Zonnebatterijtechnologie
9 hoofdtypen batterijen voor zonneopslag
Bij het kiezen van een zonnebatterij zijn er verschillende essentiële dingen om rekening mee te houden, zoals de levensduur van de batterij, de kosten, hoeveel stroom elke batterij kan leveren, enz. Er zijn meerdere modellen batterijen die zonne-energie kunnen opslaan, allemaal met voor- en nadelen.
Hieronder vindt u de meest vertrouwde batterijen die momenteel op de markt zijn voor zonne-energieopslag.
Lithium Ion (Li-Ion) Batterijen
Nadat Exxon-chemicus Stanley Whittingham in de jaren zeventig het concept van lithium-ionbatterijen ontwikkelde, creëerden Sony en Asahi Kasei in 1991 het eerste commerciële product. De eerste batterijen werden gebruikt voor consumentenelektronica en nu, voortbouwend op het succes van deze Li-ionbatterijen, ontwikkelen veel bedrijven cellen van groter formaat voor gebruik in energieopslagtoepassingen. Velen verwachten ook dat er aanzienlijke synergieën zullen zijn met de opkomst van elektrische voertuigen (EV's) aangedreven door Li-ion-batterijen. De flexibiliteit van Li-ion-technologie in EV-toepassingen, van kleine high-power batterijen voor vermogensbuffering in hybrides tot medium-power batterijen die zowel elektrisch bereik als vermogensbuffering bieden in plug-in hybrides, tot hoogenergetische batterijen in elektrische voertuigen, heeft een vergelijkbare waarde in stationaire energieopslag.
Li-ionbatterijen zijn ingezet in een breed scala aan energieopslagtoepassingen, variërend van energiebatterijen van een paar kilowattuur in residentiële systemen met fotovoltaïsche arrays op het dak tot multi-megawatt gecontaineriseerde batterijen voor de levering van netingelegde diensten.
Hoe lithium-ionbatterijen werken
De term "lithium-ion" verwijst niet naar een enkel elektrochemisch paar, maar naar een breed scala aan verschillende chemieën, die allemaal worden gekenmerkt door de overdracht van lithiumionen tussen de elektroden tijdens de ladings- en ontladingsreacties. Li-ioncellen bevatten geen metallisch lithium; in plaats daarvan worden de ionen in de structuur van andere materialen gestoken, zoals lithiated metaaloxiden of fosfaten in de positieve elektrode (kathode) en koolstof (meestal grafiet) of lithiumtitanaat in het negatieve (anode).
De term "lithiumpolymeer" (of beter gezegd, lithium-ionpolymeer) verwijst naar een Li-ionenontwerp waarbij de elektroden aan elkaar worden gebonden door een poreuze polymeermatrix. Vloeibaar elektrolyt wordt doordrenkt in de poreuze matrix en wordt geïmmobiliseerd, waardoor de elektrodestapels kunnen worden geassembleerd in folie "zakjes" die geometrische flexibiliteit en verbeterde energiedichtheid bieden in vergelijking met cilindrische cellen. Dergelijke voordelen zijn echter minder belangrijk omdat de cellen worden opgeschaald naar grotere capaciteiten.
Merk op dat er ook "lithiummetaalpolymeer"-technologieën zijn, waarbij metallic lithiumnegatief wordt geïmplementeerd met een geleidend polymeer om een solid-state batterijsysteem te maken. Dergelijke technologieën vallen niet onder de Li-ion paraplu en zijn nog niet met succes ingezet in energieopslagtoepassingen.
Technologieën met lithiated metaaloxidepositieven en koolstofnegatieven hebben hoge celspanningen (meestal 3,6 V tot 3,7 V) en dienovereenkomstig hoge energiedichtheid. Deze technologieën hebben sterk verschillende levens- en veiligheidskenmerken. Cellen met positieve materialen op basis van lithiumijzerfosfaat zijn inherent veiliger dan hun tegenhangers van metaaloxide/koolstof, maar de spanning is lager (ongeveer 3,2 V), net als de energiedichtheid. Ontwerpen met gelithoeerde metaaloxidepositieven en lithiumtitanaatnegatieven hebben de laagste spanning (ongeveer 2,5 V) en een lage energiedichtheid, maar hebben veel hogere vermogens- en veiligheidsvoordelen.
Li-ioncellen kunnen worden geproduceerd in cilindrisch of prismatisch (rechthoekig) formaat. Deze cellen worden vervolgens meestal ingebouwd in meercellige modules in serie- en/of parallelle arrays, en de modules worden met elkaar verbonden om een batterijreeks te vormen bij de vereiste spanning, waarbij elke tekenreeks wordt bestuurd door een batterijbeheersysteem. Elektronische subsystemen zijn een belangrijk kenmerk voor Li-ionbatterijen, die niet in staat zijn om waterige technologieën (bijv. loodzuurbatterijen) te gebruiken om overladingsenergie af te laden. Veiligheidskenmerken van Li-ion-batterijen worden uiteindelijk bepaald door de kenmerken van het systeemontwerp, inclusief mechanische en thermische kenmerken, elektronica en communicatie, en besturingsalgoritmen - ongeacht elektrochemie.
