TETRA PureFlow Ultra-Pure Zinc Bromide möter utmaningen med framtida kommersiell energilagring
Av Archie Vest | Senior Director of Bromines, Chemicals North America | 4 maj 2023
Lagring av el i elnätsskala
Energilagring är numera allmänt erkänt som en förutsättning för tillförlitlig leverans av förnybar energi och i slutändan för den kommersiella lönsamheten för alla sol- och vindinstallationer i nätskala. Dessa energikällor är till sin natur intermittenta, eftersom de är beroende av solsken och vind, och kräver därför lagringslösningar för att "jämna ut" eller "jämna ut" kraftflödet, vilket säkerställer konsekvent leverans av energi över tid.[1]
För det mesta är energilagringstekniker i nätskala antingen mekaniska, termiska eller elektrokemiska. Mekaniska lagringslösningar dominerar infrastrukturen och omfattar svänghjul, energilagring med tryckluft och vattenkraft med pumplagring, varav de två sistnämnda är vanligast förekommande.[2] Termiska lösningar baseras vanligtvis på antingen smält salt eller vatten, och använder den lagrade värmen eller kylan för att generera ström under off-cykler. Elektrokemiska lösningar inkluderar superkondensatorer och laddningsbara batterier som använder antingen bly-syra, litium, nickel, natriumsvavel, vanadin eller zink.[3]
Litiumjonbatterier är de mest välkända uppladdningsbara lagringsenheterna och har till stor del ersatt de en gång så populära nickel-kadmiumbatterierna. De används nu i de flesta batteridrivna konsumentprodukter, från mobiltelefoner och bärbara datorer till elverktyg och elfordon. Litiumjon dominerar också i nätskala och stod för mer än 90 % av de batteribaserade lagringssystemen i nätskala i USA 2018.[4]
Litiumbatterier har dock betydande nackdelar för lagring i nätskala: för det första är de för närvarande inte kostnadseffektiva för varaktighetscykler på mer än tre timmar[5]För det andra utgör de en hög risk för brand, vilket skulle vara katastrofalt i en stor installation med hög densitet.[6] Faktum är att stora installationer av litiumjonbatterier i allmänhet kräver kostsamma brandbekämpningssystem. Slutligen, för marknaderna i USA och EU, är ett annat problem med litium försörjningstryggheten, eftersom mer än 90% av mineralets globala produktion sker i Argentina, Australien, Chile och Kina.[7]
Zinkbromid-alternativet för batterier för energilagring
För nätbaserade applikationer är flödesbatterier med zink-brom ett utmärkt alternativ till litiumjonbatterier för energilagring. Zink-brom-flödesbatterier, som uppfanns på 1970-talet, använder billiga och lättillgängliga material, har längre livslängd, liten brandrisk eftersom elektrolyterna inte är brandfarliga och ger längre varaktighetscykler än motsvarande litiumjonbatterier.
Med den nuvarande ökningen av lagringsanläggningar för vind- och solenergi växer faktiskt marknaden för zink-brombatterier snabbt, och flera företag utvecklar och driftsätter nu kommersiella zink-brombatterier och bygger upp långa orderstockar för efterfrågan.
För att tillgodose det snabbt växande behovet av kommersiell energilagring har TETRA Technologies utvecklat sin ultrarena zinkbromid TETRAPureFlow® för användning i lagringssystem i nätskala och batterilagring för solenergi. TETRA anser sig vara den enda producenten av kommersiella mängder zinkbromid i USA och tillverkar PureFlow zinkbromid med hjälp av en egenutvecklad process vid sin kemiska fabrik i West Memphis, Arkansas.
När det gäller tryggad resursförsörjning innehar TETRA mineralrättigheterna till omfattande brine-leasingavtal i Arkansas som beräknas innehålla 5,25 miljoner ton brom. Bolaget genomför för närvarande en detaljerad geologisk, reservoar- och produktionssimuleringsstudie för att fastställa och säkerställa en långsiktig försörjning av bromid.
De högrena egenskaperna hos PureFlow zinkbromid gör den idealisk för storskalig, långvarig och högpresterande batteriteknik. Hittills har PureFlow zinkbromid testats och kvalificerats av tre separata tillverkare av zink-brom-lagringsbatterier. Under 2021 ingick TETRA ett avtal med Eos Energy Enterprises om samarbete och långsiktig leverans av zinkbromid för att stödja produktionen av Eos innovativa Znyth vattenbaserade zinkbatteri. Eos är baserat i Edison, New Jersey, och är en ledande leverantör av säkra, skalbara, effektiva och hållbara zinkbaserade energilagringssystem med lång livslängd.
