Tulevaisuuden kaupallisen energiavarastoinnin haasteisiin vastaaminen TETRA PureFlow -ultrapuhtaalla sinkkibromidilla
kirjoittanut Archie Vest | Bromituotannon vanhempi johtaja, Chemicals Pohjois-Amerikka | 4. toukokuuta 2023
Verkon laajuinen energian 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 energian varastointitekniikat ovat joko mekaanisia, termisiä tai elektrokemiallisia. Mekaaniset varastointiratkaisut hallitsevat infrastruktuuria ja sisältävät vauhtipyöriä, paineilmaenergian varastointia ja vesivoiman pumppausvarastointia, joista kaksi jälkimmäistä ovat yleisimpiä.[2] Termiset ratkaisut perustuvat tyypillisesti joko sulaan suolaan tai veteen, ja niissä käytetään varastoitua lämpöä tai kylmyyttä energian tuottamiseen jaksojen ulkopuolella. Elektrokemiallisiin 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 aiemmin suositut nikkeli-kadmium-akut. Niitä käytetään nykyään useimmissa akkukäyttöisissä kuluttajatuotteissa aina matkapuhelimista ja kannettavista tietokoneista sähkötyökaluihin ja -ajoneuvoihin. Litiumioni hallitsee myös sähköverkon laajuisissa järjestelmissä, ja vuonna 2018 sen osuus olikin yli 90 prosenttia akkupohjaisista sähköverkon varastointijärjestelmistä Yhdysvalloissa.[4]
Litiumakkuihin liittyy kuitenkin merkittäviä haittoja sähköverkon laajuisessa varastoinnissa: ensinnäkin ne eivät ole tällä hetkellä kustannustehokkaita yli kolmen tunnin kestosykleissä.[5]; ja toiseksi niihin liittyy myöskin suuri tulipaloriski, joka voisi olla todella katastrofaalinen suuressa ja tiheässä asennuksessa.[6] Itse asiassa suuret litiumioniakkujen asennukset edellyttävätkin yleensä kalliita palontorjuntajärjestelmiä. Yhdysvaltain ja EU:n markkinoiden kannalta toinen litiumiin liittyvä huolenaihe on sen 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.
Nykyisen tuuli- ja aurinkoenergian varastointiasennusten lisääntymisen myötä sinkkibromidiakkujen markkinat kasvavat nopeasti. Useat yritykset kehittävät ja ottavat käyttöönsä kaupallisia sinkkibromidiakkuja ja kerryttävät samalla pitkiä tilauksia kysynnän kasvun vuoksi.
Vastatakseen nopeasti kasvavaan kaupallisen energiavarastoinnin tarpeeseen TETRA Technologies kehitti TETRA PureFlow® ultra-puhtaan sinkkibromidin käytettäväksi verkon laajuisissa varastointijärjestelmissä ja aurinkoenergian akkuvarastoinnissa. TETRAn mukaan se on ainoa sinkkibromidin kaupallisen mittakaavan tuottaja Yhdysvalloissa, ja se valmistaa PureFlow-sinkkibromidia omaa patentoitua prosessiaan käyttäen kemiantehtaallaan West Memphisissa Arkansasissa.
Raaka-aineiden saatavuuden varmistamiseksi TETRA omistaa mineraalioikeudet laajoihin suolavesiesiintymiin Arkansasissa, joiden arvioidaan sisältävän 5,25 miljoonaa tonnia bromia. Yhtiö on parhaillaan viimeistelemässä yksityiskohtaista geologista, esiintymä- ja tuotantosimulaatiotutkimusta, jonka tarkoituksena on määrittää ja varmistaa bromin pitkän aikavälin saatavuus.
PureFlow-sinkkibromidin korkeapuhtauksinen koostumus tekee siitä ihanteellisen suurikokoisiin, pitkäikäisiin ja suorituskykyisiin akkuteknologioihin. Tähän mennessä kolme erillistä sinkkibromiakkujen valmistajaa on testannut ja hyväksynyt PureFlow-sinkkibromidin. Vuonna 2021 TETRA solmi yhteistyösopimuksen Eos Energy Enterprisesin kanssa sinkkibromidin pitkäaikaiseen toimitukseen Eosin innovatiivisen Znyth-vesisinkkipariston tuotannon tukemiseksi. Edisonissa, New Jerseyssä sijaitseva Eos on johtava turvallisten, skaalautuvien, tehokkaiden ja kestävien sinkkipohjaisten pitkäkestoisten energiavarastojen toimittaja.
Tiede sinkki-bromiparistojen takana
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 ultra-puhdas sinkkibromidi tarjoaa alan korkeimpia puhtauksia.