Loodaccu's
Loodaccu's zijn de meest gebruikte oplaadbare batterijtechnologie ter wereld. Ze hebben een ongeëvenaarde staat van dienst op het gebied van betrouwbaarheid en veiligheid, die samen met een gevestigde wereldwijde leveranciersbasis hen de dominante batterij maken in termen van MWh van productie. Loodaccu's worden veel gebruikt in auto's en vrachtwagens en worden in vrijwel alle voertuigen gebruikt, wat een verhoogde hybridisatie en elektrificatie van voertuigen ondersteunt, van start-stoptechnologie tot volledig elektrische voertuigen. Bovendien worden loodaccu's veel gebruikt in industriële toepassingen, waar ze energie leveren voor telecommunicatie, ononderbroken voeding, veilige stroom, elektrische tractie en voor energieopslag voor nutsvoorzieningen en huishoudelijke en commerciële toepassingen.
Waarom loodaccu's zinvol zijn voor energieopslag
Loodaccu's hebben een lange geschiedenis van succesvol gebruik in energieopslag en hun mogelijkheden en beperkingen zijn zorgvuldig onderzocht. Hun betrouwbaarheid is goed ingeburgerd en ze kunnen worden aangepast voor een breed scala aan bedrijfscycli, waardoor ze een goede oplossing bieden die concurrerend is met andere benaderingen.
Daarnaast worden loodaccu's op grote schaal gerecycled. Dankzij het gevestigde inzamelings- en recyclingsysteem worden bijna alle gebruikte loodbatterijen aan het einde van de levensduur ingezameld voor recycling - de hoogste van alle batterijtechnologieën.
Loodaccu's illustreren de fundamentele principes van eco-design: ze zijn ontworpen om aan het einde van de levensduur te worden gerecycled, waarbij meer dan 90% van hun materiaal wordt teruggewonnen. De gemiddelde loodaccu die vandaag de dag wordt gemaakt, bevat meer dan 80% gerecyclede materialen en bijna al het lood dat in het recyclingproces wordt teruggewonnen, wordt gebruikt om nieuwe loodbatterijen te maken.
Voor energieopslagtoepassingen moet de batterij een lange levensduur hebben, zowel in deep cycle- als shallow cycle-toepassingen. Deep cycle service vereist een hoge integriteit positief actief materiaal met ontwerpkenmerken om het actieve materiaal te behouden. Ondiepe cyclusdienst legt meer nadruk op het negatieve actieve materiaal en de batterij moet zo worden ontworpen dat sulfatie wordt vermeden. Opladen en batterijbeheer is belangrijk en energie-efficiëntie van 90% kan worden bereikt.
Het Consortium for Battery Innovation (CBI) is een door de industrie gefinancierde preconcurrentiële onderzoeks- en marktontwikkelingsorganisatie. CBI ondersteunt al meer dan 25 jaar actief nieuwe ontwikkelingen voor loodaccu's, die een belangrijke rol hebben gespeeld bij het verbeteren van de levensduur onder verschillende omstandigheden.
Loodbatterijen kunnen worden gebruikt voor frequentieregeling en voor belastingsbeheer voor nutsvoorzieningen en worden op grote schaal ingezet om PV-installaties zowel in commerciële als huishoudelijke gebouwen te ondersteunen. De beste loodaccu's in zijn klasse kunnen 5000 cycli tot 70% ontladingsdiepte bereiken, wat een levensduur van bijna 15 jaar biedt bij intensief gebruik. Loodaccu's hebben lagere kosten dan andere drogisterijen en hebben aan het einde van de levensduur een positieve waarde voor het loodmetaal dat beschikbaar is voor recycling. Ze zijn ook veilig omdat ze een waterig elektrolyt en actieve materialen hebben die niet ontvlambaar zijn. Li-ion batterijen hebben een brandbaar organisch elektrolyt en zeer reactieve componenten. Veiligheidstechniek is belangrijk voor alle batterijsystemen, maar voor Li-ion zijn zeer hoge normen vereist.
VRLA-batterij voor energieopslag geïnstalleerd zoals hieronder:
Technische Layout
De chemie van de loodbatterij
Lood batterij chemie is eenvoudig en robuust. Het actieve materiaal is looddioxide op de positieve platen en fijn verdeeld lood op de negatieve platen. Beide materialen reageren met zwavelzuur bij het lozen om loodsulfaat en water te vormen en de omgekeerde reacties vinden plaats bij het opladen.
Loodaccu's voor energieopslag zijn gemaakt in een aantal verschillende soorten. Ze kunnen onder water komen te staan, wat betekent dat ze van tijd tot tijd onderhoudstoevoegingen van water nodig hebben of klepgereguleerde loodzuurtypen (VRLA) die geen routinematig onderhoud vereisen, behalve veiligheidsinspecties. VRLA-batterijen zijn zo geconstrueerd dat waterstofevolutie wordt onderdrukt en zuurstof chemisch wordt gerecombineerd, zodat waterverlies vrijwel wordt geëlimineerd. Er zijn twee technologieën beschikbaar; de ene gebruikt een absorptieve glasmat (AGM) als afscheider en de andere gebruikt fijn verdeeld silica om het elektrolyt te gelen. Ze werken allebei op een vergelijkbare manier, maar hebben verschillende kenmerken. Loodaccu's hebben ook verschillende ontwerpen voor bepaalde toepassingen en worden voornamelijk onderscheiden door de positieve plaat die buisvormig of plat geplakt kan zijn.
