„Rebarborová“ průtoková baterie  
Větrné a solární elektrárny mají jeden zásadní nedostatek. Vyrábějí elektřinu kdy chtějí a ne kdy to potřebujeme. Dobíjecí palivové články by jejich hendikep měly částečně kompenzovat.


 

Princip chemické reakce reduce a oxidace párových molekul para-benzochinon/hydrochinon REDOX. (Kredit: Saraf Nawar a kol., Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1491)

Je obecně známo, že s tím, jak narůstá podíl obnovitelných zdrojů v energetickém mixu, narůstají i problémy s regulací sítě a po jejich zavedení do provozu je potřeba mít k dispozici zálohu v podobě plynových, uhelných nebo vodních elektráren, aby měl kdo zaskočit,  pokud ty alternativní, například kvůli bezvětří a zamračené obloze, vypadnou. Problém ale také nastává,  kam s elektřinou, když je jí více, než se spotřebovává. V praxi použitelný způsob akumulace její energie umožňují nejspíš jen  přečerpávací elektrárny. Perspektivním  řešením je také skladovat ji v bateriích. Jenže, to co vyhovuje mobilům, počítačům a elektromobilům již není pro spotřebitele, jakým je městská čtvrť. Bylo by to příliš drahé. Ledaže...

 

Průtokové  megabaterie

Zvětšit obrázek
Professor Michael J. Aziz testuje ne-metalovou baterii, kde elektrochemický proces uskladnění energie zprostředkovává levná organická uhlíkatá molekula (Kredit: Eliza Grinnell/SEAS Communications, HARVARD gazette.

Říkáse, že baterie „tečou“, asi  proto, že elektrická energie se při nabíjení mění v chemickou a ta je  vázána v elektrolytu uvnitř baterie.  Ty klasické to mají „vše v jednom“.  Kladná elektroda, záporná i elektrolyt jsou v jednom obalu.
Průtokové baterie jsou tak trochu jako palivové články. Na rozdíl od klasických akumulátorů není v nich energie uchovávána v samotných článcích baterie, ale je uložena pouze v elektrolytu. Přesněji ve dvou odlišných typech elektrolytu, které se vytvoří během nabíjení u kladné a záporné elektrody. Aby se vytvořené elektrolyty v článku nemísily, jsou elektrody odděleny speciální membránou. Kladná i záporná elektroda článku pracuje jen v tom roztoku elektrolytu, který se u dané elektrody vytvořil při nabíjení. Množství „nabitého“ elektrolytu není omezeno, jak jsme zvyklí, objemem článku.  Může ho být mnohem více a lze skladovat v oddělených zásobnících nádržích. Pokud chceme následně elektřinu odebírat,  stačí k elektrodám přivádět odpovídající typ „nabitého“ elektrolytu. Většinou se vtěchto bateriích využívá metalických iontů, hlavně na bázi vanadu. Představa mít v základně větrné elektrárny takovou baterii je lákavá, ale jen do doby, než začneme kalkulovat, kolik by to stálo.

 

Zvětšit obrázek
Schema procesu vybíjení (Kredit: SEAS)


Organická průtoková baterie
Výzkumníci z Harwardu přišli s  řešením, v němž místo anorganiky v elektrolytu, je organika - vsadili na molekuly zvané chinony.  Organické cyklické nenasycené šestiuhlíkové sloučeniny s dvěma oxoskupinami v poloze ortho či para, formálně odvozené od difenolů oxidací příslušných hydroxylových skupin.  Jsou levné a snadno dostupné. Tým z Harwardu vyzkoušel přes 10 000 různých chinonů, než vyselektoval ty nejperspektivnější  pro ukládání elektrické energie.  Zajímavostí je, že  chinony pro ukládání energie používají i živé organismy, jak rostliny, tak živočichové.

