Як працює проточна батарея?
Принцип роботи
Проточна батарея — це пристрій для зберігання електроенергії, що є чимось середнім між звичайною батареєю та паливним елементом. Рідкий електроліт із металевих солей прокачується через осердя, яке складається з позитивного та негативного електродів, розділених мембраною. Відбувається іонний обмін між катодом та анодом, який генерує електроенергію.
Матеріали та конструкція
Більшість комерційних проточних акумуляторів використовують кислу сірку з сіллю ванадію як електроліт. Електроди виготовлені з графітових біполярних пластин. Ванадій є одним із небагатьох доступних активних матеріалів, які ефективно контролюють корозію. Також випробовувалися проточні акумулятори з дорогоцінними металами, наприклад платиновими, подібно до паливних елементів. Наразі ведуться дослідження для пошуку дешевших і доступних матеріалів.
Експлуатаційні характеристики
Активовані насосами, проточні акумулятори найефективніше працюють при ємності понад 20 кВт·год. Вони забезпечують понад 10 000 повних циклів розрядки/зарядки та можуть служити близько 20 років. Кожен елемент виробляє від 1,15 до 1,55 В, а для досягнення необхідних рівнів напруги елементи з’єднуються послідовно. Питома енергія становить близько 40 Вт·год/кг, що можна порівняти зі свинцево-кислотними акумуляторами. Подібно до паливних елементів, щільність потужності та швидкість розряду залишаються помірними, тому проточні батареї ідеально підходять для накопичення енергії у великих масштабах.
Електроліт та ємність
Електроліт зберігається у спеціальних резервуарах. Для збільшення щільності енергії можна подвоїти об’єм резервуарів, що підвищує вартість лише на 50% порівняно з повністю новою системою. При заміні акумулятора електроліт може бути використаний повторно, що значно знижує витрати. Основною проблемою залишаються мембрани, які схильні до корозії та є дорогими, але дослідження в галузі хімічних добавок поступово вирішують цю задачу. На рисунку 1 проілюстровано концепцію проточної батареї.
Рисунок 1: Потік
Електроліт акумулятора зберігається в резервуарах і прокачується через ядро для вироблення електроенергії; заряджання відбувається у зворотному напрямку. Об'єм електроліту визначає ємність акумулятора.
Вартість та економіка
Ванадій – 23 -й елемент періодичної таблиці елементів, який видобувається в Китаї, Росії та Південній Африці. Підтримана сонцем центральна Невада незабаром може стати його частиною у вигляді сильно окисленої крихкої породи. Наразі 90 відсотків ванадію нижчого ґатунку використовується як добавка для зміцнення сталі. Вчені-акумулятори, гірничодобувні компанії та політики радіють тому, що ванадій стане стратегічним металом для «зеленої енергетики». За даними RWTH, Аахен, Німеччина (2018), вартість проточної батареї становить близько 350 доларів за кВт⋅год.
Для точнішої оцінки вартості, проточну батарею поділяють на вартість потужності та вартість енергії. Вартість потужності може перевищувати 1500 доларів США/кВт і включає димоходи, насоси, труби та силову електроніку. Вартість енергії, що включає резервуари та електроліт, становить трохи більше 300 доларів США/кВт·год.
Застосування у світі
Великі проточні акумулятори потужністю понад 100 кВт·год використовуються в Японії з 1996 року. Деякі з найбільших поточних установок можуть похвалитися потужністю в кілька мегават, а проточний акумулятор для регулювання частоти встановлюється в Японії, який забезпечить колосальні 60 МВт·год.
Спостерігається тенденція до зменшення вартості та розмірів. Замість того, щоб будувати гігантські батареї, що нагадують хімічний завод, новіші системи постачаються у контейнерах, зазвичай ємністю 250 кВт·год, які можна складати один на одного. Сучасні проточні батареї також стають поширеними в Європі.
Історичний розвиток
Перший патент на проточну батарею з хлориду титану було видано в липні 1954 року. Сучасну ванадієву окисно-відновну батарею було запатентовано в 1986 році Університетом Нового Південного Уельсу в Австралії. Термін «окисно-відновний» походить від «переносу електронів» відновлення та окислення.
