Bude odpad slúžiť ako batéria na ukladanie energie?

Americkí vedci z Northwestern University nedávno predstavili prelomový objav v oblasti ukladania energie. Nový proces na konverziu priemyselného odpadu, konkrétne molekuly trifenylfosfín oxidu (TPPO), vytvára materiál vhodný na výrobu tzv. prietokových batérií. Vďaka tomu bude možné nahradiť drahé kovy, ktoré sa bežne používajú v týchto typoch batérií.

Foto- zdroj: Northwestern University

Pracovný princíp

Redoxné batérie s prietokom (RFB) sú jednou z najčastejšie spomínaných alternatív k doteraz dominantným lítium-iónovým batériám. RFB v podstate pozostávajú z dvoch nádrží, ktoré sú naplnené elektrolytom pretekajúcim elektrochemickým článkom.

Rozhodujúce procesy prebiehajú v RFB v elektrolyte, ktorý je rozdelený na dve veľké nádrže. Každá nádrž má vlastné čerpadlo a pumpuje elektrolyty do regeneračného palivového článku, kde prebieha chemická reakcia cez iónovú výmeničnú membránu. Energia sa prenáša cez membránu a ukladá sa v elektrolytových nádržiach.

Flow batérie majú záporný a kladný elektrolyt. V súčasnosti sú najbežnejším typom prietokových batérií tzv. vanádiovo-redoxné batérie. Tento typ RFB využíva technológiu založenú na vanádiovej soli, ktorá má rôzne oxidačné stavy. Prietok elektrolytov je zabezpečený tak, aby medzi elektrolytmi z oboch nádrží nedochádzalo k fyzickému kontaktu.

Najväčšou výhodou prietokových batérií oproti Li-ion batériám je predovšetkým niekoľkonásobne dlhšia životnosť a účinnosť. Na druhej strane, doteraz spoločnosti vyvíjajúce prietokové batérie neboli veľmi úspešné v masívnej propagácii tejto technológie na trhu.

Prelom v oblasti vedy

Vedci z Northwestern University v USA nedávno vyvinuli proces, ktorý umožňuje premenu predtým nevyužitého priemyselného odpadu, konkrétne molekuly trifenylfosfín oxidu (TPPO). Podľa vedcov má TPPO potenciál nahradiť drahé kovy, ktoré sa v súčasnosti najviac používajú v RFB.

TPPO sa vyrába ako odpadová látka pri výrobe rôznych produktov vrátane vitamínových tabliet. Doteraz bola TPPO považovaná za bezcennú a predstavovala skôr environmentálny problém a náklady na likvidáciu.

Novoobjavený proces využívania TPPO ako organického elektrolytu podporuje vznik chemickej reakcie, ktorá ukladá energiu spätným čerpaním medzi elektrolyty. Na rozdiel od tradičných lítium-iónových batérií, ktoré ukladajú energiu v elektródach, RFB pracujú s elektrolytmi a sú vhodnejšie na ukladanie energie, najmä pre rozsiahle aplikácie obnoviteľnej energie (RES).

Kľúčové výhody

Podľa Emily Mahoneyovej, výskumníčky z Northwestern University, novovyvinutý materiál TPPO nielenže vykazuje vysokú energetickú hustotu porovnateľnú s konkurentmi kovov, ale ponúka aj vysokú stabilitu. To je obrovská výhoda, pretože existujúce RFB technológie tieto parametre nemajú.

Hlavnou výhodou RFB technológie je ich životnosť odhadovaná na 15 000 až 20 000 cyklov, ako aj zanedbateľné opotrebovanie v čase, akékoľvek vybitie batérie až do 0 % nemá vplyv na jej vlastnosti. Tieto batérie sú modulárne, čo znamená, že ich výkon a kapacita môžu byť rozšírené za relatívne nízke náklady vzhľadom na zvýšené požiadavky.

Pre investorov je bezpečnosť významnou výhodou. Vďaka použitiu redoxných alebo TPPO založených elektrolytov je to na rozdiel od lítiových systémov nehorľavé a bezpečné riešenie, takže nehrozí riziko výbuchu ani pri extrémnom zaťažení alebo skrate batérie. A nakoniec treba spomenúť možnosť úplnej recyklácie batérií, kde sa vanádiové elektrolyty dajú ľahko regenerovať do pôvodného stavu a znovu použiť na ukladanie energie.

Na druhej strane, RBG využívajúce TPPO nemajú rovnakú energetickú hustotu ako lítium-iónové batérie, a preto nie sú vhodné na použitie v autách alebo smartfónoch.

Najväčší projekt v Číne a výroba v Českej republike

RFB sú preto ideálne pre priemyselné a sieťové aplikácie, kde je potrebné dlhodobé skladovanie energie s minimálnym zhoršením. Ďalšou výhodou je rýchle „dobíjanie“ výmenou alebo doplnením elektrolytov, čo výrazne skracuje čas zotavenia sa v porovnaní s bežnými batériami.

RFB sa už niekoľko rokov používajú v niektorých väčších energetických projektoch. Najväčšia RFB sa nachádza v Číne s kapacitou 100 MW/400 MWh, čo pomáha stabilizovať elektrickú sieť a zároveň integrovať obnoviteľné zdroje. Tieto batérie sú postavené na základe vanádu ako štandardu, ktorý je účinný, ale drahý a relatívne toxický, čo podporuje potrebu vyvíjať organické alternatívy.

Vanádiové redox prietokové batérie vyvíjajú v akademickej sfére už viac ako desať rokov vedci z Plzne v spoločnosti Pinflow. Teraz sa vedci venujú svojej komerčnej výrobe. Podľa zakladateľa Pinflow Jiřího Vránu sa jeho spoločnosti podarilo v posledných rokoch nainštalovať viac ako sto takýchto systémov na všetkých kontinentoch.

V roku 2023 začala švajčiarska spoločnosť Arbonia výrobu RFB pre domácnosti značky STORAC v Stříbre. Batérie bude na trh dodávať nemecká spoločnosť Prolux Solutions, ktorá je súčasťou skupiny Arbonia.

„Viac ako 100 zamestnancov našej spoločnosti pracuje na vývoji novej batérie STORAC už viac ako tri roky. Počas tohto procesu zariadenie prešlo niekoľkými viacstupňovými prevádzkovými testami. To nám umožňuje prísť na trh s technicky vyspelým a spoľahlivým produktom už od samého začiatku,“ hovorí Johannes Häntzschel, vedúci obchodnej jednotky v Prolux Solutions.

Vývoj RFB pokračuje v laboratóriách po celom svete. Cieľom je zdôrazniť znižovanie nákladov a hustotu energie, aby sa RFB mohli stať konkurencieschopnou technológiou aj pre širšie trhové segmenty.

Stále však nie je rozhodnuté, či sa RFB stanú preferovanou voľbou v energetickom priemysle v budúcnosti, najmä v kontexte rastúcej integrácie obnoviteľných zdrojov a potreby spoľahlivého, bezpečného a modulárneho skladovania energie.