Vetenskapen bakom zink-brombatteriet
Det finns två typer av zink-brom-batterier, flödes- och icke-flödesbatterier. Som man kan förstå cirkulerar innehållet i ett flödesbatteri medan det i ett icke-flödesbatteri är stillastående. Båda använder dock zinkbromid som en del av elektrolyten. Zinkbromidens renhet är avgörande för prestanda och batteriets livslängd, och TETRA PureFlow ultrarent zinkbromid ger några av de högsta renheterna i branschen.
Enkelt uttryckt lagrar ett zink-brom-batteri elektrisk energi under laddningscykeln genom att plätera zink (Zn) på en ledande anodplatta - vanligtvis kol eller titan - samtidigt som negativt laddade bromidjoner (Br¯) omvandlas till brom (Br2). Vid laddning i urladdningscykeln är processen omvänd - den zink som pläterats på anoden löses upp i elektrolytlösningen och blir tillgänglig för plätering igen i nästa laddningscykel. Energikapaciteten beror på storleken på elektrolytreservoarerna samt anod- och katodelektroderna.
Det eleganta med zink-brom-batteriet är den höga energitätheten, de långa cyklerna, den långa livslängden och återvinningsbarheten hos elektrolyten. Batteriet kan klara ett stort antal cykler med liten nedbrytning, och när det tar slut kan zinkbromiden potentiellt återvinnas, förnyas och eventuellt återanvändas i ett annat batteri eller för andra användningsområden, som t.ex. kompletteringsvätskor som används i olje- och gaskällor. Med andra ord ger zinkbrombatterier möjlighet att skapa en verkligt förnybar energikälla.
FIGUR 1: Diagrammet visar ett zink-bromflödesbatteri, som använder pumpar för att cirkulera den vattenhaltiga zink-bromidelektrolyten.
Prognostiserad tillväxt för kommersiella energilagringsbatterier
Medan många prognoser för den amerikanska marknaden för stationär energilagring sträcker sig från 25 % till 35 % genomsnittlig årlig tillväxttakt (CAGR) under de kommande 10-15 åren - en betydande takt med alla mått mätt - är den amerikanska regeringens Energy Information Administration ännu mer optimistisk och förutspår att efterfrågan på batterilagring i USA kommer att gå från 7,8 gigawatt (GW) 2022 till 30 GW 2025 - det är en häpnadsväckande 57 % CAGR under tre år.[8]
FIGUR 2: USA:s batterilagringskapacitet i GW, 2015-2025, i drift och planerad. KÄLLA: EIA.
Den globala prognosen är ännu större. I oktober 2022 rapporterade Bloomberg New Energy Finance (BNEF) att "Installationer för energilagring runt om i världen förväntas nå en kumulativ nivå på 411 gigawatt (eller 1 194 gigawattimmar) i slutet av 2030", vilket innebär en 15-faldig ökning.[9] Den största delen av tillväxten förväntas ske i USA och Kina, de två största marknaderna, men energilagring är nu en viktig infrastrukturåtgärd på alla kontinenter.
Den globala energiomställningen är nu i full gång och accelererar snabbt. Installationer av vind- och solenergi blir allt vanligare runt om i världen och i USA, och med dessa installationer kommer behovet av energilagring i nätskala. Batterilagringssystem är utan tvekan den mest skalbara och anpassningsbara tekniken för energilagring i nätskala, vilket möjliggör snabbare utbyggnad och snävare fotavtryck än till exempel ett pumpat vattenkraftsystem som kräver expansiva fastigheter och mer komplex konstruktion.
Av de olika batterityperna för energilagring i nätskala är zinkbromidbatterier ett av de bästa batterierna för lagring av solenergi och projekt för förnybar energi. Och för att säkerställa batteriernas långa livslängd och tillförlitlighet är TETRA PureFlow® ultrarena renhetsnivåer för zinkbromid ett av de bästa valen för batteritillverkare.
Slutnoter
[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", International Energy Agency, 2009, s. 19.
[3] Det bör noteras att innovationstakten inom energilagringsteknik ökar snabbt, så denna lista över lösningar, inklusive batterityper, är inte uttömmande.
[4] EIA, "Battery Storage in the United States: An Updte on Market Trends", juli 2020. Se även David Hart och Alfred Sarkissian, "Deployment of Grid-Scale Batteries in the United States", en rapport som utarbetats för Office of Energy Policy and Systems Analysis, US Department of Energy, 2016, s. 2.
[5] Chris McKay, "How Three Battery Types Work in Grid-Scale Energy Storage Systems", Windpower Engineering & Development, 18 mars 2019. Se även The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2 maj 2019.
[6] The Korea Times, "Regeringstjänstemän vet ingenting om orsaken till ESS bränder", 2 maj 2019.
[7] Govind Bhutada, "Charted: Lithium Production by Country (1995-2020)", visualcapitalist.com, 9 februari 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 oktober 2022.