Zvětšit obrázek
Zařízení para-benzochinononovou kladnou elektrodou připravené do testu. (Kredit: Saraf Nawar a kol., Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1491)

Vítězem soutěže o nejlepší chinon pro použití v bateriích se stala sloučenina velmi podobná látce z obyčejné rebarbory.  Je rozpustná v kyselém vodném roztoku a má šanci se stát základem levných baterií. Výzkumný program pod vedením Michaela J. Azize financovala Agentura pro pokročilé výzkumy v oblasti energií (Advanced Research Projects Agency — Energy  ARPA-E) a podle jejího představitele Johna Lemmona představují výsledky nyní publikované v prestižním časopise Nature, zlom ve  skladování energie z obnovitelných zdrojů. Ještě ale zbývá dořešit jednu „maličkost“.  Tou je potřeba vylepšit počet možných nabití a vybití. Baterie bez znatelného poklesu kapacity zvládla sice několik stovek cyklů, pro praktické využití jich ale bude potřeba tisíce až deseti tisíce. Pokud se  i v tomto směru výzkumníkům zadaří,  vylepší se ekonomika mnoha provozů využívajících například větrníky.  Nicméně ani samotná cena baterie nebude to jediné, co o jejich rozšiřování rozhodne.  Zhoršovat ekonomiku bateriemi dovybavených výroben energie budou ztráty, ke kterým bude docházet při  nabíjení a posléze při její konverzi do rozvodné sítě. I kdyby se u těchto baterií podařilo vylepšit počet nabíjecích cyklů, najde uplatnění nejspíš jen tam, kde jiné zdroje nebudou k dispozici. Výroba elektřiny v atomkách, nebo plynových elektrárnách bude stále levnější.

 



Dodatek (12.1.2014)

Redakci ani autorovi se oslavný materiál, který dala k dispozici universita a vyšel prakticky v nezměněné formě na Physorgu, Physicworldu,... nespokojili. Vyhledali jsme starší články publikované kolektivem prof. Azize z Harwardu a spojili se s dalším skeptikem z Ústavu fyziky a materiálového inženýrství (UTB ve Zlíně). Pohled „fyziko-chemika“ podle nás stojí za připojení k článku a tímto tak činíme:

Nejspíš to vypadá, že v Azizově laborce proměřili jenom poločlánky, tj. jenom jednu polovinu a navíc jen anody all-quinone/hydroquinone flow batery. Tím se elegantně vyhli tomu že místo hydrochinonu mohli použít na druhé elektrodě vodík a článek jim hned dal max. napětí cca 0,7 V, oproti max. 0,3 V z all-quinone/hydroquinone. Prostě prakticky stejný chemismus nikdy nedá větší napětí. Aby chinon byl silnější oxidovadlo, byl v 1 N kyselině. Tím jim ale vznikl hydrochinon v kyselém prostředí, kde nepůjde rozumně zoxidovat (tj. zregenerovat); prostě vývojka v kyselém přerušovači. Zřejmě to nepůjde s rozumnými proudovými hustotami ani v kompromisním bohulibém neutrálním prostředí. Pro regeneraci budou tedy muset oddělit hydrochinon z kyseliny a aby potom byl schopný rozumné oxidace musí ho dát nejspíš do louhu. No a potom mají v jedné elektrodě louh a ve druhé kyselinu oddělené připusťme zázračnou membránou, která nedopustí neutralizaci dírkouči difuzí či převodem a tím, že z katody iontoměničem propouští jen H+ místo OH- zabrání následně svým velkým odporem ( v kyselině je málo OH-)odběru proudu a navíc se to posichruje stejným chováním anody kde levý iontoměnič by pustil jenom OH-, které však musí téct opačným směrem. Takže teď se to sice zlomyslně nezneutralizuje, avšak bohužel to ale nepustí proud, neboťpožadované nosiče v rozumné koncentraci na patřičné straně nejsou.

Dělit sůl zpět na kyselinu a louh je energeticky náročná a v podstatě zbytečná operace bohužel svázaná s malou reaktivitou chinon-hydrochinon v neutrálním prostředí.

