w8 opme przeplywowe.ppt [tryb zgodnoÅ ci]adam.mech.pw.edu.pl/~marzan/opmew8_przeplywowe.pdf ·...
TRANSCRIPT
Ogniwa (baterie) przepływowe
Anolit Katolit
Źrodło: L. F . Arenas et al. , Journal of Energy Storage 11 (2017) 119–153
Stos ogniw przepływowych
Różne geometrie przepływu:flow-by lub flow-throughStosy skręcane (bolted) – skala laboratoryjnaStosy zgrzewane (cast, single shot) – skala produkcyjna
Rodzaje ogniw przepływowych
• Wanadowa (all vanadium)
• Cynk-Brom
Wybrane technologie
• Brom-Wodór
• Brom-Wielosiarczki
• Żelazo-Chrom
• Cynk-Żelazo
• Żelazowa (all iron)• Żelazowa (all iron)
• Organiczne
Technologia rozwijana od lat 80-tych XX wieku
Często stosowane roztwory kwasu siarkowego
Membrana przewodząca protonowo
1.26 VOgniwa wanadowe
Sumitomo Electric Industries
Elektrody grafitowe (włókna)
Duża trwałość elektrolitu (do 30 lat)
Odporne na degradację
Żrący elektrolit
Mała gęstość energii (do 36 Wh/kg)
Mała gęstość energii (do 36 Wh/kg)
Mała zyskowność, wysokie ceny wanadu
UniEnergy
Ogniwa wanadowe
2017: elektrownia w Dalian, Chiny – 200 MW, 800 MWh. Wykonawca: Rongke Power
Źrodło: Maria Skyllas-Kazacos, prezentacja
Ogniwa wanadowe
Ogniwa wanadowo-bromowe:
Roztwory HCl
Membrana protonowa (np. Nafion)
Tzw ogniwo wanadowo - polihalogenkowe
Ogniwa wanadowe
C. Ponce de Le´on et al. / Journal of Power Sources 160 (2006) 716–732
Gęstość energii do 50 Wh/kg
Ogniwa paliwowe:
Wanadowo – wodorowe
Wanadowo- tlenowe
Gęstość energii do 200 Wh/kg
1.85 VCynk - brom
G.P. Rajarathnam and A.M. Vassallo, The Zinc/Bromine Flow Battery,SpringerBriefs in Energy, DOI
Źrodło: ZBB/Maria Skyllas-Kazacos, prezentacja
W trakcie ładowania cynk odkłada się na anodzie.
Membrana jonowymienna zapobiega przechodzeniu Br2 na stronę anody
Dodatki do elektrolitu dodatkowo kompleksują Br2 (czerwona barwa)
SpringerBriefs in Energy, DOI 10.1007/978-981-287-646-1_2
Dobra trwałość elektrolitu (do 25 lat)
Średnia gęstość energii (do 50 Wh/kg)
Eksperymentalne układy do 800 Wh/kg
Cynk - brom
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)
1.1 V
Konkurencyjna reakcja wykorzystuje rozdzielenie HBr na H2 i HBr3 w trakcie ładowania. HBr3 jest składowany w tym samym zbiorniku, co HBr. Reakcja jest
Brom - wodór
1961 – NASA, kolejne prace w latach 80-tych
Membrana przewodząca protonowo
Porowate elektrody węglowe pokryte warstwą katalityczną (np. Pt)
samym zbiorniku, co HBr. Reakcja jest odwracana w trakcie ładowania.
Wykorzystywane przez Areva/En-Storage.
J. Electrochem. Soc. 2012 vol. 159 no. 11 A1806-A1815
Niski koszt elektrolitu i membran
Dobra trwałość elektrolitu
Duża gęstość mocy
Brom - wodór
Problem: niepożądane zjawisko mieszania się cieczy (crossover). Przepływ i odpowiedni kształt celki
Brom jest żrący i powoduje korozję
Przejście bromu na stronę wodoru
Efekt „zatrucia” warstw platynowych bromem
Możliwe wykonywanie ogniw bez membrany
EnStorage
W.A. Braff, M.Z. Bazant, and C.R. Buie. “Membrane-less hydrogen bromine flowbattery.” Nature Communications, 4:2346 doi:10:1038/ncomms3346, 2013
Przepływ i odpowiedni kształt celki gwarantuje opuszczenie celki przez elektrolit.
Pierwsze prace w NASA (około 1970)
Roztwory kwasu chlorodoworowego
1.18 VŻelazo - chrom
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.
1.1 do 1.2 V
Pierwsze prace w 1981 r – baterie hybrydowe
Żelazowa – all iron
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
Niski koszt elektrolitu
Dobra trwałość elektrolitu (25 lat)
Mało szkodliwe dla środowiska
Brak problemu z „zatruciem” na skutek przejścia żelaza
Żelazowa – all iron
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
1.99 VCynk - żelazo
Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2941-2945
Pierwsze prace po 2010
Elektrolit „pośredni” rozdzielający roztwory o różnym pH
Membrany jonowymienne – przewodząca jony chloru i jony sodu.
Elektrody węglowe
1.53 VCynk - żelazo
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 Society164 (6) A1069-A1075 (2017)
Niski koszt (poniżej 100 USD/kWh)
Dobra trwałość elektrolitu (25 lat)
Mało szkodliwe dla środowiska
Cynk - żelazo
ViZn www.viznenergy.comModuły 48 kW, 160 kWh
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)
do 1.7 VOrganiczne
Michael Aziz, prezentacja
Związki organometaliczne – atom metalu związany z tzw. ligandami.
Lockheed-Martin Energy
Organiczne
Steven Reece, prezentacja
Niski koszt (poniżej 100 USD/kWh)
Nieszkodliwe dla środowiska
Produkcja mało wrażliwa na ceny surowców
Organiczne
Degradacja elektrolitu
Złożone związki chemiczne, możliwe niepożądane reakcje
Drogie membrany jonoselektywne
W trakcie wdrażania: Jena Batteries, Kemwatt, Lockheed-Martin
Źródło: Thibault Godet-Bar/Kemwatt prezentacja
Źrodło: Scott McGregor, prezentacja
Ogniwa przepływowe: zastosowania
Maszyna elektrochemiczna: Długi czas działania Możliwa wymiana i modernizacja podzespołów
Długi czas działania : 20 - 30 lat
Powyżej 10000 cykli ładowania i rozładowania
Wielokrotne głębokie rozładowania bez utraty pojemności
Li-ion :
5-10 lat
500-2000 cykli
Stopniowa utrata pojemności
Porównanie ogniw przepływowych i Li-ion
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
Stopniowa utrata pojemności
Palne rozpuszczalniki
Zużyte stają się odpadami
Źrodło: I-Pulse / Pu Nenghttp://www.ipulse-group.com/PUNENG
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
Koszty technologii - porównanie
Źrodło: https://electrek.co
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.
Obszar zastosowań
Ogniwa przepływowe jako magazyn energii
Źrodło: The Electrochemical Societyhttp://www.electrochem.org/redcat-blog/flow-battery-prototype-augment-gird/
Quantino 48V
Nie tylko magazyny energii…
Źrodło: nanoflowcell.comMoc: 80 kWPrędkość maksymalna: 200 km/hPrzyśpieszenie 0-100 km/h: 5sZasięg: 1000 km w ruchu ulicznymZbiornik elektrolitu: 2x95 lObecny przebieg: 100 000 km w ruchu ulicznymMaksymalny przebieg: 2 500 000 km
Miniaturowe ogniwa przepływowe
Patrik Ruch(IBM, Szwajcaria) Miniature redox flow batteriesfor application in electronics