Правообладатель
1) ООО «Адарм»
Накопитель энергии на основе ванадиевой проточной редокс-батареи.
2) РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИФХЭ РАН
Первичный химический источник тока на основе гибридной водородно-броматной батареи.
3) ИПХФ РАН, РХТУ им. Д. И. Менделеева, ИФХЭ РАН
Двухмембранная кислотно-основная проточная батарея c водородными электродами.
Описание
1) Электрохимический накопитель энергии долгосрочного хранения на базе ванадиевой проточной редокс-батареи (ПРБ), способный обеспечивать возможность временного запасания энергии внутри резервуаров устройства (с последующим ее переводом обратно в электричество).
Особенности технологии ПРБ: во-первых, возможность независимого масштабирования мощности и емкости путем изменения размеров мембранно-электродного блока (МЭБ) и объема используемых электролитов. Во-вторых, благодаря отсутствию сложных распределённых гетерограниц и фазовых переходов, ПРБ теоретически обладают неограниченным ресурсом. В-третьих, для технологии ПРБ допускается полный разряд и отсутствует саморазряд в режиме простоя. Наконец, технология ПРБ безопаснее других электрохимических источников тока – отсутствуют риски возгорания/воспламенения, вспышки дугового разряда.
Ключевое преимущество ванадиевой ПРБ — в обеих полуячейках ВПРБ используются электролиты одинакового химического состава, что исключает возможность перекрестного загрязнения электролитов вследствие кроссовера через мембрану и в перспективе делает теоретическое время работы электролитов бесконечным.
2) См. пункт 1. Единственное принципиальное – это использование вместо ванадиевых электролитов газообразного водорода + жидкого раствора бромата лития. Процесс разряда такой батареи протекает за счет сложной автокаталитической реакции, за счет этого возможно многократно увеличение энергоёмкости, а также удельной мощности разряда по сравнению ванадиевой проточной редокс-батареей.
3) Двухмембранная кислотно-основная проточная батарея с водородными электродами – новый тип проточных химических источников тока, использующий энергию нейтрализации кислот и щелочей.
В предложенной батарее процесс нейтрализации кислоты и щелочи протекает в ячейке с двумя мембранами, разделяющими пространства ячейки. Для получения энергии из реакции нейтрализации растворы кислоты и щелочи подают в соответствующие электродные пространства с водородными электродами, разделенные катионо- и анионообменной мембранами; при этом в межмембранное пространство подается разбавленный раствор соответствующей данным кислоте и щелочи соли.
При подключении внешней нагрузки к данной ячейке на «кислотном» водородном электроде протекает реакция окисления протона и при этом анион кислоты перемещается через анионообменную мембрану в солевое пространство. Выделившийся водород подается в отрицательное полупространство, где на «щелочном» водородном электроде протекает реакция окисления водорода, при этом катион щелочи перемещается в солевое пространство через катионообменную мембрану. В результате данной последовательности процессов растворы кислоты и щелочи становятся менее концентрированными, в то время как концентрация соли увеличивается.
Характеристики, назначение
1) Базовые характеристики ВПРБ можно разделить на две независимых составляющие: (а) Энергоемкость (б) Показатели разрядного блока
Энергоемкость определяется составом используемого электролита. Типичное значение энергоемкости ванадиевого электролита 20-30 Втч/л.
Характеристики разрядного блока:
Максимальная мощность до 1 Вт/см2;
КПД – до 85 % в зависимости от режима испытаний;
Степень использования емкости: до 90 %.
Типичная номинальная мощность: 0.2-0.3 Вт/см2.
Назначение – использование в виде накопителя электроэнергии.
2) См. пункт 1, отличаются цифровые значения. Энергоёмкость – до 1000 Вт-ч/л, удельная мощность – до 1.5 Вт/см2.
3) Теоретическая плотность хранимой энергии данной батареи составляет 1.85 – 7.4 Вт*ч/Л (в случае 0.25 – 1 М электролитов). Максимальная ЭДС единичной ячейки батареи, использующей 0.25 — 1 М электролиты составляет 734 — 798 мВ. Максимальная плотность мощности составляет 6.1 мВт/см2 при плотности разрядного тока 13 мА/см2. Энергетическая эффективность преобразования энергии нейтрализации в электричество – 58.1 % при плотности тока 4 мА/см2.
Назначение – использование данной батареи в качестве первичного или вторичного источника тока.
Стадия готовности
1) Протоип- Создан лабораторный прототип ванадиевой проточной редокс-батареи мощностью 40 Вт.
2) НИР + Прототип — Создан лабораторный прототип первичного химического источника тока с мощностью до 10 Вт, показана принципиальная возможность перезарядки данного источника тока. Вопрос многократной циклической работы батареи решается в рамках НИР (грант РНФ).
3) Стадия готовности – проведен первый НИР по демонстрации работоспособности предложенной батареи на примере единичной ячейки лабораторного масштаба.