Potenciálně all-quinone/hydroquinone při 1 M roztocích pak maximálně na 1 litr dá cca 0,3 V*2*96500J/(litr +litr) tj. cca. 0,057 MJ/l = cca 0,07 kWh / kg průměrného roztoku = cca 16 Wh/kg, tj. cca ½ či jen ¼ akumulace v klasice Pb aku.

Popravdě řečeno jim bledě závidím že mají čárku v Nature (a že vyzkoušeli přes 10000 různých chinonů jim snad už ani čtenáři Nature neuvěří). Možná něco modelovali, ale více než 100 modelů mi nedává smysl.

Obrázky v článku jsou tedy dobře, ale nebyla proměřená ani polovina f all-quinone/hydroquinone a nejspíš to nebylo ani rozumně regenerovatelné a akumulační potenciál je truchlivý nejspíš však ale méně než účinnost a výkon. Nějak se však živit musí a proto musí pořádně zakalit vodu.

Tak to vidí skeptický chemik, ale naděje umírá poslední. Možná by mohly fungovat systémy s bromovou katodou a železnatou, cínatou, chromnatou či titanitou elektrodou. To si možná schovávají do dalších kol a grantů.



Pro studenty ze Zlínské university redakce Osla ještě připojuje jednu větu, která nám z komunikace s panem Hrnčiříkem vyplynula: „Jako téma do diskuze a zkouškové otázky je to dobré.“

Zdroj:  Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)

 

Autor: Martin Tůma
Datum: 10.01.2014 05:27
Tisk článku

Svět podle Norma 4 - Může vyžadovat baterie - Meres Jonathan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 249 Kč
cena: 221 Kč
Svět podle Norma 4 - Může vyžadovat baterie
Meres Jonathan
Související články:

Britský miliardář Gupta trumfne Muska s největší baterií světa     Autor: Stanislav Mihulka (17.03.2018)
Nová hybridní baterie se dobije za méně než 30 sekund     Autor: Stanislav Mihulka (06.03.2018)
Baterie, co dýchá vzduch, by se mohla stát ultralevným úložištěm energie     Autor: Stanislav Mihulka (20.10.2017)
Tesla staví v Austrálii největší Li-Ion baterii na světě     Autor: Stanislav Mihulka (11.07.2017)
První E-letadlo překonalo Lamanšský průliv     Autor: Josef Pazdera (11.07.2015)



Diskuze:

Kapacita

Jan Kinsky,2015-03-23 15:08:15

Dobrý den, jakou největší kapaictu může průtoková baterie mít? V odkazu níže je napsáno že až 1 MWh, to mi přijde až neuvěřitelné, ale nejsem expert. Děkuji za odpověď

http://oenergetice.cz/elektrina/akumulace-energie/prutokova-baterie/

Odpovědět

Vodíková elektroda přivádí (odvádí) elektrony při

Josef Hrncirik,2014-01-13 08:09:04

redox reakci )(ideálně rovnováze)rovnováze 2 H+ + 2e- = H2. V podstatě je to kov hydrogenačního katalyzátoru (Pt, Rh, Pd, při nejhorším i nikl) ponořený do roztoku syceného vodíkem. Rovnováze se blíží při velmi nízkých proudových hustotách, proto má mít velký povrch daný koloidně malými částicemi katalytického kovu nanesenými na povrchu sběrného vodiče, který už nemusí být katalyzátor hydrogenace. Může to být např. i uhlík, tj. vlastně grafit ve formě papíru z jeho vláken kvůli zvětšení povrchu.

Odpovědět


Díky

Max Valenta,2014-01-14 16:16:48

Děkuji pane Hrnčiříku. I za ochotu laikovi odpovědět. Moc si toho vážím.
Max

Odpovědět

Jak vypadá

Max Valenta,2014-01-13 05:39:03

vodíková elektroda?

Odpovědět

Pod 1. obrázkem: test 1 oxidační nemetalové elektr

Josef Hrncirik,2014-01-12 20:03:49

ody v kyselině. Vodíková elektroda je taky nemetalová a tak je to nemetalová baterie ve vybíjecím cyklu.

