Tekoče baterije: prosim, vlijte mi elektrone!
Znanstveniki z nemškega inštituta Fraunhofer izvajajo resna razvojna dela na področju električnih baterij, ki so alternativna klasičnim. S tehnologijo redoks pretoka je postopek shranjevanja električne energije res radikalno drugačen ...
Baterije, ki se napolnijo s tekočino kot gorivo, se vlijejo v avtomobil z bencinskim ali dizelskim motorjem. Morda se sliši utopično, toda za Jensa Noacka z Inštituta Fraunhofer v Pfinztalu v Nemčiji je to dejansko vsakdanje življenje. Od leta 2007 je razvojna ekipa, v kateri sodeluje, v polnem teku z razvijanjem te eksotične oblike akumulatorske baterije. Pravzaprav zamisel o pretočni ali tako imenovani pretočni redoks bateriji ni težka in prvi patent na tem področju sega v leto 1949. Vsak od dveh celičnih prostorov, ločenih z membrano (podobno kot gorivne celice), je povezan z rezervoarjem, ki vsebuje določen elektrolit. Zaradi nagnjenosti snovi, da med seboj kemično reagirajo, se protoni prenašajo iz enega elektrolita v drugega skozi membrano, elektroni pa se usmerjajo skozi porabnik toka, povezan z dvema deloma, zaradi česar teče električni tok. Po določenem času dva rezervoarja izpraznimo in napolnimo s svežim elektrolitom, uporabljenega pa "recikliramo" na polnilnicah.
Čeprav je vse skupaj videti odlično, je na žalost še vedno veliko ovir za praktično uporabo te vrste baterij v avtomobilih. Energijska gostota redoks baterije z vanadijevim elektrolitom je v območju le 30 Wh na kilogram, kar je približno enako kot pri svinčevi bateriji. Za shranjevanje enake količine energije kot sodobna 16 kWh litij-ionska baterija bo pri trenutni ravni redoks tehnologije baterija potrebovala 500 litrov elektrolita. Plus seveda vsa periferija, katere prostornina je prav tako precej velika - kletka, ki je potrebna za zagotavljanje moči enega kilovata, kot škatla za pivo.
Takšni parametri niso primerni za avtomobile, glede na to, da litij-ionska baterija shrani štirikrat več energije na kilogram. Je pa Jens Noack optimističen, saj se razvoj na tem področju šele začenja in obeti so obetavni. V laboratoriju tako imenovane vanadij-polisulfid-bromidne baterije dosegajo energijsko gostoto 70 Wh na kilogram in so po velikosti primerljive z nikelj-kovinsko hidridnimi baterijami, ki se trenutno uporabljajo v Toyoti Prius.
To zmanjša potrebno količino rezervoarjev za polovico. Zahvaljujoč sorazmerno preprostemu in poceni sistemu polnjenja (dve črpalki črpata nov elektrolit, dve sesata rabljeni elektrolit), se lahko sistem napolni v desetih minutah in tako doseže doseg 100 km. Tudi sistemi za hitro polnjenje, kot je tisti, ki se uporablja v Tesla Roadsterju, trajajo šestkrat dlje.
V tem primeru ne preseneča, da so se številna avtomobilska podjetja obrnila na raziskave inštituta, dežela Baden-Württemberg pa je za razvoj namenila 1,5 milijona evrov. Vendar bo še vedno potreben čas, da dosežemo fazo avtomobilske tehnologije. »Ta tip baterije lahko zelo dobro deluje s stacionarnimi električnimi sistemi in že izdelujemo poskusne postaje za Bundeswehr. Na področju električnih vozil pa bo ta tehnologija primerna za implementacijo čez približno deset let,« je dejal Noak.
Za proizvodnjo pretočnih redoks baterij niso potrebni eksotični materiali. Niso potrebni dragi katalizatorji, kot je platina, ki se uporabljajo v gorivnih celicah, ali polimeri, kot so litij-ionske baterije. Visoki stroški laboratorijskih sistemov, ki dosegajo 2000 evrov na kilovat moči, so posledica le dejstva, da so edinstveni in so izdelani ročno.
Strokovnjaki inštituta medtem načrtujejo gradnjo lastne vetrne elektrarne, kjer bo potekal proces polnjenja, torej odlaganja elektrolita. Z redoks pretokom je ta proces učinkovitejši od elektrolize vode v vodik in kisik ter njune uporabe v gorivnih celicah – instant baterije zagotavljajo 75 odstotkov električne energije, porabljene za polnjenje.
Lahko si predstavljamo polnilne postaje, ki poleg običajnega polnjenja električnih vozil služijo kot odbojniki proti največji obremenitvi elektroenergetskega sistema. Danes je treba na primer številne vetrne turbine v severni Nemčiji kljub vetru izklopiti, saj bi sicer preobremenile omrežje.
Kar zadeva varnost, tukaj ni nevarnosti. »Ko zmešate dva elektrolita, pride do kemičnega kratkega stika, ki oddaja toploto in temperatura naraste na 80 stopinj, vendar se nič drugega ne zgodi. Seveda so samo tekočine nevarne, vendar tudi bencin in dizel. Kljub potencialu pretočnih redoks baterij se raziskovalci na Inštitutu Fraunhofer močno trudijo tudi pri razvoju litij-ionske tehnologije ...
besedilo: Aleksander Bloch
Redox pretočna baterija
Redoks pretočna baterija je pravzaprav križanec med običajno baterijo in gorivno celico. Elektrika teče zaradi interakcije med dvema elektrolitoma – eden je povezan s pozitivnim polom celice, drugi pa z negativnim. V tem primeru ena daje pozitivno nabite ione (oksidacija), druga pa jih sprejema (redukcija), od tod tudi ime naprave. Ko je dosežena določena stopnja nasičenosti, se reakcija ustavi in polnjenje je sestavljeno iz zamenjave elektrolitov s svežimi. Delavci se obnovijo po obratnem postopku.