Была разработана единичная ячейка мембранно-электродного блока данной батареи лабораторного масштаба (активная площадь электродов 4 см2). Была опубликована proof-of-concept статья, демонстрирующая работоспособность данного концепта (см. Loktionov, P..A., Bocharova, A..B., Konev, D..V., Modestov, A..D., Pichugov, R..D., Petrov, M..M. and Antipov, A..E. (2021), Two-membrane acid-base flow battery with hydrogen electrodes for neutralization-to-electrical energy conversion. ChemSusChem. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/cssc.202101460).
Проведенные испытания
1) (А) В лабораторных условиях проводились циклические заряд-разрядные испытания прототипа c разными плотностями токов. Измеренная мощность до 40 Вт, КПД по энергии до 80 %. (Б) В полевых условиях проводились испытания накопителя энергии в условиях нагрузки суммарной мощностью до 20 Вт. Накопитель энергии показал стабильную работу на масштабах 3 часов, что соответствует разряду накопителя на 80 % от номинальной ёмкости.
2) В лабораторных условиях проводились циклические заряд-разрядные испытания прототипа c разными плотностями токов. Измеренная мощность до 10 Вт.
3) Были проведены испытания по оценке ЭДС предложенной батареи с различными электролитами, измерены разрядные характеристики такой батареи, батарея испытана в режиме разряда (т. е. в качестве первичного источника тока), а также была оценена принципиальная возможность заряжения батареи и оценены основные источники потерь.
Конкурентноспособность
1) Конкурентные преимущества по сравнению с другими электрохимическими накопителями:
Системы легко и безопасно масштабируются до мощностей в десятки МВт. Отсутствуют риски возгорания, короткого замыкания.
Уже на данном этапе развития технологии есть коммерческие предложения от ведущих производителей. Стоимость установок на основе ВПРБ примерно составляют 650 $/кВт-ч.
Экспортный потенциал технологии ванадиевой ПРБ огромен, поскольку в Европе уже основные технологии ПРБ вышли на показатели TRL от 5 до 9. С перечнем компании, занимающихся коммерциализаций технологии ванадиевой ПРБ, можно ознакомиться на сайте: http://www.vanitec.org/vanadium-redox-flow-battery-vrfb-companies. Рынок систем хранения энергии в функциях замещения пиковых мощностей и ценозависимого потребления на данный момент составляет $2,5 млрд., к 2025 году оценивается в $12,5 млрд. (данные NavigantResearch). При этом учтенная прогнозная стоимость накопителей — $320 за кВтч емкости.
В России пока не сформирован рынок ПРБ. Конкурентное преимущество: стоимость готовых энергоустановок может быть ниже зарубежных за счет собственного производства ванадиевого электролита, стоимость которого определяет до 60 % капитальной стоимость энергоустановки.
2) См. пункт 1, характерные особенности по сравнению с ВПРБ – повышенные характеристики (удельная разрядная мощность, удельная энергоёмкость) + одновременно более низкая стоимость сырья (различные соли брома).
3) По сравнению с реализуемыми на рынке ванадиевыми проточными редокс-батареями у описанной разработки стоимость электролитов существенно ниже, а их растворимость гораздо больше. В случае дальнейшего повышения мощностных характеристик данной батареи она сможет стать занять свою нишу на рынке стационарных энергонакопителей.
По сравнению с ближайшими аналогами – кислотно-основными батареями на основе обратного электродиализа – описанная выше батарея лишена недостатков, связанных с ограничениями по плотности тока разряда из-за биполярной мембраны. В результате описанная батарея демонстрирует большую, чем у аналогов плотность тока и мощности разряда.
Существующие аналоги
1) Список компаний-производителей ванадиевых проточных редокс-батарей.
2) См. пункт 1
3) Ближайшие аналоги:
А) устройства, в том или ином виде использующие энергию реакции нейтрализации: первичные и вторичные проточные химические источники на основе установок для электродиализа с биполярными мембранами; проточные ХИТ на основе нейтрализационного диализа; нейтрализационные псевдоконденсаторы; другие устройства на основе модификаций перечисленных выше устройств. Среди четырех групп наилучшие мощностные характеристики были показаны батареями на основе устройств на основе обратного электродиализа.
Б) проточные редокс-батареи – в качестве примера можно привести наиболее распространенные и реализуемые на рынке энергонакопителей полностью ванадивую ПРБ и гибридную цинк-бромную ПРБ.
Сферы / возможности применения
1) Стационарный накопитель энергии. А) Может использоваться в сочетании с альтернативными источниками тока (ветровые генераторы, солнечные панели) для эффективности запасания электричества. Б) Может использоваться в качестве объекта распределенной энергетики – накапливать энергию в периоды низкого потребления (или по низкому тарифу) и отдача энергии в период повышенного энергопотребления
2) На данном уровне развития технологи (первичный ХИТ, только процесс зарядки) – использование в качестве накопителя энергии в областях, где требуются высокие удельные мощностные характеристики (Вт/л, Вт/ч) – например, ракетные пусковые установки
После решения проблемы многократной перезарядки область применения расширяется до описанной в пункте 1 + за счет высоких значений удельной энергоёмкости (до 1000 Вт-ч/л) возможно применением в автономных транспортных средствах – грузовых автомобилях, подводных лодках и т.д.