Redox Flow Batterijen
Redox flow batteries (RFB) vertegenwoordigen één klasse van elektrochemische energieopslagapparaten. De naam "redox" verwijst naar chemische reductie- en oxidatiereacties die in de RFB worden gebruikt om energie op te slaan in vloeibare elektrolytoplossingen die tijdens het laden en lossen door een batterij elektrochemische cellen stromen.
Tijdens de ontlading komt een elektron vrij via een oxidatiereactie van een hoge chemische potentiaaltoestand aan de negatieve of anodezijde van de batterij. Het elektron beweegt door een extern circuit om nuttig werk te doen. Ten slotte wordt het elektron geaccepteerd via een reductiereactie bij een lagere chemische potentiaaltoestand aan de positieve of kathodezijde van de batterij. De richting van de stroom en de chemische reacties worden tijdens het opladen omgekeerd.
Het totale verschil in chemisch potentieel tussen de chemische toestanden van de actieve elementen aan de twee zijden van de batterij bepaalt de elektromotive kracht (emf of spanning) die in elke cel van de batterij wordt gegenereerd. De door de RFB ontwikkelde spanning is specifiek voor de chemische soorten die betrokken zijn bij de reacties en het aantal cellen dat in serie is verbonden. De stroom die door de batterij wordt ontwikkeld, wordt bepaald door het aantal atomen of moleculen van de actieve chemische soort die in de cellen worden gereageerd als functie van de tijd. Het vermogen geleverd door de RFB is het product van de totale stroom en totale spanning ontwikkeld in de elektrochemische cellen. De hoeveelheid energie die in de RFB is opgeslagen, wordt bepaald door de totale hoeveelheid actieve chemische soorten die beschikbaar is in het volume elektrolytoplossing dat in het systeem aanwezig is.
Hoe Redox Flow-batterijen werken
De scheiding van energie en energie is een belangrijk onderscheid tussen RFB's en andere elektrochemische opslagsystemen. Zoals hierboven beschreven, wordt de systeemenergie opgeslagen in het volume elektrolyt, dat gemakkelijk en economisch binnen het bereik van kilowattuur tot tientallen megawattuur kan liggen, afhankelijk van de grootte van de opslagtanks. Het vermogen van het systeem wordt bepaald door de grootte van de stapel elektrochemische cellen. De hoeveelheid elektrolyt die op enig moment in de elektrochemische stapel stroomt, is zelden meer dan een paar procent van de totale hoeveelheid aanwezig elektrolyt (voor energieclassificaties die overeenkomen met ontlading bij nominaal vermogen gedurende twee tot acht uur). De stroom kan eenvoudig worden gestopt tijdens een storingstoestand. Als gevolg hiervan wordt de kwetsbaarheid van het systeem voor ongecontroleerde energieafgifte in het geval van RFBs door systeemarchitectuur beperkt tot een paar procent van de totale opgeslagen energie. Deze functie is in tegenstelling tot verpakte, geïntegreerde celopslagarchitecturen (loodzuur, NAS, Li Ion), waar de volledige energie van het systeem te allen tijde is aangesloten en beschikbaar is voor ontlading.
De scheiding van energie en energie biedt ook ontwerpflexibiliteit bij de toepassing van RFB's. De vermogenscapaciteit (stackgrootte) kan rechtstreeks worden afgestemd op de bijbehorende belasting of het genereren van activa. De opslagcapaciteit (grootte van opslagtanks) kan onafhankelijk worden afgestemd op de energieopslagbehoefte van de specifieke toepassing. Op deze manier kunnen RFB's economisch een geoptimaliseerd opslagsysteem bieden voor elke toepassing. Daarentegen wordt de verhouding tussen vermogen en energie vastgesteld voor geïntegreerde cellen op het moment van ontwerp en vervaardiging van de cellen. Schaalvoordelen in celproductie beperken het praktische aantal verschillende celontwerpen dat beschikbaar is. Daarom hebben opslagtoepassingen met geïntegreerde cellen meestal een overmaat aan vermogen of energiecapaciteit.
RFB's kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: 1) echte redoxstroombatterijen, waarbij alle chemische soorten die actief zijn in het opslaan van energie te allen tijde volledig zijn opgelost in oplossing; en 2) hybride redoxstroombatterijen, waarbij ten minste één chemisch specie tijdens het opladen als vaste stof in de elektrochemische cellen wordt geplateerd. Voorbeelden van echte RFB's zijn de vanadium-vanadium- en ijzerchroomsystemen. Voorbeelden van hybride RFB's zijn zinkbromide- en zink-chloorsystemen.
