Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2021 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Projektet “DanKoBat” har til formål at udvikle en fremtidig generation af billige stationære redox flow-batterier til lagring af vedvarende elektricitet, der vil reducere omkostningerne ved ellagring.
Af Kobra Azizi1, Dirk Henkensmeier2,Søren Primdahl1 og Hans Aage Hjuler1
1 Blue World Technologies
2 Center for Hydrogen·Fuel Cell Research, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seoul, Korea
I kampen mod klimaforandringer er grøn energi en vigtig spiller for at kunne tilbyde renere alternativer til nutidens energikilder [1]. Den hurtigvoksende produktion af vedvarende energikilder har ledt til en stor efterspørgsel for at udvikle storskala energilagring af elektricitet [2]. Energilagring af elektricitet understøtter en effektiv drift af forsyningsnettet, som reducerer sandsynligheden for strømafbrydelser under spidsbelastning og giver mulighed for at implementere flere vedvarende energikilder. Desuden kan den øgede kapacitet som ellagringen mindske behovet for at bygge yderligere kraftværker eller transmissions- og distributionsinfrastruktur [3]. Lithium-ion (Li-ion) teknologier og vanadium redox flow-batterier (VRFB) er de mest populære teknologier inden for storskala energilagringssystemer.
Hvad er vanadium redox flow-batterier (VRFB)?
Et VRFB er en vigtig løsning til de udfordringer, der er verden over med lagring af elektricitet. Et VRFB består af to tanke, som er fyldt med vanadiumsalt, der opløses i en vandbaseret elektrolytvæske og en central elektrokemisk enhed kaldet en stak. Stakken er komprimeret til at bestå af adskillige battericeller lavet af en polymer membran, to kulstof-baserede elektroder og en grafitpolymer sammensat til en bipolar plade, som forbinder cellerne. Antallet og størrelsen af cellerne afhænger af den ønskede effekt.
Størrelsen på tankene afgør kapaciteten af batteriet. Væsken i de to tanke agerer som et energilagringsmateriale, der adskiller katoden (den positive elektrolyt) og anoden (den negative elektrolyt), ligesom i et almindeligt batteri. Katode- og anodeelektrolytterne består i starten af den samme vanadiumsløsning [4].
VRFB’er har lovende egenskaber i forhold til at kunne anvendes som en storskala energilagringsenhed. Det drejer sig blandt andet om separat skalering af strøm og kapacitet, høj effektivitet, hurtig reaktion af input- og outputændringer og mulighed for at vende ubalancer i elektrolytten som følge af crossover og vandtransport ved blot at blande katolyt og anolyt. Desuden er lagringsløsningerne brugt i VRFB ikke brandfarlige, mens adskillige brande i lithium-ion batterisystemer er blevet rapporteret de sidste fem år.
Ny generation af polybenzimidazol (PBI)-baserede membraner
Ved de fleste eksisterende redox flow-batterier er membranen baseret på Nafion eller Fumasep FAP-450 eller andre perfluorerede stoffer, som har adskillige blandt andet miljømæssige ulemper. Et væsentligt problem er den store vandring af vanadium-ioner igennem Nafion-membranen, som resulterer i et energitab (lav coulomb effektivitet), hvilket konstant forringer kapaciteten af batteriet. Derudover er prisen på disse materialer høje grundet fluorkemien i produktionsprocessen, der udgør 41 procent af VRFB cellestakkens pris [5]. Derudover er miljøproblemer med perfluorerede stoffer blevet en stor bekymring de seneste år, og adskillige tiltag er igangsat for at finde en membran til RFB’er, der ikke er fluoreret.
Polybenzimidazol (PBI) er en kulbrintebaseret polymer, der er produceret og solgt som en membran til højtemperatur polymerelektrolysbrændselsceller (HTMPEM) i mere end 20 år. Polybenzimidazoler har en høj kemisk stabilitet i VRFB’ers oxidative miljø og udviser meget lav vanadiumgennemtrængelighed [6]. Deres største ulempe er en lav ledningsevne, som kan kompenseres ved at fremstille tynde membraner, som er supporteret af andre materialer og optimering af membranbehandlingen [7].
“DanKoBat”
I starten af 2021 har et langvarigt bånd mellem danske institutioner og det koreanske Institute of Science and Technology (KIST) i Seoul ført til et unikt samarbejde kaldet “DanKoBat”. Projektet har modtaget støtte fra den danske og koreanske regering igennem EUREKA-netværket, EUDP og Innovationsfonden (IFD). Danske projektpartnere inkluderer Blue World Technologies, Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og Aarhus Universitet (AU) fra Danmark, KIST samt flow batteriproducenten Standard Energy fra Korea.
“DanKoBat” arbejder sig hen imod at udvikle en ny generation af PBI-baserede membraner [8], som er fri for fluorholdige polymerer til brug i VRFB’er. “DanKoBats” mål er at udvikle en fremtidig generation af billige stationære redox flow-batterier til lagring af vedvarende elektricitet, der vil reducere omkostningerne ved ellagring og dermed skabe et kommercielt gennembrud for VRFB’er som en grøn energiteknologi.
E-mail:
Hans Aage Hjuler: hah@blue.world
Referencer
1. D. Gielen, F. Boshell, D. Saygin, M.D. Bazilian, N. Wagner, R. Gorini, Energy Strategy Reviews, 2019, 24, 38.
2. World Nuclear Association, Electricity and Energy Storage, December 2020.
3. United States Environmental Protection Agency (EPA), Energy and the Environment.
4. M. Al-Yasiri, J. Park, Applied Energy, 2018, 222, 530.
5. Z. Yuan, X. Li, Y. Zhao, H. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7,19446.
6. C. Noh, M. Jung, D. Henkensmeier, S.W. Nam, Y. Kwon, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 36799.
7. C. Noh, D. Serhiichuk, M. Najibah, Y. Kwon, D. Henkensmeier, Chem. Eng. J, 2021,405,126574.
8. Jacobus C. Duburg, Kobra Azizi, Søren Primdahl, Hans Aage Hjuler, Elena Zanzola, Thomas J. Schmidt and Lorenz Gubler, Molecules 2021, 26, 1679.