Yksinkertaistettuna sinkki-bromiakku varastoi sähköenergiaa lataussyklin aikana saottamalla sinkkiä (Zn) johtavalle anodilevylle - tyypillisesti hiili tai titaani - samalla kun negatiivisesti varautuneet bromidi-ionit (Br¯) muuttuvat bromiksi (Br2). Kun energiaa tuotetaan purkaussyklissä, prosessi on päinvastainen - anodille saostunut sinkki liukenee elektrolyyttiliuokseen, jolloin se on käytettävissä seuraavassa lataussyklissä. Energiakapasiteetti riippuu elektrolyyttivarastojen sekä anodi- ja katodielektrodien koosta.
Sinkki-bromi-akun hienous piilee sen korkeassa energiatiheydessä, pitkäkostoisissa käyttösykleissä, pitkässä käyttöiässä ja elektrolyytin kierrätettävyydessä. Akku kestää suuren määrän syklejä ilman merkittävää heikkenemistä, ja kun sen käyttöikä lopulta päättyy, sinkkibromidi voidaan mahdollisesti ottaa talteen, uudistaa ja käyttää uudelleen esimerkiksi toisessa akussa tai öljy- ja kaasulähteiden viimeistelyliuoksissa. Toisin sanoen sinkki-bromiakuilla on potentiaalia toimia aidosti uusiutuvana energianlähteenä.
KUVIO 1: Kuvassa on sinkki-bromi-virtausakku, jossa vesipitoinen sinkki-bromi-elektrolyyttejä kierrätetään pumppujen avulla.
Kaupallisten energiavarastointiakkujen ennustettu kasvu
Vaikka monet arviot Yhdysvaltojen kiinteän energian varastointimarkkinoiden kasvusta ennustavat 25-35 prosentin vuotuista kasvuvauhtia (CAGR) seuraavien 10-15 vuoden aikana - mikä on huomattavaa luku sinänsä - Yhdysvaltain energiavirasto (Energy Information Administration) on vieläkin optimistisempi. Se ennustaa, että Yhdysvaltain akkuvarastojen kysyntä kasvaa 7,8 gigawatista (GW) vuonna 2022 jopa 30 GW:iin vuoteen 2025 mennessä. Tämä tarkoittaisi hämmästyttävää 57 prosentin vuotuista kasvua kolmen vuoden sisällä.[8]
KUVIO 2: Yhdysvaltain akkuvarastointikapasiteetti GW, 2015-2025, toiminnassa ja suunnitteilla. LÄHDE: EIA.
Maailmanlaajuiset ennusteet on vielä suurempia. Lokakuussa 2022 Bloomberg New Energy Finance (BNEF) raportoi, että "energian varastointiasennusten ennustetaan kasvavan maailmanlaajuisesti yhteensä 411 gigawattiin (tai 1 194 gigawattituntiin) vuoden 2030 loppuun mennessä", mikä tarkoittaa 15-kertaista kasvua.[9] Suurimman osan kasvusta odotetaan tapahtuvan Yhdysvalloissa ja Kiinassa, jotka ovat kaksi suurinta markkina-aluetta, mutta energian varastointi on noussut merkittäväksi infrastruktuurihankkeeksi jokaisella mantereella.
Maailmanlaajuinen energiasiirtymä on nyt hyvässä vauhdissa ja kiihtyy nopeasti. Tuuli- ja aurinkoenergialaitokset yleistyvät kaikkialla maailmassa, möys hdysvalloissa, ja näiden mukana kasvaa tarve verkon laajuiselle energiavarastoinnille. Akkuvarastointijärjestelmät ovat ehkäpä skaalautuvimpia ja mukautuvimpia ratkaisuja tähän tarpeeseen, sillä ne mahdollistavat nopeamman käyttöönoton ja vievät vähemmän tilaa verrattuna esimerkiksi pumppuvoimaloihin, jotka vaativat laajoja maa-alueita ja monimutkaisempaa rakennustyötä.
Erilaisten verkon mittakaavan energian varastointiin tarkoitettujen paristotyyppien joukossa sinkkibromidiparistot ovat yksi parhaista vaihtoehdoista aurinkoenergian ja uusiutuvan energian varastointiin. Paristojen pitkäikäisyyden ja luotettavuuden varmistamiseksi TETRA PureFlow®:n ultra-puhdas sinkkibromidi tarjoaa yhden parhaista vaihtoehdoista paristovalmistajille.
Loppuviitteet
[1] EIA, "US Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025," 8. joulukuuta 2022.
[2] Shin-ichi Inage, "Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids", Kansainvälinen energiajärjestö, 2009, s. 19.
[3] On syytä huomioida, että energian varastointiteknologioiden kehitysvauhti kiihtyy nopeasti, joten tämä ratkaisu- ja paristojetyyppilista ei ole kaikenkattava.
[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 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. joulukuuta 2022.
[9] Veronika Henze, "Global Energy Storage Market to Grow 15-Fold by 2030", BNEF, 12. lokakuuta 2022.
