Как работает проточная батарея?
Принцип работы
Проточная батарея — это устройство для хранения электроэнергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. Жидкий электролит из солей металлов прокачивается через ядро, состоящее из положительного и отрицательного электродов, разделенных мембраной. Происходит ионный обмен между катодом и анодом, который генерирует электроэнергию.
Материалы и конструкция
Большинство коммерческих проточных аккумуляторов используют кислую серу с солью ванадия в качестве электролита. Электроды изготовлены из графитовых биполярных пластин. Ванадий является одним из немногих доступных активных материалов, которые эффективно контролируют коррозию. Также испытывались проточные аккумуляторы с драгоценными металлами, например платиновыми, подобно топливным элементам. В настоящее время ведутся исследования по поиску более дешевых и доступных материалов.
Эксплуатационные характеристики
Активируемые насосами, проточные аккумуляторы наиболее эффективно работают при емкости свыше 20 кВт·ч. Они обеспечивают более 10 000 полных циклов разрядки/зарядки и могут служить около 20 лет. Каждый элемент производит от 1,15 до 1,55 В, а для достижения необходимых уровней напряжения элементы соединяются последовательно. Удельная энергия составляет около 40 Вт·ч/кг, что сравнимо со свинцово-кислотными аккумуляторами. Подобно топливным элементам, плотность мощности и скорость разряда остаются умеренными, поэтому проточные батареи идеально подходят для накопления энергии в больших масштабах.
Электролит и емкость
Электролит хранится в специальных резервуарах. Для увеличения плотности энергии можно удвоить объем резервуаров, что повышает стоимость всего на 50% по сравнению с полностью новой системой. При замене аккумулятора электролит может быть использован повторно, что значительно снижает затраты. Основной проблемой остаются мембраны, которые подвержены коррозии и являются дорогостоящими, но исследования в области химических добавок постепенно решают эту задачу. На рисунке 1 проиллюстрирована концепция проточной батареи.
Рисунок 1: Поток
Электролит аккумулятора хранится в резервуарах и прокачивается через ядро для выработки электроэнергии; зарядка происходит в обратном направлении. Объем электролита определяет емкость аккумулятора.
Стоимость и экономика
Ванадий – 23-й элемент периодической таблицы, который добывается в Китае, России и Южной Африке. Солнечная центральная Невада вскоре может стать его источником в виде сильно окисленной хрупкой породы. В настоящее время 90 процентов ванадия низкого качества используется в качестве добавки для упрочнения стали. Ученые, занимающиеся аккумуляторами, горнодобывающие компании и политики рады тому, что ванадий станет стратегическим металлом для «зеленой энергетики». По данным RWTH, Аахен, Германия (2018), стоимость проточной батареи составляет около 350 долларов за кВт⋅ч.
Для более точной оценки стоимости, проточную батарею разделяют на стоимость мощности и стоимость энергии. Стоимость мощности может превышать 1500 долларов США/кВт и включает стеки, насосы, трубы и силовую электронику. Стоимость энергии, включающая резервуары и электролит, составляет чуть более 300 долларов США/кВт·ч.
Применение в мире
Крупные проточные аккумуляторы мощностью более 100 кВт·ч используются в Японии с 1996 года. Некоторые из самых больших действующих установок могут похвастаться мощностью в несколько мегаватт, а для регулирования частоты в Японии устанавливается проточный аккумулятор, который обеспечит колоссальные 60 МВт·ч.
Наблюдается тенденция к уменьшению стоимости и размеров. Вместо того чтобы строить гигантские батареи, напоминающие химический завод, новые системы поставляются в контейнерах, обычно емкостью 250 кВт·ч, которые можно штабелировать. Современные проточные батареи также становятся распространенными в Европе.
Историческое развитие
Первый патент на проточную батарею из хлорида титана был выдан в июле 1954 года. Современная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея была запатентована в 1986 году Университетом Нового Южного Уэльса в Австралии. Термин «окислительно-восстановительный» происходит от «переноса электронов» — восстановления и окисления.