Odpovědět

Trochu počítání

jaroslav mácha,2014-01-11 22:30:42

Ve srovnání s klasickými články vychází parametry koncentračního clánku dost špatně. Pro chinhydron je Faradayův ekvivalent 26.8 Ah/ 109 g, zhruba podobně jako u článků z těžkých kovů a podstatně hůř než u lithia, poměr se ovšem zhorší zhruba 10x díky vodě, ve které jsou složky rozpuštěny. Poměrně nízké je i napětí článku, kolem 0.58 V pro poměr red/ox 1:10 a prudký pokles napětí při částečném vybití. Určitě nevhodné pro pohon vozidel. Souhlas se závěrem Jiřího Kocurka.

Odpovědět

trochu počítání

jaroslav mácha,2014-01-11 22:08:57

Odpovědět

Velikost nádrží

Jiří Kocurek,2014-01-11 12:29:05

bude tím, co v praxi rozhodne. Aneb kolik energie je akumulováno v 1000 kg roztoku.
Douhé Stráně zvládají při výškovém rozdílu hladin nádrží 510 metrů uložit: h*m*g = 510*1000*9,81 = 5 MJ s účinností 76,5 %. Tedy asi 3,8 MJ na m3 (3,8 kJ/kg). Objem horní nádrže je 2 580 000 m3 a PVE pracuje s výkonem až 650 MW. Což by pro městskou čtvrť stačilo na pár dnů, pro Prahu to stačí na cca 6-8 hodin.
Pro praxi bychom "se chtěli" dostat aspoň k 10 MJ/kg a pořád budeme pracovat s nádržemi 3,5x většími než by v nich byla nafta pro stejně výkonný dieselagregát.
Aneb technika řeší problémy, které by nenastaly nebýt jakési ideologie. Co to jen připomíná?

Odpovědět

Asi až z patentu

Max Valenta,2014-01-10 23:57:35

Pochybuju, ze by byl nekdo tak naivni a nemlžil a u tak perspektivní věci hned vyklopil všechno, než si to nechá patentovat. To uskladnění energie by fakt byla bomba.

Odpovědět

Josef Hrncirik,2014-01-10 21:25:22

Odpovědět

Princip a schema jsou ve sporu.

Josef Hrncirik,2014-01-10 20:51:07

Princip je buď triviální zápis chinonové, chinhydronové či hydrochinonové elektrody. Je to jen věc přístupu. Nebo to má znamenat, že obě elektrody v zařízení jsou principiálně stejné tj. nejpřesněji řečeno chinonové. Potom by se ale jednalo o koncentrační článek se dvěma chinonovými elektrodami. Koncentrační články mají obecně standardní napětí nulové a teprve rozdílné poměry v poměrech koncentrací
redukované a oxidované formy na katodě a anodě vytvoří nízké napětí. I po malém odběru proudu napětí prudce klesá, neboť tyto poměry se budou velmi rychle blížit 1. Koncentrační článek tedy není vhodný k akumulaci energie.
Schema procesu ale je chemický článek s vodíkovou anodou a chinonovou katodou. Ale kde vzali vodík o kterém v článku není ani slovo a proč by ho neoxidovali s větším napětím vzdušným kyslíkem místo chinonem? Vlastně mohli elektrolyzovat vodu a pak to použít zpátky jako palivový článek. Vlastně si myslím že články princip i schema jsou ještě méně výhodné než elektrolýza a palivový článek vody který asi nikdy nebude mít přijatelné kyslíkové elektrody.

Odpovědět


Nepouzivaji oni jako elektrolyt kyselinu ?

Max Valenta,2014-01-11 00:07:02

Ani vodik by nemel byt problem do systemu dostat.

Odpovědět

Dsx Pukk,2014-01-10 18:25:36

Pouzitie tekutych baterii sa uvazuje za perspektivy napad u elektromobilov, ak bude lacne, mozno to bude dobra alternativa k spalovacim.

