Rodzaje ogniw: pierwotne i wtórne

Transkrypt

1 Rodzaje ogniw: pierwotne i wtórne Ogniwa pierwotne nie ładowalne Zużyciu ulegają elektrody Ogniwa wtórne ładowalne Magazynowanie jonów w elektrodach Transport jonów w elektrolicie/elektrolitach

2 Rodzaje ogniw: pierwotne i wtórne Ogniwo alkaliczne AA: bateria pierwotna Akumulator ołowiowy Ogniwa litowe pierwotne i wtórne

3 Ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe: elektrochemiczna spalanie paliwa Elektrody: reakcje katalityczne, odbieranie ładunku Elektrolit rozdziela elektrody i transportuje jony

4 Ogniwa przepływowe: zasada działania Anolit Katolit Źrodło: L. F. Arenas et al., Journal of Energy Storage 11 (2017)

5 Ogniwa przepływowe: stos (ang. stack) Różne geometrie przepływu: flow-by lub flow-through Stosy skręcane (bolted) skala laboratoryjna Stosy zgrzewane (cast, single shot) skala produkcyjna

6 Ogniwa przepływowe: typy

7 Ogniwa przepływowe: technologie Wybrane technologie: Wanadowa (all vanadium) Cynk-Brom Brom-Wodór Brom-Wielosiarczki Brom-Wielosiarczki Żelazo-Chrom Cynk-Żelazo Żelazowa (all iron) Organiczne

8 Wanadowa 1.26 V Technologia rozwijana od lat 80-tych XX wieku Często stosowane roztwory kwasu siarkowego Membrana przewodząca protonowo Elektrody grafitowe (włókna) Duża trwałość elektrolitu (do 30 lat) Odporne na degradację Sumitomo Electric Industries Żrący elektrolit Mała gęstość energii (do 36 Wh/kg) Mała zyskowność, wysokie ceny wanadu UniEnergy

9 Wanadowa (all vanadium) Źrodło: Maria Skyllas-Kazacos, prezentacja 2017: elektrownia w Dalian, Chiny 200 MW, 800 MWh. Wykonawca: Rongke Power

10 Wanadowa (all vanadium)

11 Wanadowa modyfikacje Ogniwa wanadowo-bromowe: Roztwory HCl Membrana protonowa (np. Nafion) Gęstość energii do 50 Wh/kg Tzw ogniwo wanadowo - polihalogenkowe C. Ponce de Le on et al. / Journal of Power Sources 160 (2006) Ogniwa paliwowe: Wanadowo wodorowe Wanadowo- tlenowe Gęstość energii do 200 Wh/kg

12 Cynk-Brom 1.85 V G.P. Rajarathnam and A.M. Vassallo, The Zinc/Bromine Flow Battery, SpringerBriefs in Energy, DOI / _2 Źrodło: ZBB/Maria Skyllas-Kazacos, prezentacja W trakcie ładowania cynk odkłada się na anodzie. Membrana jonowymienna zapobiega przechodzeniu Br 2 na stronę anody Dodatki do elektrolitu dodatkowo kompleksują Br 2 (czerwona barwa)

13 Cynk-Brom Dobra trwałość elektrolitu (do 25 lat) Średnia gęstość energii (do 50 Wh/kg) Eksperymentalne układy do 800 Wh/kg Wymaga zapobiegania degradacji Rygorystyczne wymogi dotyczące ph ogniwa Brom jest żrący i powoduje korozję Samorozładowanie (przejście bromu na stronę cynku)

14 Brom-Wodór 1.1 V 1961 NASA, kolejne prace w latach 80-tych Membrana przewodząca protonowo Porowate elektrody węglowe pokryte warstwą katalityczną (np. Pt) Konkurencyjna reakcja wykorzystuje rozdzielenie HBr na H 2 i HBr 3 w trakcie ładowania. HBr 3 jest składowany w tym samym zbiorniku, co HBr. Reakcja jest odwracana w trakcie rozładowania. Wykorzystywane przez Areva/En- Storage. J. Electrochem. Soc vol. 159 no. 11 A1806-A1815

15 Brom-Wodór Niski koszt elektrolitu i membran Dobra trwałość elektrolitu Duża gęstość mocy Brom jest żrący i powoduje korozję Przejście bromu na stronę wodoru Efekt zatrucia warstw platynowych bromem EnStorage Możliwe wykonywanie ogniw bez membrany Problem: niepożądane zjawisko mieszania się cieczy (crossover). Przepływ i odpowiedni kształt celki gwarantuje opuszczenie celki przez elektrolit. W.A. Braff, M.Z. Bazant, and C.R. Buie. Membrane-less hydrogen bromine flow battery. Nature Communications, 4:2346 doi:10:1038/ncomms3346, 2013

16 Żelazo - Chrom 1.18 V Pierwsze prace w NASA (około 1970) Roztwory kwasu chlorodoworowego Membrana przewodząca protonowo Elektrody z włókien węglowych Niski koszt żelaza Dobra trwałość elektrolitu Mało szkodliwe dla środowiska Przejście żelaza i chromu na drugą stronę celki (wymusza membrany jonoselektywne) Wysoki koszt chromu Problemy z korozją Magazyn energii EnerVault, 250 kw, 1 MWh. Uruchomiony w roku 2014, w 2015 firma upadła.

