Going With The Flow: En Introduktion Til Redox Flow-batterier

Vedvarende energiteknologier – især solcelleanlæg – er klar til at transformere energilandskabet. Kombineret med den rigtige belastningsprofil og indstillinger har solenergi nået et punkt, hvor det er mere omkostningseffektivt end forbrændingsgeneratorer.

Men for at tage dette næste store skridt er vi nødt til at finde en løsning, der muliggør billig energilagring, en kapacitet, der eliminerer problemet med intermitterende elproduktion, der opstår med rene PV-energisystemer*. Når den dag kommer, vil det ændre spillet. Dette vil for alvor få masserne til at stille spørgsmålstegn ved forbrændingsgeneratorernes rolle i vores energimix. Et boost til energilagring er et boost for solenergi.

Af alle de interessante energilagringsteknologier under udvikling, ser flowbatteriet ud til at være frontløberen i kapløbet om dominans inden for distribueret energilagring. Flowbatteriet er et avanceret batteridesign, der giver unikke udfordringer og muligheder og sidder midt i spektret mellem højpris, højtydende lithium-ion-enheder og billige blysyretyper.

Hvordan fungerer et flow-batteri?

Et flowbatteri består i det væsentlige af:

To separate væsker indeholdende elektroaktive kemiske grundstoffer opløst i opløsning;
En specialdesignet membran, der forhindrer de to opløsninger i at blande sig og samtidig tillader ionbytning (dvs. bevægelse af elektrisk ladning);
En elektrokemisk celle, der tillader udvinding af den kemiske energi, der er lagret i opløsningerne, til brug som nyttig elektricitet i et eksternt kredsløb; Og
Lagertanke og pumper til at cirkulere opløsningerne gennem cellen.

Skematisk repræsentation af et flowbatteri (billedkredit: University of British Columbia)

Når de to opløsninger cirkulerer gennem den elektrokemiske celle, sker der ionbytning (dvs. strømflow) mellem de to opløsninger og gennem separationsmembranen. Strøm kan derefter tages via kontaktelektroder og bruges til at drive en belastning i et eksternt kredsløb. Flow-batterier kaldes også “redox-flow-batterier”, baseret på de reduktions- og oxidationsreaktioner, der opstår i opløsningerne under drift.

For at genoplade flowbatteriet vendes processen simpelthen ved at påføre en modsat spænding til den elektrokemiske celle, hvilket får den elektriske ladning til at bevæge sig i den modsatte retning.

Sammenlignet med bly-syre-batterier lagres energien som et opløst elektroaktivt materiale i opløsningerne frem for som et belagt fast metal i batterikassen. Det betyder, at strømningsbatteriernes effekt- og kapacitetskarakteristika er afkoblet og kan justeres uafhængigt – lageret kan nemt udvides, hvis der ønskes en forøgelse af den samlede kilowatt-timers lagring.

Fordele og ulemper

Løsningerne, der bruges i de mere almindelige flow-batterier, kan genoplades på ubestemt tid, hvilket potentielt kan resultere i længere levetid og lavere niveauiserede lageromkostninger (LCOS). Derudover kan batterier hurtigt genoplades ved blot at udskifte brugte løsninger med en ny batch. Denne mulighed for “hurtig tankning” er også attraktiv til brug i elektriske køretøjer.

Behovet for pumper, flowregulatorer og lagertanke komplicerer imidlertid driften af systemet og reducerer yderligere den samlede energitæthed af flowbatterienheder. Selvom løsningen kan have en ubestemt levetid, kan de komponenter, der transporterer ætsende elektrokemiske opløsninger, vise sig at være et svagt led, hvis de implementeres forkert. Flow-batterier kræver også mere kompliceret elektronik sammenlignet med simplere bly-syre-batterier.

Hvordan vil strømningsbatterier fremme brugen af solceller og vedvarende energi?

Virksomheder som Imergy, Redflow og EnerVault har allerede lanceret flowbatterienheder, der direkte konkurrerer med standard forbrændingsgeneratorer til både on-grid og off-grid applikationer. Nogle af disse kommercielt tilgængelige enheder hævder, at LCOS er mere konkurrencedygtige end top-end gassystemer og er på vej til at udfase de dyrere forbrændingsgeneratorteknologier. Den fortsatte udvikling af batterier i denne kapacitet hjælper med at åbne døren for solceller og andre vedvarende energiteknologier for at lukke hullet.

* Ikke alle vedvarende energiteknologier har samme produktionsprofil – sammenlægningen af forskellige typer vedvarende energiteknologier kan resultere i et rimeligt stabilt supplement til basisbelastningen. Vandkraftværker, vindmøller, bølgeenergigeneratorer og solcelleanlæg arbejder uafhængigt af hinanden. For eksempel kan vindmøller generere elektricitet om natten, når solcelleanlæggene er inaktive, mens de forbliver stationære under varmen på dagen, hvor solpanelerne er mest produktive. Et distribueret hybridsystem kunne gøre underværker for vores elnets modstandsdygtighed.

Top billedkredit: Nikkei Business Publications