Voolavad patareid: palun valage mulle elektronid!
Saksamaa Fraunhoferi instituudi teadlased teevad klassikaliste patareide asemel tõsist arendustööd elektriakude valdkonnas. Redox flow tehnoloogiaga on elektrienergia salvestamise protsess kardinaalselt erinev ...
Vedelana kütusena laetud akud valatakse bensiini- või diiselmootoriga autosse. See võib kõlada utoopiliselt, kuid Jens Noacki jaoks Saksamaal Pfinztalis asuvast Fraunhoferi instituudist on see tegelikult igapäevane elu. Alates 2007. aastast on arendusmeeskond, kus ta osaleb, täie hooga arendanud seda laetava aku eksootilist vormi. Tegelikult pole läbivoolu ehk nn läbivoolu redoksaku patarei idee keeruline ja esimene patent selles valdkonnas pärineb 1949. aastast. Mõlemad lahtrid, mis on eraldatud membraaniga (sarnaselt kütuseelementidele), on ühendatud reservuaariga, mis sisaldab spetsiifilist elektrolüüdi. Ainete kalduvuse tõttu omavahel keemiliselt reageerida liiguvad prootonid membraani kaudu ühelt elektrolüüdilt teisele ja elektronid suunatakse läbi kahe osaga ühendatud voolutarbija, mille tulemusel voolab elektrivool. Teatud aja möödudes tühjendatakse kaks paaki ja täidetakse värske elektrolüüdiga ning kasutatud taaskasutatakse laadimisjaamades.
Kuigi see kõik näeb hea välja, on seda tüüpi akude praktilisel kasutamisel autodes kahjuks veel palju takistusi. Vanaadium-elektrolüüdi redokspatarei energiatihedus jääb vahemikku vaid 30 Wh kilogrammi kohta, mis on ligikaudu sama, mis pliiaku omal. Moodsa 16 kWh liitiumioonakuga sama koguse energia salvestamiseks vajab aku redokstehnoloogia praegusel tasemel 500 liitrit elektrolüüti. Pluss muidugi kõik välisseadmed, mille maht on samuti üsna suur - ühe kilovatise võimsuse andmiseks vajalik puur nagu õllekast.
Sellised parameetrid ei sobi autodele, arvestades, et liitium-ioon aku salvestab neli korda rohkem energiat kilogrammi kohta. Jens Noack on aga optimistlik, sest arengud selles vallas alles algavad ja väljavaated on paljulubavad. Laboris saavutavad niinimetatud vanaadiumpolüsulfiidbromiidpatareid energiatiheduse 70 Wh kilogrammi kohta ja on suuruselt võrreldavad praegu Toyota Priuses kasutatavate nikkelmetallhüdriidpatareidega.
See vähendab tankide vajalikku mahtu pooleks. Tänu suhteliselt lihtsale ja odavale laadimissüsteemile (kaks pumpa pumpavad uut elektrolüüdi, kaks imevad kasutatud elektrolüüdi välja), saab süsteemi laadida kümne minutiga, et tagada 100 km kaugus. Isegi sellised kiirlaadimissüsteemid nagu Tesla Roadsteris, kestavad kuus korda kauem.
Antud juhul pole üllatav, et instituudi uurimistöö poole pöördusid paljud autotööstuse ettevõtted ning Baden-Württembergi osariik eraldas arendamiseks 1,5 miljonit eurot. Autotehnoloogia faasi jõudmine võtab aga veel aega. „Seda tüüpi akud võivad väga hästi töötada statsionaarsete elektrisüsteemidega ja me teeme juba Bundeswehri katsejaamu. Elektrisõidukite vallas on see tehnoloogia aga kasutuselevõtuks sobiv umbes kümne aasta pärast,” rääkis Noak.
Läbivoolu redokspatareide tootmiseks pole eksootilisi materjale vaja. Pole vaja kulukaid katalüsaatoreid nagu plaatina, mida kasutatakse kütuseelementides, ega polümeere, näiteks liitiumioonakusid. Laborisüsteemide kõrge hind, ulatudes 2000 euroni võimsuse kilovati kohta, tuleneb ainuüksi sellest, et need on ainulaadsed ja valmistatud käsitsi.
Vahepeal plaanivad instituudi spetsialistid rajada oma tuulepargi, kus toimub laadimisprotsess ehk elektrolüüdi utiliseerimine. Redoksvooluga on see protsess tõhusam kui vee elektrolüüsimine vesinikuks ja hapnikuks ning nende kasutamine kütuseelementides – kiirakud annavad 75 protsenti laadimiseks kuluvast elektrist.
Võime ette kujutada laadimisjaamu, mis koos elektrisõidukite tavapärase laadimisega toimivad puhvritena elektrisüsteemi tippkoormuse vastu. Näiteks tuleb paljud Põhja-Saksamaa tuulikud tuulest hoolimata välja lülitada, kuna need koormaksid muidu võrku üle.
Mis puutub turvalisusesse, siis pole ohtu. «Kui segate kokku kaks elektrolüüdi, tekib keemiline lühis, mis annab soojust ja temperatuur tõuseb 80 kraadini, kuid midagi muud ei juhtu. Muidugi pole vedelikud üksi ohutud, kuid mitte ka bensiin ja diisel. Vaatamata läbilaskvate redoksakude potentsiaalile on Fraunhoferi instituudi teadlased ka liitiumioonioonitehnoloogia arendamise nimel kõvasti tööd teinud ...
tekst: Aleksander Bloch
Redox-voolu aku
Redoksvooluaku on tegelikult tavalise aku ja kütuseelemendi ristand. Elekter voolab tänu kahe elektrolüüdi vastastikmõjule – üks on ühendatud raku positiivse poolusega ja teine negatiivsega. Sel juhul annab üks positiivselt laetud ioone (oksüdatsioon) ja teine võtab need vastu (redutseerimine), sellest ka seadme nimi. Teatud küllastustaseme saavutamisel reaktsioon peatub ja laadimine seisneb elektrolüütide asendamises värsketega. Töötajad taastatakse vastupidise protsessi abil.