17 Żelazowa (all iron) 1.1 do 1.2 V Pierwsze prace w 1981 r baterie hybrydowe Rozwój w ostatnich latach (po 2010) Kilka wariantów reakcji Membrany przewodzące jony chloru K. L. Hawthorne, praca doktorska ACS Energy Lett. 2016, 1, 89 93

18 Żelazowa (all iron) Niski koszt elektrolitu Dobra trwałość elektrolitu (25 lat) Mało szkodliwe dla środowiska Brak problemu z zatruciem na skutek przejścia żelaza przez membranę Korozja w bateriach hybrydowych Konieczność kontroli ph elektrolitów Wytrącanie związków żelaza Niepożądane reakcje (np. wytwarzanie wodoru) Drogie membrany jonoselektywne Energy Storage Systems: moduły 100 kw, 800 kwh, masa 70 ton

19 Cynk-żelazo 1.99 V Pierwsze prace po 2010 Elektrolit pośredni rozdzielający roztwory o różnym ph Membrany jonowymienne przewodząca jony chloru i jony sodu. Elektrody węglowe Energy Environ. Sci., 2015, 8,

20 Cynk-żelazo 1.53 V Elektrolity mieszane chlorki cynku i żelaza Wpływ obecności jonów cynku na reakcje przebiegające na stronie katodowej jest ograniczony Hydroxide supression mechanism (HSM) wytworzenie warstwy wodorotlenku cynku zapobiega dalszym reakcjom elektrodowym (hipoteza) Journal of The Electrochemical Society 164 (6) A1069-A1075 (2017)

21 Cynk-żelazo Niski koszt (poniżej 100 USD/kWh) Dobra trwałość elektrolitu (25 lat) Mało szkodliwe dla środowiska Przemysł baterii od lat stosuje żelazo i cynk Skomplikowana budowa ogniwa Różne ph elektrolitów Dwie membrany jonowymienne, lub problemy z wytrącaniem się składników i niepożądane reakcje Baterie hybrydowe (nierównomierny wzrost warstw) ViZn Moduły 48 kw, 160 kwh

22 Organiczne do 1.7 V Michael Aziz, prezentacja

23 Organiczne Związki organometaliczne atom metalu związany z tzw. ligandami. Lockheed-Martin Energy Steven Reece, prezentacja

24 Organiczne Niski koszt (poniżej 100 USD/kWh) Nieszkodliwe dla środowiska Produkcja mało wrażliwa na ceny surowców Degradacja elektrolitu Złożone związki chemiczne, możliwe niepożądane reakcje Drogie membrany jonoselektywne Źródło: Thibault Godet-Bar/Kemwatt prezentacja W trakcie wdrażania: Jena Batteries, Kemwatt, Lockheed-Marti

25 Właściwości Długi czas działania : lat Powyżej cykli ładowania i rozładowania Wielokrotne głębokie rozładowania bez utraty pojemności Nowe technologie są bezpieczne i obojętne dla środowiska Elektrolit staje się ciekłym paliwem Możliwość wykorzystania w makroskali i mikroskali Li-ion : 5-10 lat cykli Stopniowa utrata pojemności Palne rozpuszczalniki Zużyte stają się odpadami Źrodło: I-Pulse / Pu Neng

26 Aspekty ekonomiczne Cena wytworzenia urządzenia o pojemności energetycznej 1 kwh Baterie Li-ion: przewidywany spadek ceny ogniw do około 100 USD/kWh w 2020 tylko ogniwa (nie zawiera reszty magazynu energii). Obecnie około 600 USD/kWh w magazynach energii. Baterie przepływowe: obecnie 500 USD/kWh, docelowo 100 USD/kWh obejmuje cały magazyn energii. Źrodło:

27 Koszty produkcji i opłacalność

28 Obszar zastosowań

29 Ogniwa przepływowe jako magazyn energii Źrodło: The Electrochemical Society

30 Magazynowanie energii Produkcja energii i zapotrzebowanie ulegają silnym zmianom w cyklu dobowym, tygodniowym i rocznym. Źrodło: biznesalert.pl, wysokienapiecie.pl, TGE Źródła odnawialne (fotowoltaika, energia wiatrowa) wytwarzają nadmiar energii w stosunku do aktualnych potrzeb

31 Bezpieczeństwo energetyczne Źrodło: polskieradio.pl, foto: PAP/Leszek Szymański

32 Quantino 48V Nie tylko magazyny energii Moc: 80 kw Prędkość maksymalna: 200 km/h Przyśpieszenie km/h: 5s Zasięg: 1000 km w ruchu ulicznym Zbiornik elektrolitu: 2x95 l Obecny przebieg: km w ruchu ulicznym Maksymalny przebieg: km Źrodło: nanoflowcell.com

33 Nie tylko magazyny energii Patrik Ruch(IBM, Szwajcaria) Miniature redox flow batteries for application in electronics

34 Perspektywy Obecnie Inteligentne zarządzanie energią, również ze źródeł odnawialnych Obniżenie cen dla odbiorców, redukcja mocy elektrowni Bezpieczeństwo energetyczne szpitale, służby ratownicze, windy W przyszłości Opracowanie miniaturowych ogniw dla transportu i mikrosieci Elektrolit jako ekologiczne, bezemisyjne paliwo płynne Bezemisyjny transport Ekologiczne rolnictwo Ładowanie dronów Domy autonomiczne