3) У предложенной батареи есть две сферы применения.
Первая — это использование такой батареи в качестве перезаряжаемого источника энергии. Сейчас в мире активно внедряются проточные редокс-батареи. У них есть ряд преимуществ перед другими батареями, и они хорошо подходят для крупномасштабного хранения энергии. Но их главная проблема — это высокая стоимость, причем большую часть стоимости состоит в топливе таких батарей т.е. в растворах электролитов. Чаще всего это растворы соединений ванадия. В отличие от ПРБ электролиты для нейтрализационной батареи очень дешевые и доступные. В будущем, при дальнейшем повышении характеристик нашей батареи она сможет стать перспективной заменой ванадиевым батареям и сможет занять свою нишу на рынке источников тока.
Вторая сфера применения — это нейтрализация отходов химических производств — растворов кислот и щелочей. На многих химических производствах на разных стадиях производственных процессов образуются как кислые стоки, так и щелочные. Чаще всего эти стоки смешивают в определенных пропорциях, чтобы их нейтрализовать. Проблема заключается в том, что такой процесс небесплатный и к тому же в результате полезная энергия просто теряется в виде тепла. И вот тут могут быть полезны нейтрализационные батареи: на производствах их можно использовать для обезвреживания опасных стоков и при этом получать энергию и использовать ее на месте для нужд производств.
Возможность масштабирования, внесения изменений
1) Существуют хорошие возможности для масштабирования и внесения изменений. Для создания полупромышленных или промышленных прототипов (10-20 кВт) требуется закупка следующего технологического оборудования:
Крупногабаритные фрезерный и лазерный станки, закупка или разработка блока питания с электронной нагрузкой для проведения испытаний энергоустановки (расчетной мощности 10-20 кВт).
Возможность внесения изменений определяется наличием подходящей инструментальной базы.
2) См. пункт 1.
3) На данный момент батарея была реализована только на лабораторном масштабе.
Требуется проведение дальнейших работ по оптимизации единичной ячейки мембранно-электродного блока. После проведения данного этапа можно будет приступить к масштабированию данной конструкции — составлению батареи из серии единичных ячеек. Описанная последовательность разработки (исследование и оптимизация единичной ячейки, затем переход к исследованию стеков МЭБ лабораторного и предпромышленного масштаба) характерна для всех проточных химических источников тока (например, для проточных редокс-батарей и топливных элементов). В последствие готовая технология может быть масштабирована в соответствии с нуждами потребителя: мощность таких батарей определяется геометрическими параметрами разрядного блока, а общая емкость определяется емкостью резервуаров с электролитами (или топливом) — в этом заключается ключевая особенность проточных химических источников тока
Примеры реализации
1) Собственная разработка на стадии пилотного образца мощностью до 40 Вт
2) Собственная разработка на стадии пилотного образца мощностью до 10 Вт
3) На данный момент описанная батарея была реализована в виде единичной ячейки мембранно-электродного блока лабораторного масштаба (активная площадь электродов – 4 см2; габариты разрядного блока батареи – 8*8*3 см).
Материалы
1-2)
3) См. графические материалы по разработке в статье (см. Loktionov, P..A., Bocharova, A..B., Konev, D..V., Modestov, A..D., Pichugov, R..D., Petrov, M..M. and Antipov, A..E. (2021), Two-membrane acid-base flow battery with hydrogen electrodes for neutralization-to-electrical energy conversion. ChemSusChem. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1002/cssc.202101460).
Форматы возможного сотрудничества
1) Совместный НИОКР, ОКР, пилотный проект.
2) См. пункт 1.
3) Предпочтительная форма сотрудничества – совместное проведение НИР и НИОКР.
Необходимость инвестиций
1) Требуется.
2) Требуется.
3) Требуются инвестиции для проведения дальнейших НИР и НИОКР для повышения мощностных характеристик и эффективности предложенного устройства для подготовки его к дальнейшему масштабированию до предпромышленного прототипа.
Контактные данные
1) Михаил Петров, к.ф.-м.н., заведующий Лаборатории ЭМХИТ РХТУ им. Д.И. Менделеева mikepetrovm@gmail.com, +79032301981
2) См. пункт 1
3) Конев Д. В., к.х.н., с.н.с. ИПХФ РАН
dkfrvzh@gmail.com
Локтионов П. А., аспирант ИПХФ РАН, ассистент НОЛ «ЭМХИТ» РХТУ
paul.loktionov@gmail.com
89636021529
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева применяет инновационную стратегию развития, участвуя в реализации цепочки: фундаментальная наука — прикладная наука — производство, что позволяет выявлять перспективные исследовательские направления для их поддержки на начальных стадиях инновационного цикла, а также на финишных, когда химическая технология (система, продукт) уже создана. Фундаментальные и прикладные исследования осуществляют более 40 выпускающих кафедр и 20 проблемных научно-исследовательских лабораторий. Производственную базу составляют 2 опытных производства, экспериментальный завод, Технопарк, Инновационно-технологический центр.
Университет располагает более чем 250 завершенными научными разработками, готовыми к внедрению.