Tulevaisuuden kaupallisen energiavarastoinnin haasteeseen vastaaminen TETRA PureFlow -erittäin puhtaan sinkkibromidin avulla
Archie Vest | Senior Director of Bromines, Chemicals North America | 4. toukokuuta 2023
Verkon laajuinen sähkön varastointi
Tehon varastointi on nyt laajalti tunnustettu olennaisen tärkeäksi uusiutuvan energian luotettavan toimituksen ja lopulta kaikkien verkkoon asennettavien aurinko- ja tuulivoimalaitosten kaupallisen elinkelpoisuuden kannalta. Nämä energialähteet ovat luonnostaan epäsäännöllisiä, koska ne ovat riippuvaisia auringonpaisteesta ja tuulesta, ja sen vuoksi ne tarvitsevat varastointiratkaisuja, jotka "tasoittavat" energiavirtaa ja varmistavat energian tasaisen toimituksen ajan mittaan.[1]
Suurimmaksi osaksi sähköverkon laajuiset sähkön varastointitekniikat ovat joko mekaanisia, lämpö- tai sähkökemiallisia. Mekaaniset varastointiratkaisut hallitsevat infrastruktuuria, ja niihin kuuluvat vauhtipyörät, paineilmaenergian varastointi ja vesivoiman pumppausvarastointi, joista kaksi jälkimmäistä ovat yleisimpiä.[2] Termiset ratkaisut perustuvat tyypillisesti joko sulaan suolaan tai veteen, ja niissä käytetään varastoitua lämpöä tai kylmää energian tuottamiseen jaksojen ulkopuolella. Sähkökemiallisiin ratkaisuihin kuuluvat superkondensaattorit ja ladattavat akut, joissa käytetään joko lyijyhappoa, litiumia, nikkeliä, natriumrikkiä, vanadiinia tai sinkkiä.[3]
Litiumioniakut ovat tunnetuimpia ladattavia varastointilaitteita, ja ne ovat suurelta osin syrjäyttäneet aikoinaan suositut nikkeli-kadmium-akut. Niitä käytetään nykyään useimmissa akkukäyttöisissä kuluttajatuotteissa matkapuhelimista ja kannettavista tietokoneista sähkötyökaluihin ja sähköajoneuvoihin. Litiumioni hallitsee myös sähköverkkomittakaavassa, ja sen osuus oli yli 90 prosenttia akkupohjaisista sähköverkon varastointijärjestelmistä Yhdysvalloissa vuonna 2018.[4]
Litiumakkuihin liittyy kuitenkin merkittäviä haittoja sähköverkon mittakaavan varastoinnissa: ensinnäkin ne eivät ole tällä hetkellä kustannustehokkaita yli kolmen tunnin kestosykleissä.[5]; ja toiseksi niihin liittyy suuri tulipaloriski, joka olisi katastrofaalinen suuressa, tiheässä asennuksessa.[6] Itse asiassa suuret litiumioniakkujen asennukset edellyttävät yleensä kalliita palontorjuntajärjestelmiä. Yhdysvaltain ja EU:n markkinoiden kannalta toinen litiumiin liittyvä huolenaihe on toimitusvarmuus, sillä yli 90 prosenttia mineraalin maailmanlaajuisesta tuotannosta tapahtuu Argentiinassa, Australiassa, Chilessä ja Kiinassa.[7]
Sinkkibromidivaihtoehto sähkövarastointiparistoille
Sähköverkon mittakaavan sovelluksissa erinomainen vaihtoehto litiumioniakkujen rinnalle ovat sinkki-bromi-virtausakut. 1970 -luvulla keksityt sinkki-bromi virtausakut käyttävät edullisia, helposti saatavilla olevia materiaaleja, niillä on pidempi käyttöikä, ne aiheuttavat vain vähän tulipalon vaaraa, koska elektrolyytit ovat palamattomia, ja niiden kestosyklit ovat pidempiä kuin litium-ioniakuilla.
Tuuli- ja aurinkoenergian varastointilaitosten lisääntyessä sinkkibromiakkujen markkinat kasvavat nopeasti, ja useat yritykset kehittävät ja ottavat käyttöön kaupallisia sinkkibromiakkuja ja keräävät kysyntää varten pitkiä tilauskantoja.
