Urządzenia do magazynowania energii są zarówno potrzebne jako źródła energii w elektronice oraz samochodach jak i w zastosowaniach przemysłowych. Przemysł potrzebuje innej charakterystyki działania urządzeń do akumulowania energii. Jednym z alternatywnych źródeł energii są superkondensatory, ich zaletami jest duża wartość uwalnianej mocy oraz niewielki czas ładowania.Kolejnymi urządzeniami o innej charakterystyce niż typowe akumulatory elektrochemiczne są akumulatory przepływowe. Ten typ akumulatorów zapewnia dużą elastyczność konstrukcji i szeroki dobór takich parametrów jak moc oraz pojemność. Poniższy artykuł jest fragmentem projektu inżynierskiego realizowanego w laboratorium Katedry Fizykochemii i Technologii Polimerów i Tworzyw Sztucznych wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej.
Superkondensatory
Superkondensatory wykorzystuje się do procesów wymagających wielu szybkich cykli ładowania/rozładowania, nie stosuje się ich do długoterminowego magazynowania energii. Tego typu urządzenia stosuje się w układach typu UPS, które pełnią funkcję podtrzymania zasilania oraz pociągach i dźwigach osobowych, w których ich funkcją jest odzyskiwanie rekuperowanej energii, otrzymywanej przy zatrzymywaniu się lub wytracaniu energii. Ponadto zastosowanie superkondensatora w układzie UPS zwiększa bezpieczeństwo, ponieważ ładuję się znacznie szybciej niż zwykły akumulator, co sprawia, że może być gotowy do pracy w krótszym okresie czasu. Pierwszy prototyp został skonstruowany przez H. Beckera w 1957 roku, w swoim wynalazku jako materiał elektrodowy wykorzystał węgiel o porowatej powierzchni. Kolejny niezwykły kondensator zawierający porowate elektrody został opracowany przez inżynierów firmy ’’Standard Oil of Ohio’’ w 1966, jednak nawet oni nie odkryli prawidłowego procesu odpowiedzialnego za magazynowanie energii w tym specyficznym kondensatorze. Superkondensator w porównaniu ze zwykłym kondensatorem wykazuje bardzo dużą pojemność elektryczną przy napięciu o wartości 2-3 Volta.
Zasada działania
Każdy ultrakondensator posiada dwie elektrody wykonane z porowatego węgla aktywnego, które są zamieszczone w jednym pojemniku ale oddzielone separatorem. Przestrzeń kondensatora wypełnia elektrolit, który zapewnia przepływ jonów między elektrodami. Na powierzchni elektrody gromadzą się jony o przeciwnym znaku do ładunku zgromadzonego w elektrodzie, gdzie powstaje podwójna warstwa ładunków elektrycznych. Przyłożone napięcie do urządzenia generuje na obu elektrodach podwójną warstwę ładunków elektrycznych. Na wierzchniej warstwie elektrody pomiędzy warstwami przeciwnych ładunków występują cząsteczki obojętnego rozpuszczalnika. Ruch jonów wymaga dostarczenia energii, która może być oddana w krótkim czasie. Jony z elektrolitu gromadzą się w mikroporach materiału elektrodowego oraz na powierzchni elektrody. Ilość ładunku jaka została zmagazynowana w kondensatorze dwuwarstwowym jest funkcją wielkości oraz porowatości elektrody. Żywotność superkondensatorów jest jedynie ograniczona odparowaniem elektrolitu.
Akumulatory przepływowe
Jednym z urządzeń o niekonwencjonalnej metodzie gromadzenia energii są akumulatory przepływowe. Tego typu układy posiadają dwie oddzielne komory magazynujące roztwory substancji chemicznych, a ciecz znajdująca się w ich wnętrzu jest pompowana do jednego reaktora, w którym zachodzą reakcje redoks. Reaktor, który jest głównym elementem tego układu posiada jedną komorę przedzieloną błoną półprzepuszczalną. Energia zostaje wytworzona w reaktorze podczas reakcji redukcji i utleniania. Ogniwa tego typu można naładować w łatwy sposób poprzez wymianę elektrolitów w obu zbiornikach.
Do najpopularniejszych ogniw przepływowych zalicza się akumulator wanadowy. Do magazynowania energii elektrochemicznej w akumulatorze wanadowym wykorzystywane są jony wanadu na różnych stopniach utlenienia. Wanad może występować na czterech stopniach utlenienia, co pozwala na wykorzystanie jednego elementu elektro aktywnego. Aby wytworzyć elektrolit rozpuszcza się V2O5 w wodnym roztworze kwasu siarkowego (VI). Dodatni elektrolit zawiera jony VO2+ oraz VO2+, a ujemny elektrolit jony V3+ i V2+. [6] Materiałem elektrodowym jest węgiel. Ostatnio w technologii produkcji akumulatora wanadowego zostały wprowadzone elektrody z nanorurek węglowych. Możemy wyróżnić również akumulatory przepływowe wykorzystujące wodny roztwór bromku cynku. Elektrolit anodowy składa się w tego typu akumulatorach z wodnego roztworu ZnBr, natomiast elektrolit katodowy to wodny roztwór ZnBr z dodatkiem aminy, która stabilizuje jony bromu w roztworze podczas procesu ładowania. W takim ogniwie na elektrodach zachodzą następujące reakcje podczas procesu rozładowania:
Katoda (+): Br2(aq) + 2e– → 2Br –(aq)
Anoda (-): Zn(0) →Zn2+(aq) + 2e–
W czasie procesu ładowania na powierzchni anody powstaje warstwa metalicznego cynku. Aby zachować długą żywotność ogniwa, należy usuwać zgromadzony cynk na anodzie poprzez cykliczne rozładowywanie ogniwa. Omawiany typ akumulatora przepływowego potrzebuje odpowiedniego układu chłodzenia do utrzymywania temperatury elektrolitu poniżej 35oC, aby zachować wiązania aminowo-bromowe. Pojemność akumulatora przepływowego zależy od objętości zbiorników z elektrolitami. Obecnie akumulatory te są m.in. używane w bazie wojskowej Fort Devens w Massachustts i są odpowiedzialne za gromadzenie energii uzyskiwanej z paneli słonecznych, w czasie mniejszego zapotrzebowania na prąd, a także generują prąd w godzinach szczytu.
Źródła
- polskiprzemysl.com.pl
- leonardo-energy.pl
- J. Ho ; R Jow, ; S. Boggs, „Historical Introduction to Capacitor Technology.„; Styczeń 2010 „IEEE Electrical Insulation Magazine „.
- portalnaukowy.edu.pl
- A. Łatoszyńska, Instrukcja do ćwiczeń pt: „Superkondensatory. Charakterystyka elektrochemiczna.„; Katedra Chemii Nieorganicznej i Technologii Ciała Stałego, Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska.
- P. de Boer, J. Raadschelders, „Flow batteries„, czerwiec 2007 KEMA.
- M. Jarnut, G. Benysek, J. Kaniewski, S. Wermiński, „Zasobniki energii z akumulatorami przepływowymi typu ZnBr” Instytut Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Zielonogórski; „IX Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna – i- MITEL 2016„
- kopalniawiedzy.pl
Autor: Inż. Michał Gocki