Volledige scheiding van energie en energie
Echte RFB's bereiken de volledige scheiding van energie en energie, samen met de volledige voordelen. In hybride RFB's wordt een volledige scheiding van energie en energie niet bereikt, omdat energie wordt opgeslagen in het metaal dat tijdens het opladen in de elektrochemische stapel wordt geplateerd. Grotere energieopslagcapaciteit vereist een grotere stack, dus het onderscheid van de hybride RFB van geïntegreerde celarchitecturen wordt slechts gedeeltelijk bereikt.
Ten slotte zijn RFB's zeer geschikt voor toepassingen met stroomvereisten in het bereik van tientallen kilowatt tot tientallen megawatt, en energieopslagvereisten in het bereik van 500 kilowattuur tot honderden megawatturen. RFB's kunnen de meest economische keuze in dit assortiment zijn, omdat opslagtanks en stroomregelaars eenvoudig en economisch te schalen zijn, en elektrochemische stapels kunnen herhaalde eenheden hebben met vermogensclassificaties in de tientallen tot honderden kilowatt.
Redox flow batterijen hebben één belangrijk architectonisch nadeel in vergelijking met geïntegreerde celarchitecturen van elektrochemische opslag. RFB's hebben meestal lagere volumetrische energiedichtheden dan geïntegreerde celarchitecturen, vooral in toepassingen met een hoog vermogen en korte duur. Dit komt door het volume van de elektrolytenstroomafgifte en controlecomponenten van het systeem, dat niet wordt gebruikt om energie op te slaan, dus een systeem is niet zo compact als andere technologieën voor een vergelijkbare output kunnen zijn. Desondanks zijn RFB's beschikbaar met een systeemvoetafdruk onder de EPRI-substationdoelstelling van < 500 ft2 / MWh.
Redox flow batterijen bieden een economische, lage kwetsbaarheid middelen om elektrische energie op te slaan op netschaal. Redox flow batterijen bieden ook meer flexibiliteit om onafhankelijk het vermogen en energielabel voor een bepaalde toepassing aan te passen dan andere elektrochemische middelen voor het opslaan van elektrische energie. Redox flow accu's zijn geschikt voor energieopslagtoepassingen met vermogens van tientallen kW tot tientallen MW en opslagduur van twee tot tien uur.
Vanadium Redox (VRB) Flow Batterijen
De Vanadium Redox Battery (VRB®)¹ is een echte redox flow battery (RFB), die energie opslaat door gebruik te maken van vanadium redox koppels (V2+/V3+ in het negatieve en V4+/V5+ in de positieve halfcellen). Deze actieve chemische soorten worden te allen tijde volledig opgelost in zwavelzuurelektrolytenoplossingen. Net als andere echte RFB's zijn de vermogens- en energieclassificaties van Vanadium Redox-batterijen onafhankelijk van elkaar en kunnen ze afzonderlijk worden geoptimaliseerd voor een specifieke toepassing. Alle andere voordelen en verschillen van echte RFB's in vergelijking met andere energieopslagsystemen worden gerealiseerd door VRB's. De eerste operationele vanadium redox batterij werd eind jaren tachtig met succes gedemonstreerd aan de Universiteit van New South Wales en commerciële versies werken al meer dan 8 jaar op schaal.
Hoe Vanadium Flow Redox-batterijen werken
Tijdens de ontladingscyclus wordt V2+ geoxideerd naar V3+ in de negatieve halfcel en wordt een elektron vrijgegeven om werk te doen in het externe circuit (dc of, voor AC-systemen, via een AC/DC-converter).
In de positieve halfcel accepteert V5+ in de vorm van VO2+ een elektron uit het externe circuit en wordt gereduceerd tot V4+ in de vorm van VO2+. Waterstof (H+) ionen worden uitgewisseld tussen de twee halve cellen om de ladingsneutraliteit te behouden. De waterstofionen verspreiden zich door het anionen- of kationeniondoorlatend polymeermembraan dat de halve cellen scheidt. Geladen vanadiumsoorten en water kunnen ook over het membraan diffunderen. De kruisdiffusie resulteert in direct energieverlies voor die cyclus. Wanneer vanadium echter het enige element is dat aan beide zijden van de cel aanwezig is, leidt dit kruisdiffusiemechanisme niet tot permanent capaciteitsverlies, zolang het totale vanadium in het systeem constant blijft (d.w.z. er is geen verlies als gevolg van neerslag).
In een V-only systeem is het niet nodig om het evenwicht tussen positieve en negatieve kanten van het systeem te behouden. In de positieve halfcel is het vanadium in oplossing aanwezig als oxy-kationen. Deze oxy-kations zijn kwetsbaar voor onomkeerbare neerslag als V2O5 als de elektrolyttemperatuur ~50-60oC overschrijdt. Wanneer er echter neerslag optreedt, doet het dit meestal in de vorm van goedaardige verbindingen, niet V2O5.
