Czy to będzie przełom w magazynowaniu energii?
Andreas Scheunert / Fraunhofer IISBW świecie technologii magazynowania energii przez lata dominowały akumulatory litowo-jonowe. Naukowcy i inżynierowie pracują jednak nad bezlitowymi rozwiązaniami bateryjnymi. Być może przyszłość w tym obszarze będzie należała do systemów akumulatorowych, które będą wykorzystywać jony glinu. Z sukcesem prace nad takimi bateriami zakończyły się w instytucie Fraunhofera IISB.
Akumulatory dwujonowe glinowo-grafitowe, określane skrótem AGDIB (Aluminum-Graphite Dual-Ion Battery), to odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie na alternatywne technologie magazynowania energii. Lit, mimo swojej dominacji, niesie ze sobą szereg problemów: ograniczona dostępność, wysoka cena, kwestie bezpieczeństwa i trudności z recyklingiem. Aluminium i grafit, stanowiące rdzeń nowej technologii, są materiałami tanimi, powszechnie dostępnymi i znacznie łatwiejszymi do przetworzenia. Co ważne, nie jest to kolejny prototyp laboratoryjny – ale działający produkt testowy, który może zmienić sposób, w jaki myślimy o stabilizacji sieci energetycznych.
Najważniejszą zaletą akumulatorów AGDIB nie jest jednak ich pojemność – w tym parametrze ustępują litowym odpowiednikom – ale ich niezwykła właściwość. Technologia ta umożliwia bardzo szybkie ładowanie i rozładowanie, co czyni ją idealną do zastosowań, gdzie liczy się dynamika, a nie długotrwałe magazynowanie energii.
Energia odnawialna – wiatrowa i słoneczna – ma jedną fundamentalną wadę: jej produkcja jest zmienna i nieprzewidywalna. Gdy miliony paneli fotowoltaicznych przestają generować energię po zachodzie słońca, a jednocześnie wzrasta wieczorne zapotrzebowanie na prąd, sieci energetyczne doświadczają gwałtownych wahań częstotliwości. To zagrożenie dla stabilności całego systemu elektroenergetycznego.
Tradycyjne rozwiązania oparte na akumulatorach litowych radzą sobie z magazynowaniem energii przez dłuższe okresy, ale w dynamicznej stabilizacji sieci – gdzie potrzebne są tysiące bardzo szybkich mikrocykli ładowania i rozładowania – ich żywotność drastycznie spada. Tu wkraczają akumulatory AGDIB.
System oparty na jonach glinu może być ładowany i rozładowywany z ogromną prędkością bez degradacji ogniw. Wielokrotne mikrocykle o niskiej energii, ale wysokiej mocy, to dokładnie to, w czym akumulatory AGDIB się specjalizują. W praktyce oznacza to, że taki akumulator może w ciągu sekund absorbować nadmiar energii z sieci lub natychmiast ją dostarczyć, równoważąc wahania i zapewniając stabilną częstotliwość.
Od laboratorium do rzeczywistości – demonstrator systemu INNOBATT
Wiele przełomowych technologii akumulatorowych kończy swoje życie jako fascynujące ogniwa testowe w laboratoriach. Skok od jednostkowego ogniwa do działającego systemu to ogromne wyzwanie technologiczne, którego wiele obiecujących projektów nigdy nie pokonuje. Dlatego demonstrator stworzony w ramach projektu INNOBATT może oznaczać prawdziwą rewolucję.
System łączy osiem ogniw typu pouch AGDIB w funkcjonalny moduł akumulatorowy skonfigurowany jako 4s2p (cztery ogniwa szeregowo, dwie równolegle), zarządzany przez zaawansowany bezprzewodowy system BMS (Battery Management System). To nie tylko połączenie ogniw – to inteligentny system zdolny do monitorowania stanu każdego elementu, zarządzania ładowaniem i rozładowaniem oraz komunikowania się z zewnętrznymi systemami sterowania.
W sercu demonstratora znajduje się otwarta platforma foxBMS® opracowana przez Fraunhofer IISB, zapewniająca bezpieczną komunikację radiową między poszczególnymi elementami. System wyposażono w czujnik kwantowy oparty na centrach NV (nitrogen-vacancy) w diamencie – technologię pozwalającą na pomiar prądów z niespotykaną dotąd rozdzielczością obejmującą aż pięć rzędów wielkości. W praktyce oznacza to zdolność do precyzyjnego pomiaru zarówno mikroamperów, jak i setek amperów w tym samym urządzeniu.
Testy w warunkach zbliżonych do rzeczywistych
Demonstrator przeszedł już szereg wymagających testów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. System wykazał stabilną wydajność przy dynamicznych obciążeniach prądowych przez długie okresy – co dla większości technologii akumulatorowych byłby niszczycielski.
Co to oznacza w praktyce? Akumulator mógłby być ładowany lub rozładowywany wielokrotnie, bez utraty wydajności. Przy wysokich prędkościach ładowania i rozładowania większość konwencjonalnych technologii szybko ulega degradacji, grzeje się lub zmniejsza się ich pojemność.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
AGDIB radzi sobie z tymi warunkami bez problemu. Co więcej, technologia umożliwia nie tylko bardzo wysokie prędkości rozładowania – co jest typowe dla akumulatorów o dużej mocy – ale również ekstremalnie szybkie ładowanie. To kluczowa różnica wobec wielu innych systemów, która czyni AGDIB wyjątkowo przydatnym w aplikacjach sieciowych wymagających dwukierunkowych transferów energii.
Projektowanie z myślą o recyklingu
Jednym z często pomijanych aspektów nowych technologii akumulatorowych jest ich końcowy etap życia. Akumulatory litowo-jonowe, mimo swojej powszechności, stanowią poważny problem ekologiczny – recykling jest skomplikowany, energochłonny i często wymaga stosowania toksycznych chemikaliów.
Projekt INNOBATT od samego początku był realizowany z myślą o zamkniętym obiegu materiałowym. Możliwość recyklingu ogniw została oceniona poprzez fizyczny proces separacji, który eliminuje potrzebę stosowania agresywnych substancji chemicznych. Aluminium i grafit można stosunkowo łatwo odzyskać i ponownie wykorzystać, co drastycznie redukuje ślad ekologiczny całej technologii.
Co więcej, konstrukcja modułów została zaprojektowana zgodnie ze strategią "design for recycling" – projektowania z myślą o demontażu i odzysku materiałów. System nie tylko spełnia obecne wymogi regulacyjne Unii Europejskiej dotyczące wydajności recyklingu baterii, ale przewyższa je, wyznaczając nowy standard dla zrównoważonych technologii magazynowania energii.
Testowa wersja baterii dowodzi, że technologia AGDIB wyszła z laboratorium i jest gotowa na skalowanie. Udana produkcja ogniw, ich integracja w moduły i stabilna praca w realistycznych warunkach potwierdzają dojrzałość koncepcji.
Czy akumulatory aluminiowo-grafitowe zastąpią litowe w smartfonach czy samochodach elektrycznych? Prawdopodobnie nie – ich gęstość energii nie pozwala na to. Ale w zastosowaniach, gdzie kluczowa jest moc, szybkość reakcji i odporność na ekstremalne cykle – dynamiczna stabilizacja sieci, zasilanie awaryjne, magazynowanie energii odnawialnej – AGDIB może stać się technologią przyszłości.
źródło: Fraunhofer IISB
