Magazyny energii i energia odnawialna zależy od warunków atmosferycznych oraz konkretnej pory dnia. Dlatego do jej przełomowego rozwoju potrzebne są wydajne urządzenia do magazynowania energii. Poszukiwanie rozwiązań przebiega w wielu różnych kierunkach. Energia słoneczna i wiatrowa odgrywają coraz większą rolę w krajowych strategiach zrównoważonego rozwoju, w tym w dziedzinie energetyki.
W Niemczech ilość takiej czystej energii po raz pierwszy ustanowiła ostatnio kolejny rekord. Bez radykalnego postępu w dziedzinie czystej energii odnawialnej cel polegający na ograniczeniu zużycia paliw kopalnych wydaje się nie do pokonania. Jednak inną kwestią pozostaje pytanie, jak magazynować energię odnawialną i jak można ją dostosować do wahań intensywności zużycia energii w ciągu dnia.
Systemy elektrochemiczne do magazynowania energii
Inżynieria energetyczna znalazła rozwiązania w zakresie magazynowania energii, które są technicznie proste i mniej wydajne niż konwencjonalne elektrownie szczytowo-pompowe. Obecnie największe wysiłki skupiają się na technologiach elektrochemicznych, które przekształcają energię elektryczną w energię chemiczną substancji. Technologie te opierają się na interakcji dwóch elektrod i specjalnej cieczy – elektrolitu. Ostatnio zmiany stały się częstsze nie tylko w przypadku płynnego, ale także stałego elektrolitu. Na tej zasadzie działają już znane akumulatory elektrochemiczne. To często stosowana technologia magazynowania energii dla przedsiębiorstw produkcyjnych i gospodarstw domowych.
Zasada działania dowolnych akumulatorów opiera się na odwracalności zachodzących reakcji chemicznych, więc teoretycznie możliwe jest ich wielokrotne używanie. Ciekawym rozwiązaniem są akumulatory przepływowe z cieczą, które mają zwiększoną pojemność dzięki zastosowaniu dwóch pojemników z elektrolitami jednocześnie, oddzielonych membraną. Energia jest generowana przez interakcję składników płynnych, które mogą być przepompowywane przez element. Najpopularniejszymi typami akumulatorów są: kwasowo-ołowiowe, litowo-jonowe i niklowo-kadmowe.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe jako magazyny energii
W akumulatorach kwasowo-ołowiowych dwutlenek ołowiu i ołów służą jako środki chemiczne, a elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego. Podczas ładowania i rozładowywania na elektrodach zachodzą elektrochemiczne reakcje redoks, a elektrolit jest medium do przenoszenia jonów między nimi. Liczba jonów spada lub pojawiają się nowe. W tym procesie energia elektryczna jest magazynowana (ładowanie) lub oddawana (rozładowywanie).
Podczas pracy elektrody ujemnej zachodzą procesy w fazie ciekłej, które przebiegają zgodnie z mechanizmem rozpuszczanie-wytrącanie. Nieelektrochemiczne reakcje krystalizacji i rozpuszczania wraz z pochłanianiem determinują szybkość procesu rozładowania i ładowania. Spowalniają wraz ze spadkiem temperatury otoczenia. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są szeroko stosowane również jako magazyny energii, ale wraz ze swoimi zaletami mają znaczne wady – niskie jednostkowe zużycie energii oraz zastosowanie toksycznego ołowiu.
Akumulatory litowo-jonowe jako magazyny energii
Akumulatory litowo-jonowe zawierają materiał węglowy jako elektrodę ujemną, w którą odwracalnie wbudowane są jony litu. Jako elektrodę dodatnią stosuje się tlenek kobaltu, w którym jony litu są również wbudowywane w sposób odwracalny. Zasada działania tego układu elektrochemicznego opiera się na odwracalnym włączaniu cząsteczek lub grup między inne cząsteczki lub grupy. Jony litu wchodzą w skład różnych związków o różnych potencjałach elektrochemicznych.
Transport jonów litu między elektrodami odbywa się za pomocą elektrolitu organicznego, w skład, którego wchodzi mieszanina rozpuszczalników organicznych i soli litu. Zastosowanie elektrolitów organicznych zwiększa napięcie w porównaniu z konwencjonalnymi systemami kwasowymi i alkalicznymi. Jeśli bateria jest ładowana, jony litu są umieszczane w materiale anody. Podczas rozładowywania jony litu są uwalniane i przenoszone do katody, a uwolnione elektrony generują prąd elektryczny w obwodzie zewnętrznym.
Opłacalność ich zastosowania jako magazynów energii zależy od rodzaju układów elektrochemicznych w katodzie i anodzie, a także od temperatury i warunków pracy. Wady to wysoki koszt i stosunkowo wysokie samorozładowanie. Ze względu na wysoką gęstość energii produkcja tych systemów wzrosła w ostatnich latach.
Akumulatory niklowo-jonowe jako magazyny energii
Najnowsza technologia magazynowania energii elektrycznej i trzecia generacja akumulatorów niklowo-jonowych to systemy wykorzystujące żelazo-fosforan litu jako materiał katodowy. Jest to doskonały materiał na magazyny energii, który jest w stanie oddać prawie cały nagromadzony lit, pozostając stabilnym. Jednocześnie zachowana jest główna właściwość akumulatorów litowo-jonowych – wysoka energochłonność. Tym samym akumulatory litowo-jonowe trzeciej generacji stały się bezpieczne i wysoce wydajne.
Akumulatory niklowo-kadmowe znane są od dawna. Ich zasada działania opiera się na tworzeniu wodorotlenku kadmu na anodzie i wodorotlenku niklu na katodzie. Jako elektrolit stosowany jest roztwór wodorotlenku potasu, dlatego też nazywane są również bateriami alkalicznymi. Są w stanie pracować w niskich temperaturach, a dopuszczalne prądy ładowania i rozładowania są znacznie wyższe w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Te zalety pozwalają na szerokie zastosowanie akumulatorów niklowo-kadmowych w systemach transportowych, lotniczych i stacjonarnych. Akumulatory niklowo-kadmowe były uważane za alternatywę dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych w pojazdach elektrycznych aż do pojawienia się bardziej nowoczesnych i mniej wymagających systemów. Nie udało im się jednak całkowicie zastąpić akumulatorów kwasowo-ołowiowych, głównie ze względu na kosztowną, pracochłonną technologię produkcji oraz niedobory kadmu i niklu.
