Baterie, kterou snadno snadno zvětšíte. Stačí dolít

Bateriový boom posledních let je možný primárně díky jediné technologii: lithium-iontovým článkům. Ale poměrně významná skupinka odborníků a firem doufám, že své místo si vedle nich najdou i technologie velmi odlišné: tzv. průtočné baterie.

Ty jsou pro použití třeba právě v elektronice či jiných mobilních aplikacích zcela nevhodné. Ovšem mohly by najít svou niku v oboru velkých stacionárních úložišť.

Staré, ne příliš osvědčené

Průtočné baterie nejsou samozřejmě žádnou horkou technologickou novinkou, známé jsou dlouhou dobu a v celé řadě variant. Existují například také zinkobromidové baterie (BrZnBR) či bromidsodné baterie (PSB, Br/S), tou nejdiskutovanější variantou je ovšem vanadová redoxní baterie (označuje se často zkratkou VRB).

Světlo světa spatřila v 80. letech minulého století jako nečekaný potomek výzkumu možných zdrojů energie pro vesmírné sondy. V zásadě jde o typ, který se velmi podobá konvenčním bateriím. Jejím jádrem jsou membránou oddělené uhlíkové elektrody, přes které protéká tekutý elektrolyt umístěný ve dvou velkých nádržích. Elektrolyt je rozdělen na kladný a záporný, každý s vlastním okruhem, které od sebe na elektrodách odděluje iontově výměnná membrána s vhodnými vlastnostmi.

Princip fungování vanadové baterie. Jak je vidno, baterie je nezvyklá v tom, že její kapacitu v podstatě určuje velikost nádrže s elektrolytem, zatímco výkon množství článk
Princip fungování vanadové baterie. Jak je vidno, baterie je nezvyklá v tom, že její kapacitu v podstatě určuje velikost nádrže s elektrolytem, zatímco výkon množství článků. (foto Suminoto Electric)

Možná ilustrativnější je tedy o baterii mluvit jako o palivovém článku, čtenář by si tak zhruba mohl představit hlavní výhodu vanadových baterií – totiž možnost nezávislého nastavení výkonu a kapacity podle přání a požadavků zadavatele. Kapacitu baterie určuje velikost „nádrže“ na kladný a záporný elektrolyt, který v případě většiny používaných vanadových redox baterií tvoří soli vanadu rozpuštěné ve zředěné kyselině sírové.

Výkon baterie naopak zase určuje konstrukce samotného „motoru“, konkrétně řečeno tedy velikost aktivní plochy a počet článků v bateriovém svazku. Pokud je takový systém vhodně zapojen, umožňuje vytváření velkých systémů s prakticky nepřetržitým provozem (údržba jedné části nemusí ovlivnit funkci celého zdroje).

Škálovatelnost řešení je velkou výhodou především pro velké stacionární zdroje. Samotný elektrolyt i nádrže, ve kterých se uchovává, jsou poměrně levné, a tak cena za jednotku kapacity – obvykle se udává v dolarech za kWh – s rostoucí kapacitou baterie klesá. Trh s vanadovými bateriemi je poměrně malý, smlouvy neveřejné, ale podle dostupných informací může cena za kWh s rostoucí kapacitou klesat skutečně poměrně výrazně. U malých systémů se dnes mluví o ceně kolem 500 dolarů/kWh, u větších zdrojů se ovšem může dostat poměrně snadno pod 300 dolarů/kWh.

Malé nejsou

Pro stacionární použití jsou baterie určeny i z jiných důvodů. Tím hlavním je nízká energetická hustota elektrolytu, řádově v nízkých desítkách kWh na m³ elektrolytu. Výkony se mohou poněkud lišit podle výrobce a technologie (v posledních letech došlo k jistému pokroku).

Například čínská společnost Rongke Power pracovala v posledních letech s klasickou technologií vanadových průtočných baterií, u svých baterií dosahuje energetické hustoty cca 12 až 15 kWh na m3 elektrolytu. Nevýhodou této technolgoie je jak poměrně nízký obsah energie, tak například také poměrně nízký rozsah pracovních teplot, který se pohybuje mezi 10–40 °C (v praxi se teplota udržuje samozřejmě ještě v užším rozmezí). To s sebou nese nutnost instalace systému řízení teploty, který zvyšuje spotřebu bateriového systému na provoz, tím snižuje celkovou účinnost skladování energie. Nutnost poměrně přesné regulace teploty také samozřejmě zvyšuje pořizovací náklady.

K dispozici jsou ovšem už i modernější technologie, které tento a některé další nešvary systému odstraňují. Velká část z nich ještě dnes těží z projektu americké Pacific Northwest National Laboratory, který se z veřejných peněz uskutečnil v letech 2007–2011. V jeho rámci se podařilo vyvinout a demonstrovat nové složení elektrolytu, stále sice stále obsahuje toxické látky, ale složení vedlo jak ke zvýšení měrné energetické hustoty baterie, tak i k rozšíření rozsahu pracovních teplot.

Elektrolyt je opět založen na solích vanadu rozpuštěný ve směsi kyseliny sírové a nově také kyseliny chlorovodíkové. Směs umožňuje zlepšit rozpustnosti solí vanadu, díky čemuž je možné dosáhnout vyšších energetických hustot. Ta se zvýšila na hodnoty nad 20 kWh na m³, což sice stále baterie omezuje na stacionární použití, ale nese s sebou přirozeně příjemné snížení rozměrů celého systému. Co se pracovních teplot týče, baterie s chlorným elektrolytem údajně mohou pracovat v rozmezí zhruba 0–50 °C, což jistě stále není ideální a vyžaduje zajištění tepelného řízení celého systému, ale znovu jde o krok směrem ke zvýšení praktické využitelnosti VRB systémů.

Schéma vanadové baterie
Schéma vanadové baterie (foto Suminoto Electric)

Energetická hustota vanadových baterií tedy nesnese přímo srovnání s klasickými lithiovými bateriemi. Lithium-iontové baterie jsou v tomto ohledu téměř o řád lepší, řádově v nižškých stovkách kWh/m3 podle typu a určení. Není divu, že v mobilním telefonu vanadovou baterii nikdy neuvidíte.

Na druhou stranu tento typ baterií by měl být extrémně trvanlivý. Baterii nijak nevadí hluboké vybití a může za svou životnost absolvovat podle výrobců desítky tisíc cyklů, aniž by se její kapacita výrazně změnila. Nejmenší životnost z celého systému má obecně řečeno membrána, a i tu výrobci udávají v hodnotách přesahujících 10 tisíc cyklů. V principu pak není nemožné membránu vyměnit, i když s tím spojené náklady lze těžko odhadovat; záleží samozřejmě na ceně membrány samotné i konstrukci celé baterie. Navíc materiál samotných membrán se vyvíjí, takže jejich životnost by se do budoucna mohla nadále zvyšovat.

Související články

Vložit komentář...