Kaupallisen energiavarastoinnin nopeasti kasvavan tarpeen tukemiseksi TETRA Technologies on tehnyt uraauurtavaa työtä TETRAPureFlow® -erikoispuhtaan sinkkibromidin kehittämiseksi käytettäväksi sähköverkon mittakaavan varastointijärjestelmissä ja aurinkoenergian akkujen varastoinnissa. TETRA uskoo olevansa ainoa sinkkibromidin kaupallisen määrän tuottaja Yhdysvalloissa ja valmistaa PureFlow-sinkkibromidia patentoidulla prosessilla West Memphisissä, Arkansasissa sijaitsevassa kemiantehtaassaan.
Resurssien toimitusvarmuuden osalta TETRAlla on mineraalioikeudet Arkansasissa sijaitseviin laajoihin suolaveden vuokrasopimuksiin, joiden arvioidaan sisältävän 5,25 miljoonaa tonnia bromia. Yhtiö on parhaillaan tekemässä yksityiskohtaista geologista, varastoalueita ja tuotantoa koskevaa simulaatiotutkimusta, jonka tarkoituksena on määrittää ja varmistaa bromin pitkän aikavälin tarjonta.
PureFlow-sinkkibromidin erittäin puhtaiden ominaisuuksien ansiosta se on ihanteellinen suuren mittakaavan, pitkäkestoiseen ja tehokkaaseen akkuteknologiaan. Tähän mennessä kolme erillistä sinkkibromiakkujen valmistajaa on testannut PureFlow-sinkkibromidia ja hyväksynyt sen. Vuonna 2021 TETRA teki Eos Energy Enterprisesin kanssa sopimuksen yhteistyöstä ja sinkkibromidin pitkäaikaisista toimituksista Eosin innovatiivisen Znyth-vesisinkkipariston tuotannon tukemiseksi. New Jerseyn Edisonissa sijaitseva Eos on johtava turvallisten, skaalautuvien, tehokkaiden ja kestävien sinkkipohjaisten pitkäkestoisten energiavarastojen toimittaja.
Sinkki-bromipariston tiede
Sinkkibromiparistoja on kahta tyyppiä, virtaus- ja ei-virtausparistoja. Kuten arvata saattaa, virtausakun sisältö kiertää, kun taas ei-virtausakun sisältö on paikallaan. Molemmissa käytetään kuitenkin sinkkibromidia osana elektrolyyttiä. Sinkkibromidin puhtaus on suorituskyvyn ja akun käyttöiän kannalta ensiarvoisen tärkeää, ja TETRA PureFlow'n erittäin puhdas sinkkibromidi tarjoaa alan korkeimpia puhtauksia.
Yksinkertaisimmillaan sinkki-bromiparisto varastoi sähköenergiaa lataussyklin aikana pinnoittamalla sinkkiä (Zn) johtavalle anodilevylle - tyypillisesti hiili tai titaani - ja muuttamalla negatiivisesti varautuneita bromidi-ioneja (Br¯) bromiksi (Br2). Kun energiaa tuotetaan purkaussyklissä, prosessi on päinvastainen - anodille pinnoitettu sinkki liukenee elektrolyyttiliuokseen, jolloin se on käytettävissä uudelleen pinnoitettavaksi seuraavassa lataussyklissä. Energiakapasiteetti riippuu elektrolyyttivarastojen sekä anodi- ja katodielektrodien koosta.
Sinkki-bromi-akun hienous on suuri energiatiheys, pitkät kestosyklit, pitkä käyttöikä ja elektrolyytin kierrätettävyys. Akku voi tuottaa suuren määrän syklejä ilman, että se hajoaa juurikaan, ja kun se loppuu, sinkkibromidi voidaan mahdollisesti ottaa talteen, uudistaa ja mahdollisesti käyttää uudelleen toisessa akussa tai muihin käyttötarkoituksiin, kuten öljy- ja kaasulähteissä käytettäviin viimeistelynesteisiin. Toisin sanoen sinkkibromiakut tarjoavat mahdollisuuden todella uusiutuvaan energialähteeseen.
KUVA 1: Kuvassa on sinkki-bromi-virtausakku, jossa vesipitoinen sinkki-bromi-elektrolyytti kierrätetään pumppujen avulla.