Odpovědět

Nedokážem odhadnúť účinnosť

Tomáš Štec,2014-01-10 15:04:58

Nedokážem nájsť účinnosť a výrobca je v tomto smere veľmi skúpy na informácie. Udáva iba prevádzkové straty 0,03 MWh/MW/h. To ale chápem ako straty trením v zostatkovej atmosfére a v ložiskách.
Lenže ďalej je nutné počítať s tým, že v režime generátor toto zariadenie nebude produkovať peknú sínusoidu na 50 Hz, ale bude potrebné energiu z neho prehnať striedačom. Podobne pri nabíjaní zrejme bude energia prechádzať cez nejaký menič. Naviac zotrvačník beží vo vysokom vákuu (zrejme nutné neustále čerpať) a na elektromagnetických ložiskách (nutné neustále napájať). Myslím, že v tejto kombinácii sa dostaneme k špičkovej účinnosti pod 50 %. Ni-Fe batérie sa dostávajú k 80 %, ale to je bez tých striedačov. Prečerpávačky (celkovo) cez 80 %.

Odpovědět


Tomáš Štec,2014-01-10 15:05:22

Malo byť reakciou na V. P.

Odpovědět


Vratislav Pechanec,2014-01-10 21:26:26

Na webu výrobce se dají stáhnout specifikace (http://www.beaconpower.com/files/FESS_Tech_Data_Sheet.pdf) a tam tu účinnost uvádějí. A protože mi připadala také dost vysoká, raději jsem v mém minulém příspěvku zmínil to "Round Trip Efficiency" (neodvážil jsem se to přeložit, protože mi to nic neříkalo).
On ten setrvačník je poháněn elektromotorem, který při výrobě elektřiny funguje jako generátor (tak jako u vodních přečerpávaček) a těch TDS píší že je synchronní s permanentními magnety, takže bude dávat rovnou sinusový průběh napětí.
Ložiska a nadnášení setrvačníku je kombinací permanentních i elektromagnetů.
Podle obrázku v TDS je motor/generátor uvnitř vakuové komory, takže ven půjdou jen elektrické kabely (příp. nějaké chlazení jestli tam je) a to se dá dobře utěsnit a nebude třeba stále čerpat.
Přečerpávací elektrárny se nedají vystavět kdekoli a netuším, jakou životnost mají Ni-Fe akumulátory, navíc sestavit z nich 20MW...

Kdysi jsem četl článek o těchto setrvačnících nejspíše v časopise High Performace Composites (www.compositesworld.com) ale teď to nemůžu najít. Bylo tam sice psáno hlavně o kompozitech, ale mezi řádky tam byla i ta mechanika. Možná, že by se dalo dočíst i něco zajímavého v Reports and Papers na webu výrobce.

Odpovědět

A co takhle slaninová?

Vratislav Pechanec,2014-01-10 09:18:40

Pardon, vypadlo mi písmenko -- bacon je sice slanina, ale firma Beacon Power vyrábí a dodává setrvačníky, které jsou schopné uložit a dodat 25kWh energie. Mají průměr 1,2 m, výšku 2,08 m, životnost 20 let nebo 100 tisíc cyklů a účinnost 85 % (Round Trip Efficiency).
Setrvačníky jsou z kompozitu s uhlíkovou a skelnou výztuží, otáčí se ve vakuové komoře na magnetických ložiscích rychlostí 8000 až 16000 ot/min, což dělá obvodovou rychlost asi 2400 km/h (1500 mph).
V roce 2011 uvedli do provozu 20MW provoz pro regulaci kmitočtu (http://www.compositesworld.com/news/beacon-powers-new-york-flywheel-power-plan-fully-operational), což při výkonu jednoho setrvačníku 100 W dělá 200 setrvačníků. V roce 2010 byl spuštěn demo provoz ukládání energie na větrné farmě v Kalifornii.

Odpovědět


Oprava

Vratislav Pechanec,2014-01-11 10:11:08

Výkonu jednoho setrvačníku není 100 W ale 100 kW. Omlouvám se za překlep.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace