagazynowanej energii drastycznie spada. Dzieje się tak, ponieważ wystarczy dodać więcej ciekłych elektrolitów, zamiast dodawać zupełnie nowe zestawy baterii, jak w przypadku konwencjonalnych akumulatorów.
Oznacza to, że akumulatory przepływowe są obecnie najtańszym sposobem przechowywania energii elektrycznej przez dłuższy czas (ponad osiem godzin). W przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych, baterie przepływowe mogą działać przez dziesiątki tysięcy cykli, a elektrolit może działać znacznie dłużej – lub nawet bezterminowo. Jedną z wad jest ich waga – baterie te są bardzo ciężkie i nie nadają się do przenoszenia.
Do tej pory najwięcej testów i wdrożeń komercyjnych przeszły baterie cynkowo-bromowe i wanadowe.
Przepływowy akumulator wanadowy
W połowie lat 80. moi koledzy i ja byliśmy pionierami w dziedzinie przepływowych akumulatorów redoks z wanadem na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii – Skyllas Kazacos. Wanad jest niezwykłym metalem. Może występować w różnych stanach utlenienia w tym samym roztworze. Oznacza to, że można zasilać baterię przy użyciu tylko jednego pierwiastka, zamiast dwóch, jak w przypadku innych chemikaliów. Pozwala to uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego i zapewnia nieokreśloną żywotność roztworu elektrolitu.
Po dziesięcioleciach prac rozwojowych, wanadowe baterie przepływowe są obecnie produkowane komercyjnie przez firmy w Japonii, Chinach i Europie, a ich globalna moc zainstalowana wynosi obecnie kilka GWh.
Chiny, największy na świecie producent wanadu, niedawno zatwierdziły wiele dużych nowych projektów wanadowych baterii przepływowych. W grudniu w chińskim mieście Dalian uruchomiono największą na świecie baterię o mocy 175 MW i pojemności 700 MWh.
Pierwszy megawatowy wanadowy akumulator przepływowy w Australii został zainstalowany w Australii Południowej w 2023 roku. Projekt wykorzystuje magazynowanie baterii w skali sieci do przechowywania energii z farmy słonecznej.
Głównym wyzwaniem dla komercjalizacji było zabezpieczenie wanadu, którego cena i podaż ulegały gwałtownym wahaniom ze względu na konkurencyjny popyt ze strony przemysłu stalowego.
Sytuacja ta prawdopodobnie ulegnie zmianie. Rządowe inwestycje w krytyczne minerały przyspieszyły powstanie kilku nowych kopalni i zakładów przetwórstwa wanadu. Australia może w przyszłości stać się głównym światowym producentem wanadu. W 2023 r. w Townsville powstała pierwsza w Australii fabryka produkująca elektrolit wanadowy.
Żelazo i cynk
Baterie przepływowe mogą być zbudowane z wielu różnych związków chemicznych. Dwie inne obiecujące substancje chemiczne to żelazo-żelazo i bromek cynku.
Żelazne baterie przepływowe są opracowywane w Stanach Zjednoczonych od 2011 roku. Ogniwa te wykorzystują żelazo, sól i wodę, unikając konieczności stosowania wanadu.
W Australii firma ESI Asia Pacific z siedzibą w Queensland planuje opracować własne akumulatory żelazowe w nowej fabryce w Maryborough po zakończeniu budowy w 2026 roku.
Podczas gdy żelazo występuje w dużych ilościach i jest tanie, baterie te opierają się na chlorku żelaza o wysokiej czystości, aby zmniejszyć korozję żelaza. Może to oznaczać, że elektrolity będą kosztować znacznie więcej niż oczekiwano. Dotychczasowe dane z testów terenowych są ograniczone.
Baterie cynkowo-bromowe wykorzystują roztwór cynku, metalu i bromu, pierwiastka pozyskiwanego ze słonej wody. Chemia ta oznacza, że każde ogniwo ma wyższą moc elektryczną niż inne baterie przepływowe, ale wiąże się z wyzwaniem – znalezieniem sposobów na powstrzymanie wzrostu dendrytów przypominających drzewa wewnątrz ogniwa, które mogą zakłócać produkcję energii lub powodować zwarcia.
Przyszłość zasilana bateriami?
Stworzenie większego australijskiego przemysłu akumulatorowego będzie wymagało czasu i funduszy. Jednak w nadchodzących latach popyt na baterie wzrośnie na całym świecie, w sektorach energii elektrycznej i transportu.
Pracując nad elektryfikacją transportu drogowego, będziemy obserwować wzrost popytu na energię elektryczną, a także na akumulatory litowo-jonowe, które są obecnie wszechobecne w pojazdach elektrycznych.
Jako główny producent litu, Australia mogłaby również produkować baterie litowe do użytku krajowego lub na eksport. Aby konkurować globalnie, musielibyśmy wdrożyć automatyzację.
Pomimo różnych chemikaliów, akumulatory przepływowe mają wiele wspólnych komponentów, które mogłyby być wytwarzane lokalnie i zwiększać samowystarczalność energetyczną. Baterie przepływowe od dawna wymagają czasochłonnego i kosztownego montażu ręcznego. Obecnie możliwe jest jednak zautomatyzowanie linii montażowych, co obniży koszty i sprawi, że akumulatory produkowane w Australii będą bardziej konkurencyjne.
W ciągu dekady Australia mogłaby stać się globalnie konkurencyjnym producentem baterii i eksporterem kluczowych minerałów. Pomogłoby to w przejściu na czystą energię, zarówno w kraju, jak i na całym świecie.