Redox folyadékáramos akkumulátor

Napjainkban az új technológiaként beharangozott rendszerek egy részét már jóval korábban felfedezték, sőt alkalmazták is, csak tömeges elterjedésüket szabadalmi védelem vagy gazdaságossági mutatóik korlátozták. 

A vanádium tüzelőanyag-cellát, amit ma már inkább „Vanadium Redox (Flow) Battery”-nek, azaz vanádium redox (folyadékáramos) akkumulátornak hívnak, és az angol nyelvű irodalomban VRB-nek rövidítenek, 1976 óta fejlesztik. A vanádiumnak azt a tulajdonságát használják ki, hogy többféle oxidja van, vagyis a vanádiumatomok az oxigénatomokkal többféleképpen tudnak kapcsolódni, és emiatt ehhez a különleges tüzelőanyag-cellához csak egyféle anyagot kell kívülről hozzáadni. A redox akkumulátorok nagy előnye a korábbi akkumulátorkonstrukciókkal szemben az, hogy gyakorlatilag nem rendelkeznek időbeli korlátokkal: a vanádium redox akkuk bármikor leállíthatók, újraindíthatók, egészen minimális önkisülés mellett hosszan tárolhatók, s élettartamuk folyamatos használat mellett is igen hosszú, hiszen bizonyítottan minimum 14 000-szer tölthetők. Járműves felhasználásban még nagyobb előnyt jelent, hogy az energiát folyadékban tárolja, ezáltal a folyadék (vagy a folyadékot tároló tartály) cseréjével is tölthető. A vanádium redox akkumulátor ugyanis két tartályból, két szivattyúból és a cellatömbből áll ➊. A két tartályban van a kétféle kénsavas elektrolit, melyek egyike a vanádium 2 és 3, a másik pedig 4 és 5 oxigénatommal alkotott oxidját tartalmazza. A működéskor keringtető szivattyúk pumpálják át az elektrolitokat a cellatömbön, ahol a kémiai energiából villamos energia keletkezik. A rendszer lelke a PEM (protoncserélő membrán) reverzibilis tüzelőanyag-cellaköteg(ek). Töltéskor az egyenáram elektronokat juttat a vanádium elektronhéjaira, az extra elektronok a
vízből és a savból protonokat (hidrogénatomokat) hajtanak a membránon keresztül a kisebb feszültségű oldalra.
Kisütéskor a protonok a membránon keresztül visszakerülnek, és mozgásuk kis változást okoz a töltési állapotban, amit a vanádium elektronhéjain lévő elektronok mozgása kompenzál, és ezt az elektronmozgást fogjuk fel egyenáramként. Tehát töltésnél elektronok áramlanak az akkumulátorba, és a protonok áramlása egyenlít, kisütésnél a protonok visszaáramlása elektronokat juttat a hálózatba.

1. ábra

A VRB-rendszer jellemzői:
–A teljesítmény 5 kW-tól 10 MW-ig a tüzelőanyag-cellakötegek többszörözésével lehetséges.
–Egy adott teljesítmény betárolásának időtartama 2 órától 24 óráig (de ennél hosszabb időtartam is megoldható), az elektrolit mennyiségének növelésével.
–A tárolás hatásfoka vezetéktől vezetékig 70–75%, önkisülése gyakorlatilag 0.
–Élettartama a szivattyúk esetében 5–7 év, a tüzelőanyag-cellakötegeké használati ciklusszámtól függően 12–15 év, az elektrolité végtelen, az ugyanis soha nem használódik el. Ez annyit jelent, hogy a szivattyú és a tüzelőanyag-cellaköteg cseréjével akár 50 évre is tervezhető a rendszer élettartama.

Ugyanezen elven alapszik, csak más elektrolitot tartalmaz az idén bemutatott NanoFlowCell-technológia, melynek energiatároló teljesítménye 20-szorosa az ólom-savas akkumulátorokénak és 5-szöröse a lítium-ion energiatárolókénak. A titok egyértelműen a különböző fémsavakból alkotott nagy koncentrációjú elektrolitfolyadékokban van. Az eddig elért, eddig még nem tapasztalt mértékű töltéssűrűséget kvantumkémiai
nanomechanizmusok teszik lehetővé, innen kapta a „nanoFLOWCELL” nevet a termék. Egy nem elhanyagolható
mellékhatása az új elektrolitnak, hogy az energiatároló belső veszteségei csökkentek, a rendszer 80%-os hatásfokkal rendelkezik. A VRB-cellához hasonlóan több mint 10 000-szer tölthető, észrevehető memóriaeffektus és önkisülés nélkül.A Genfi Autószalonon bemutatott Quant e-Sportlimousine prototípus ➋ 2 db 200 literes elektrolittartállyal rendelkezik.

2. ábra

A jármű fogyasztása – ha takarékosan használjuk – 20 kWh/100 km, de átlagos használatot feltételezve is 600 km-es hatótávolságról beszélhetünk, ráadásul a tartályok kapacitásának bővítésével egyenes arányban növekszik
a hatótávolság is.A sportautó 4 elektromos motorral rendelkezik (összteljesítményük 680 kW!), melyeket a folyadékáramos akkumulátor lát el energiával két nagy teljesítményű, úgynevezett szuperkapacitáson keresztül ➌. A szuperkapacitás veszteség nélküli energiatárolást és nagy áramfelvételt tesz lehetővé, ami egy sportautó esetében elengedhetetlen. A teljes rendszer vezérlését (töltőáram, gyorsító áram stb.) a technika jelen állása szerint a legmodernebb járművezérlő egység (VCU – Vehicle Control Unit) végzi.Ha a cella lemerül, vagyis az elektrolitok között nem lép fel potenciálkülönbség, akkor az elektrolittartályok leürítésével és „friss” elektrolit betöltésével ismét a teljes kapacitás rendelkezésre áll. A gyors töltés érdekében a két tartály egyszerre tölthető. A gyártó extrém környezetkímélőnek hívja a rendszert, mivel sem nemesfémeket, sem ritka földfémeket nem használnak, az elektrolit vízből, fémsókból és más, kristályos szerkezetű anyagokból áll, melyeket környezetkímélő eljárásokkal vegyítenek. Jelen ismeretek szerint működés közben és állásában sincs környezetre káros hatása a cellának, ráadásul a hosszú élettartama is környezetkímélőbbé teszi a jelenlegi akkumulátoroknál. Meghibásodási lehetőségre, mint a cella egyetlen mozgó alkatrészének, a szivattyúnak van lehetősége, más karbantartásilag kritikus elem nincs a rendszerben.

3. ábra

A koncepció tehát már kész, a technológia szériaérett, viszont az infrastruktúra még nem készült fel a folyadékáramos akkumulátorok elektrolitcseréjére. Amíg ez így lesz, a nanoFLOWCELL is megmarad koncepció szinten, az elektromos sportautó pedig prototípusnak. Viszont nemsokára meg kell hozni a döntést és választani kell a jelenleg kínálkozó megoldások között, a cserélhető elektrolitnak köszönhetően a folyadékáramos akkumulátor előkelő helyen lesz a versenyben.

Forrás:
Az energiatárolásról – a Baross Gábor Társaság 2008. okt. 2-án tartott ülésének kiegészítése
MAGYAR ENERGETIKA 2010/11-12 pg. 16-17
Introducing the nanoFLOWCELL pg. 1-6 (nanoflowcell.com)