De normale bedrijfstemperatuur van een VRB ligt ongeveer tussen 10-40oC. Actieve koelsubsystemen worden gebruikt als de omgevingstemperaturen hoger zijn dan 40-45oC. Het actief kunnen koelen van het systeem is een voordeel, omdat het systeem kan blijven werken zonder het risico te lopen er schade aan te richten. Als geïntegreerde celarchitecturen oververhit raken, is de beste optie om te stoppen met het gebruik ervan totdat ze afkoelen.
De celspanning is 1,4-1,6 volt en de celvermogensdichtheden zijn honderden mW/cm2 (hoewel Prudent Energy meldt dat hun vermogensdichtheden hoger zijn). De DC-DC efficiëntie van deze batterij is gerapporteerd in het bereik van 60-80%. Volgens EPRI is de vanadium redox batterij geschikt voor vermogenssystemen in het bereik van 100 kW tot 10 MW, met opslagduur in het bereik van 2-8 uur.
De vanadium redox batterij biedt een relatief hoge celspanning, wat gunstig is voor een hoger vermogen en energiedichtheid in vergelijking met andere echte RFB's, zoals het ijzer-chroom systeem. De hogere spanning en het sterk oxidatieve V5+ elektrolyt legt echter meer chemische belasting op de materialen die worden gebruikt in de celelektroden, membranen en vloeistofbehandelingscomponenten. Kruistransport van vanadiumionen over het membraan wordt ook als een uitdaging gerapporteerd en vrij dure ionenuitwisselingsmembranen moeten worden gebruikt om verliezen als gevolg van kruismembraantransport te minimaliseren. Deze membranen kunnen kwetsbaar zijn voor vervuiling, waarbij vanadiumionen onomkeerbaar vast komen te zitten in het membraan en resistieve verliezen in de cel verhogen. Aan de andere kant zijn goedkopere membranen in ontwikkeling.
Vanadium is een direct verkrijgbaar materiaal, gebruikt in de staalproductie en als chemische katalysator, dat van nature voorkomt en ook uit verschillende afvalstromen kan worden teruggewonnen. De marktprijs van vanadium als V2O5 is sinds 2017 echter vrij volatiel geweest na enkele jaren van lage prijzen te hebben genoten..
Nikkel-Cadmium (NI-CD) Batterijen
In de commerciële productie sinds de jaren 1910 is nikkel-cadmium (Ni-Cd) een traditioneel batterijtype dat periodieke vooruitgang heeft gezien in elektrodetechnologie en verpakking om levensvatbaar te blijven. Hoewel ni-cd-batterijen niet uitblinken in typische maatregelen zoals energiedichtheid of eerste kosten, blijven ze relevant door eenvoudige implementatie te bieden zonder complexe beheersystemen, terwijl ze een lange levensduur en betrouwbare service bieden.
Hoe nikkel-cadmiumbatterijen werken
Vroege Ni-Cd cellen gebruikten pocket-plate technologie, een ontwerp dat nog steeds in productie is. Gesinterde platen kwamen in het midden van de 20e eeuw in productie, later gevolgd door vezelplaten, kunststof gebonden elektroden en schuimplaten. Cellen met zak- en vezelplaten gebruiken over het algemeen hetzelfde elektrodeontwerp voor zowel het nikkelpositieve als cadmiumnegatief, terwijl gesinterde en schuimpositieven nu vaker worden gebruikt met plastic gebonden negatieven.
Alle industriële Ni-Cd-ontwerpen zijn geventileerde types, waardoor gassen gevormd op overbelasting kunnen worden afgevoerd, maar een zekere mate van wateraanvulling nodig hebben om te compenseren. Dit heeft geleid tot de implementatie van scheidingsontwerpen die verschillende niveaus van recombinatie mogelijk maken, waarbij sommige producten zijn ontworpen voor telecom- of off-grid hernieuwbare energietoepassingen die bijna onderhoudsvrij werken met betrekking tot het elektrolyt.
Ni-Cd-batterijen werden gebruikt in sommige eerdere energieopslagtoepassingen, met name de Golden Valley Electric Association BESS, die 15 minuten lang 27 megawatt groot was en in 2003 in gebruik werd genomen. Ni-Cd is ook gebruikt voor het stabiliseren van windenergiesystemen, met een systeem van 3 megawatt op het eiland Bonaire dat in 2010 in gebruik werd genomen als onderdeel van een project voor het eiland om de eerste gemeenschap te worden met 100% van zijn vermogen afkomstig van duurzame bronnen.
Natriumzwavel (Nas) batterijen
Sodium Sulphur (NaS) Batterijen werden oorspronkelijk ontwikkeld door Ford Motor Company in de jaren 1960 en vervolgens werd de technologie verkocht aan het Japanse bedrijf NGK. NGK produceert nu de batterijsystemen voor stationaire toepassingen. De systemen werken bij een hoge temperatuur, 300 tot 350 °C, wat een operationeel probleem kan zijn voor intermitterende werking. Belangrijke installaties voor energieopslag zijn gebruikt om uitstel van distributielijnconstructie te vergemakkelijken. De retourefficiëntie ligt in het bereik van 90%, dus zorgt voor een efficiënt energiegebruik.