Kaupallisten energiavarastointiakkujen ennustettu kasvu
Vaikka monet ennusteet Yhdysvaltain kiinteän energian varastointimarkkinoiden osalta vaihtelevat 25-35 prosentin vuotuisesta kasvuvauhdista (CAGR) seuraavien 10-15 vuoden aikana - mikä on huomattavaa kaikilla mittareilla mitattuna - Yhdysvaltain hallituksen Energy Information Administration on vieläkin optimistisempi, sillä se ennustaa, että Yhdysvaltain akkuvarastojen kysyntä kasvaa 7,8 gigawatista (GW) vuonna 2022 30 GW:iin vuoteen 2025 mennessä, mikä on hämmästyttävä 57 prosentin vuotuinen kasvuvauhti kolmen vuoden aikana.[8]
KUVIO 2: Yhdysvaltain akkuvarastointikapasiteetti GW, 2015-2025, toiminnassa ja suunnitteilla. LÄHDE: EIA.
Maailmanlaajuinen ennuste on vielä suurempi. Lokakuussa 2022 Bloomberg New Energy Finance (BNEF) raportoi, että "energian varastointilaitosten määrä ympäri maailmaa nousee kumulatiivisesti 411 gigawattiin (tai 1 194 gigawattituntiin) vuoden 2030 loppuun mennessä", mikä merkitsee 15-kertaista kasvua.[9] Suurin osa kasvusta odotetaan tapahtuvan Yhdysvalloissa ja Kiinassa, jotka ovat kaksi suurinta markkina-aluetta, mutta energiavarastointi on nyt infrastruktuurin tärkeimpiä hankkeita kaikilla mantereilla.
Maailmanlaajuinen energiamurros on nyt hyvässä vauhdissa ja kiihtyy nopeasti. Tuuli- ja aurinkoenergialaitokset lisääntyvät eri puolilla maailmaa ja Yhdysvalloissa, ja näiden laitosten myötä tarvitaan sähköverkon mittakaavan varastointia. Akkuvarastointijärjestelmät ovat luultavasti verkon mittakaavan energiavarastointitekniikoista skaalautuvimpia ja mukautuvimpia, ja ne mahdollistavat nopeamman käyttöönoton ja pienemmän tilantarpeen kuin esimerkiksi pumppuvesivoimajärjestelmät, jotka vaativat laajoja kiinteistöjä ja monimutkaisempaa rakentamista.
Sinkkibromidiakut ovat yksi parhaista aurinkosähkön varastointiin ja uusiutuviin energialähteisiin soveltuvista akkutyypeistä. Akkujen pitkän käyttöiän ja luotettavuuden varmistamiseksi TETRA PureFlow®:n erittäin puhtaat sinkkibromidin puhtausasteet ovat yksi parhaista vaihtoehdoista akkujen valmistajille.
Loppuviitteet
[1] EIA, "US Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025," 8 December 2022.
[2] Shin-ichi Inage, "Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids", Kansainvälinen energiajärjestö, 2009, s. 19.
[3] On huomattava, että sähkön varastointitekniikoiden innovaatiot kiihtyvät nopeasti, joten tämä luettelo ratkaisuista, mukaan lukien akkutyypit, ei ole tyhjentävä.
[4] EIA, "Battery Storage in the United States: An Updte on Market Trends, heinäkuu 2020. Ks. myös David Hart ja Alfred Sarkissian, "Deployment of Grid-Scale Batteries in the United States", Yhdysvaltain energiaministeriön energiapolitiikan ja järjestelmien analyysin toimistolle laadittu raportti, 2016, s. 2.
[5] Chris McKay, "How Three Battery Types Work in Grid-Scale Energy Storage Systems", Windpower Engineering & Development, 18. maaliskuuta 2019. Katso myös The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires," 2. toukokuuta 2019.
[6] The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires," 2. toukokuuta 2019.
[7] Govind Bhutada, "Charted: Lithium Production by Country (1995-2020)," visualcapitalist.com, 9. helmikuuta 2022.
[8] EIA, "U.S. Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025," 8 December 2022.
[9] Veronika Henze, "Global Energy Storage Market to Grow 15-Fold by 2030", BNEF, 12. lokakuuta 2022.
