Nowatorskie akumulatory organiczne oparte na ligninie z roślin
Magazynowanie energii wytwarzanej przez źródła odnawialne (OZE) jest niezbędne w celu ich lepszego wykorzystania. Przepływowe akumulatory redoks, które stanowią stosunkowo nowe rozwiązanie, są obiecującą alternatywą dla konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych. Co więcej, oferują szereg korzyści – są w dużym stopniu modułowe, charakteryzują się większym bezpieczeństwem, lepszą skalowalnością, niskimi kosztami utrzymania, a także dłuższą żywotnością oraz czasem rozładowania. Zapewnienie optymalnych osiągów takich akumulatorów wymaga jednak zastosowania systemów chłodzenia w celu utrzymania ich temperatur w zakresie poniżej 40 °C. Stosowanie takich rozwiązań prowadzi jednak do zmniejszenia efektywności energetycznej, wzrostu złożoności rozwiązań, nakładów inwestycyjnych oraz kosztów operacyjnych. Dodatkową komplikację stanowi fakt, że większość akumulatorów redoks wykorzystuje elektrolity na bazie wanadu, który jest jednym z surowców krytycznych. Pierwsze organiczne akumulatory redoks pojawiły się w 2009 roku, a obecnie są jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań, które w przyszłości pozwolą na utrzymanie sieci, w której coraz większą częścią koszyka energetycznego będą odnawialne źródła energii charakteryzujące się zmiennością produkcji. W ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu BALIHT powstał organiczny akumulator redoks z elektrolitem na bazie ligniny. Zastosowanie takiego rozwiązania zwiększa temperaturę roboczą i efektywność energetyczną, jednocześnie podnosząc bezpieczeństwo, umożliwiając recykling i obniżając koszty rozwiązania.
Rozwiązanie problemu chłodzenia akumulatorów redoks
Lignina jest biopolimerem i jednym z podstawowych materiałów wchodzących w skład roślin i drzew, dodatkowo jest także naturalnym surowcem odnawialnym, który charakteryzuje się doskonałą dostępnością dzięki produkcji masy celulozowej. „Opracowany w ramach projektu BALIHT organiczny akumulator przepływowy redoks wykorzystuje elektrolit na bazie ligniny w roztworze wodnym, który jest bezpieczniejszy i bardziej przyjazny dla środowiska niż inne, często toksyczne lub łatwopalne rozwiązania. Nasz akumulator może pracować w temperaturach sięgających nawet 80 °C, osiągając efektywność energetyczną wyższą o 20 % względem obecnie dostępnych organicznych akumulatorów redoks dzięki kilku innowacjom”, wyjaśnia Marta Pérez Argilés, przedstawicielka organizacji AIMPLAS. Wśród nowych rozwiązań można wymienić między innymi wykonane z tworzyw sztucznych ramki, które podnoszą dwukrotnie temperaturę ugięcia i zwiększają odporność ogniw na wysokie temperatury, zmniejszając rozszerzalność o połowę względem materiału referencyjnego. Co więcej, nowe rozwiązania w pełni nadają się do recyklingu i są przystępne cenowo. Opracowane przez badaczy elastyczne zbiorniki zachowują wytrzymałość pomimo odkształceń i wykazują doskonałą odporność chemiczną. Dodatkowo, zintegrowane drukowane czujniki zapewniły dane potwierdzające minimalny wyciek elektrolitu. Badacze opracowali także innowacyjne powłoki, które działają w wyższych temperaturach, ułatwiają przepływ płynów i zapewniają odporność na działanie substancji chemicznych. Dodatkowo powstał także opracowany w ramach projektu „system zarządzania energią wyposażony w przyjazny interfejs użytkownika, który optymalizuje zużycie zasobów, koszty i elastyczność, a ponadto jest kompatybilny z innymi rodzajami akumulatorów. Nowe rozwiązanie zostało zweryfikowane w warunkach wysokich temperatur oraz wielu cykli ładowania i rozładowania. Można je dostosować do dowolnej konstrukcji akumulatora oraz pracy w szerokim zakresie temperatur”, dodaje Pérez Argilés.
Bezpieczne i zrównoważone rozwiązanie
Podejście wykorzystane przez zespół projektu BALIHT obejmuje bezpieczną i zrównoważoną strategię projektowania akumulatorów oraz społeczną ocenę cyklu życia akumulatorów przepływowych redoks w celu uwzględnienia ich wpływu na społeczeństwo w całym okresie eksploatacji. Opracowane w ramach projektu wodne roztwory elektrolitów, a także nowe elektrody oraz rozpuszczalne w wodzie spoiwo umożliwiają odzyskiwanie związków katodowych ze zużytych elektrod wyłącznie z pomocą wody. Co więcej, elektrody mogą być z powodzeniem regenerowane, a po zakończeniu tego procesu dorównują osiągami nowym egzemplarzom. Z kolei dwubiegunowe płytki nadają się do recyklingu za pomocą technologii mechanicznych. „Można powiedzieć, że komponenty opracowane w ramach projektu BALIHT spełniają odpowiednie przepisy Unii Europejskiej dotyczące zdrowia, bezpieczeństwa i ochrony środowiska, ponadto mogą zostać poddane recyklingowi w 80 %. Ich zastosowanie ogranicza zależność od surowców krytycznych i poprawia wskaźniki związane z pewnością zatrudnienia, bezpieczeństwem w miejscu pracy i wynagrodzeniami. Wszystkie te czynniki podkreślają możliwości organicznych akumulatorów przepływowych redoks w zakresie zapewnienia korzyści społecznych, a także środowiskowych”, podkreśla Pérez Argilés. Dzięki dalszej optymalizacji i weryfikacji rozwiązań w warunkach przemysłowych, wydajny i skalowalny akumulator przepływowy redoks opracowany przez zespół projektu BALIHT wejdzie na drogę do komercjalizacji, przyczyniając się walnie do realizacji celów Unii Europejskiej dotyczących energetyki i zrównoważonego rozwoju.
Słowa kluczowe
BALIHT, energia, akumulator przepływowy redoks, organiczny akumulator redoks, elektrolit, lignina, akumulatory redoks, wanad, system zarządzania energią, zrównoważony projekt