Hoe natrium zwavelbatterijen werken
De actieve materialen in een NaS-batterij zijn gesmolten zwavel als de positieve elektrode en gesmolten natrium als negatief. De elektroden worden gescheiden door een massief keramisch natriumallumina, dat ook als elektrolyt dient. Dit keramiek laat alleen positief geladen natriumionen door. Tijdens de ontlading worden elektronen ontdaan van het natriummetaal (één negatief geladen elektron voor elk natriumatoom) wat leidt tot de vorming van de natriumionen die vervolgens door het elektrolyt naar het positieve elektrodecompartiment bewegen. De elektronen die van het natriummetaal worden ontdaan, bewegen zich door het circuit en vervolgens terug in de batterij bij de positieve elektrode, waar ze door de gesmolten zwavel worden opgenomen om polysulfide te vormen. De positief geladen natriumionen die in het positieve elektrodecompartiment bewegen, brengen de elektronenladingsstroom in evenwicht. Tijdens het opladen wordt dit proces omgekeerd. De batterij moet warm worden gehouden (meestal > 300 ºC) om het proces te vergemakkelijken (d.w.z. onafhankelijke kachels maken deel uit van het batterijsysteem). Over het algemeen zijn Na/S-cellen zeer efficiënt (meestal 89%).
NaS-batterijtechnologie is gedemonstreerd op meer dan 190 locaties in Japan. Er is meer dan 270 MW opgeslagen energie geïnstalleerd die geschikt is voor 6 uur dagelijks piek scheren. In Abu Dhabi leveren vijftien NaS-systemen die in coördinatie werken 108 MW / 648 MWh om investeringen in fossiele opwekking uit te stellen en frequentierespons- en spanningscontrolediensten te bieden.
Elektrochemische condensatoren
Elektrochemische condensatoren (EC's) – ook wel "elektrische dubbellaagse" condensatoren genoemd – verschijnen ook onder handelsnamen zoals "Supercapacitor" of "Ultracapacitor". De uitdrukking "dubbellaags" verwijst naar hun fysiek opslaan van elektrische lading op een oppervlakte-elektrolyt interface van koolstofelektroden met een hoog oppervlak. Er zijn twee soorten EC's, symmetrisch en asymmetrisch, met verschillende eigenschappen die geschikt zijn voor verschillende toepassingen. Markten en toepassingen voor elektrochemische condensatoren groeien snel en toepassingen met betrekking tot het elektriciteitsnet zullen deel uitmaken van die groei.
Hoe elektrochemische condensatoren werken
Wanneer de twee elektroden van een EC in een extern stroompad zijn aangesloten, stroomt de stroom totdat de volledige laadbalans is bereikt. De condensator kan vervolgens worden teruggebracht naar zijn geladen toestand door spanning toe te passen. Omdat de lading fysiek wordt opgeslagen, zonder dat er chemische of faseveranderingen plaatsvinden, is het proces snel en zeer omkeerbaar en kan de ontlaad-laadcyclus keer op keer worden herhaald, vrijwel onbeperkt. Vanwege het hoge oppervlak en de kleine dikte van de dubbele laag kunnen deze apparaten zeer hoge specifieke en volumetrische capaciteit hebben. Dit stelt hen in staat om een voorheen onbereikbare capaciteitsdichtheid te combineren met een in wezen onbeperkte laadontladingscyclus. De bedrijfsspanning van één cel wordt alleen beperkt door het afbraakpotentieel van het elektrolyt en is meestal minder dan 3 V. Zo worden cellen in serie aangesloten voor een hogere spanningswerking, precies zoals batterijcellen.
Er zijn twee soorten EC's: die met 1) symmetrische ontwerpen, waarbij zowel positieve als negatieve elektroden zijn gemaakt van dezelfde koolstof met een hoog oppervlak en 2) asymmetrische ontwerpen met verschillende materialen voor de twee elektroden, een koolstof met een hoog oppervlak en de andere een batterijachtige elektrode met een hogere capaciteit. Symmetrische EC's hebben specifieke energiewaarden tot ~6 Wh/kg en hogere vermogensprestaties dan asymmetrische condensatoren waar ontwerpen met specifieke energiewaarden 20 Wh/kg naderen. Er zijn andere verschillen in de kenmerken en prestaties van deze twee typen die leiden tot gebruik in verschillende toepassingen.
Vanwege hun hoge vermogen, lange levensduur, goede betrouwbaarheid en andere kenmerken zijn de markt en toepassingen voor EC's gestaag toegenomen. Er zijn tientallen fabrikanten en er komen er nog meer op de markt vanwege de groei van de markt. Toepassingen variëren van draagbare elektronica en medische apparaten tot zware hybride en andere transporttoepassingen. EC's zijn beter geschikt dan batterijen voor toepassingen die een hoge levensduur van de cyclus en oplaad- of ontlaadtijden van 1 seconde of minder vereisen. De grootste barrière voor marktgroei was het gebrek aan begrip van de technologie en de toepassingen waarvoor deze het meest geschikt is. Waterige elektrolyt asymmetrische EC-technologie biedt mogelijkheden om uitzonderlijk goedkope bulkenergieopslag te bereiken.
Er zijn verschillende vereisten voor energieopslag in verschillende elektriciteitsnetgerelateerde toepassingen, van spanningsondersteuning en belasting na de integratie van windopwekking en tijdverschuiving. Symmetrische EC's hebben responstijden in de orde van grootte van 1 seconde en zijn zeer geschikt voor toepassingen met een kort duur hoog vermogen die verband houden met zowel netregulering als frequentieregulering. Asymmetrische EC's zijn beter geschikt voor toepassingen voor energieopslag op het net met een lange looptijd, bijvoorbeeld lading 's nachts/gebruik overdag (d.w.z. opslag van bulkenergie). Sommige asymmetrische EC-producten zijn geoptimaliseerd voor ~ 5 uur opladen met ~ 5 uur ontlading. Voordelen van EC's in deze toepassingen zijn onder meer een lange levensduur, een goede efficiëntie, lage levenscycluskosten en een adequate energiedichtheid.
IJzerchroom (ICB) flowbatterijen
IJzerchroomstroombatterijen werden in de jaren 1970 – 1980 door NASA en door Mitsui in Japan uitgebreid bestudeerd. De ijzerchroomstroombatterij is een redoxstroombatterij (RFB). Energie wordt opgeslagen door gebruik te maken van de Fe2+ – Fe3+ en Cr2+ – Cr3+ redox koppels. De actieve chemische soorten worden te allen tijde volledig opgelost in het waterige elektrolyt. Net als andere echte RFB's zijn de vermogens- en energieclassificaties van het ijzerchroomsysteem onafhankelijk van elkaar en kunnen ze voor elke toepassing afzonderlijk worden geoptimaliseerd. Alle andere voordelen en verschillen van echte RFB's in vergelijking met andere energieopslagsystemen worden gerealiseerd door ijzerchroom-RFB's.
Hoe ijzer-chroomstroombatterijen werken
Tijdens de ontladingscyclus wordt Cr2+ geoxideerd naar Cr3+ in de negatieve halfcel en wordt een elektron vrijgegeven om werk te doen in het externe circuit via de negatieve en positieve terminals van de AC / DC-converter. In de positieve halfcel tijdens de ontlading accepteert Fe3+ een elektron uit het externe circuit en wordt gereduceerd tot Fe2+. Deze reacties worden omgekeerd tijdens het opladen, wanneer stroom wordt geleverd vanuit het externe circuit via de AC / DC-converter. Waterstof (H+) ionen worden uitgewisseld tussen de twee halve cellen om de ladingsneutraliteit te behouden, omdat elektronen de ene kant van de cel verlaten en terugkeren naar de andere kant. De waterstofionen verspreiden zich door de separator, die de halve cellen elektronisch scheidt. Bij vroege implementaties van de ijzer-chroom RFB creëerde de diffusie van de ijzer- en chroomionen over de afscheider een onbalans tussen de positieve en negatieve elektrolyten, wat resulteerde in een onomkeerbaar systeemcapaciteitsverlies.
Moderne elektrolytenformuleringen met gemengd ijzer en chroom aan beide zijden van de afscheider hebben het onomkeerbare verlies geëlimineerd en het gebruik van goedkope, poreuze afscheidingsmaterialen mogelijk gemaakt. Deze poreuze separatoren hebben ook de storingsmodus "membraanvervuiling" geëlimineerd die optreedt met ionenuitwisselingsmembranen die worden gebruikt in vroeg ijzerchroom en enkele andere huidige RFB-technologieën.
De standaard celspanning is 1,18 volt en de celvermogensdichtheden zijn meestal 70-100 mW/cm2. De relatief lage celspanning resulteert in een lage energiedichtheid, en dus grotere apparatuur dan bij andere technologieën het geval zou zijn, maar ontwikkelaars kunnen nog steeds voldoen aan de EPRI-voetafdrukdoelstelling van 500 ft2 per MWh opslag. De DC/DC-efficiëntie van deze batterij is gerapporteerd in het bereik van 70-80%. De efficiëntie van dit systeem wordt verbeterd bij hogere bedrijfstemperaturen in het bereik van 40-60 oC (105-140 oF), waardoor deze RFB zeer geschikt is voor warme klimaten en praktisch in alle klimaten waar elektrochemische energieopslag haalbaar is. De ijzer- en chroomchemie is milieuvriendelijk in vergelijking met andere elektrochemische systemen, omdat de aanwezige ijzer- en chroomsoorten een zeer lage toxiciteit hebben en het verdunde elektrolyt op waterbasis een zeer lage dampdruk heeft. Deze factoren maken van de ijzer-chroom RFB een van de veiligste systemen voor energieopslag op het gebied van personeel en milieu.
Het standaardpotentieel van het koppel Cr2+ – Cr3+ ligt in de buurt van het waterstofevolutiepotentieel. Bij het ontwerp van ijzerchroom-RFB's moet voorzichtig worden om parasitaire bijwerkingen te minimaliseren en vervolgens het bijbehorende capaciteitsverlies en elektrolytenonevenwichtigheid om te keren. De huidige ontwikkelaars van ijzerchroom-RFB's lijken deze zijreactie te hebben verzacht en effectieve herbalanceringssubsystemen te hebben geïmplementeerd met minimaal verlies aan systeemefficiëntie.
IJzerchroomstroombatterijen zijn beschikbaar voor telecomback-up op de schaal van 5 kW – 3 uur en zijn gedemonstreerd op nutsschaal. Huidige ontwikkelaars werken aan het verlagen van de kosten en het verbeteren van de betrouwbaarheid. Deze systemen kunnen zeer kosteneffectief zijn op de schaal MW – MWh.
Zink-Broom (ZNBR) Flow Batterijen
De zinkbromidebatterij is een hybride redoxstroombatterij, omdat een groot deel van de energie wordt opgeslagen door zinkmetaal tijdens het opladen als vaste stof op de anodeplaten in de elektrochemische stapel te plateren. De totale energieopslagcapaciteit van het systeem is dus afhankelijk van zowel de stapelgrootte (elektrodegebied) als de grootte van de elektrolytenopslagreservoirs. Als zodanig zijn de vermogens- en energieclassificaties van de zinkbromidestroombatterij niet volledig ontkoppeld. De zinkbromide flow batterij werd ontwikkeld door Exxon als een hybride flow batterij systeem in de vroege jaren 1970.
Hoe zink-broombatterijen werken
In elke cel van een zinkbromidebatterij stromen twee verschillende elektrolyten langs koolstof-plastic composietelektroden in twee compartimenten, gescheiden door een micro-poreus polyolefinemembraan. Het elektrolyt aan de anode (negatieve) kant is puur op waterbasis, terwijl het elektrolyt aan de positieve kant ook een organische amineverbinding bevat om broom in oplossing te houden.
Tijdens het opladen wordt metaalzink geplateerd (gereduceerd) als een dikke film aan de anodezijde van de koolstof-plastic composietelektrode. Ondertussen worden bromide-ionen geoxideerd tot broom en geëvolueerd aan de andere kant van het membraan. Broom heeft beperkte oplosbaarheid in water, maar de organische amine in de katholyt reageert met het broom om een dichte, stroperige broom-adduct olie te vormen die zinkt naar de bodem van de katholyttank. De broomolie moet later opnieuw worden gemengd met de rest van de katholytoplossing om lozing mogelijk te maken.
Tijdens het lozen wordt het zinkmetaal, dat tijdens het opladen op de anode is geplateerd, geoxideerd tot Zn2+ ion en opgelost in de waterige anolyt. Twee elektronen worden vrijgegeven bij de anode om werk te doen in het externe circuit. De elektronen keren terug naar de kathode en reduceren broommoleculen (Br2) tot bromide-ionen, die oplosbaar zijn in de waterige katholytoplossing. Het broom in de katholyt wordt gedecomplexeerd uit de amine en omgezet in twee bromide (Br-) ionen bij de kathode, waarbij de Zn2+ kation in evenwicht wordt gebracht en een zinkbromideoplossing wordt vormt. Het chemische proces dat wordt gebruikt om de elektrische stroom te genereren, verhoogt de zink-ion- en bromide-ionconcentratie in beide elektrolytentanks. De netto DC-DC-efficiëntie van deze batterij ligt naar verluidt tussen de 65-75%.
Praktische uitdagingen
De zinkbromide redox batterij biedt een van de hoogste celspanningen en geeft twee elektronen per zinkatoom af. Deze eigenschappen combineren om de hoogste energiedichtheid onder stroombatterijen te bieden. De hoge celspanning en het zeer oxidatieve element, broom, eisen echter celelektroden, membranen en vloeistofbehandelingscomponenten die bestand zijn tegen de chemische omstandigheden. Deze materialen zijn duur. Broom is een zeer giftig materiaal door inademing en absorptie. Het handhaven van een stabiel aminecomplex met het broom is de sleutel tot systeemveiligheid. Actieve koelsystemen worden geleverd door systeemfabrikanten om de stabiliteit van het broom-aminecomplex te behouden wanneer de omgevingstemperaturen hoger kunnen zijn dan 95 °F. Bovendien is herhaalde beplating van metalen in het algemeen moeilijk vanwege de vorming van "ruwe" oppervlakken (dendrietvorming) die de afscheider kunnen doorboren. Speciale celontwerp- en bedrijfsmodi (gepulseerde ontlading tijdens de lading) zijn vereist om een uniforme beplating en betrouwbare werking te bereiken.
Geïntegreerde Zn/Br energieopslagsystemen zijn getest op transporteerbare trailers (tot 1 MW/3 MWh) voor toepassingen op nutsschaal. Meerdere systemen van deze omvang kunnen parallel worden aangesloten voor gebruik in veel grotere toepassingen. Zn/Br-systemen worden ook geleverd op de schaal van 5 kW/20 kWh Community Energy Storage (CES) en worden nu getest door nutsbedrijven, voornamelijk in Australië.