Die Herausforderung der zukünftigen kommerziellen Energiespeicherung mit TETRA PureFlow hochreinem Zinkbromid
Von Archie Vest | Senior Director of Bromines, TETRA Chemicals North America | 4. Mai 2023
Netzgekoppelte Stromspeicherung
Die Stromspeicherung ist inzwischen weithin als wesentliche Voraussetzung für die zuverlässige Bereitstellung erneuerbarer Energien und letztlich für die wirtschaftliche Rentabilität aller netzgebundenen Solar- und Windkraftanlagen anerkannt. Diese Energiequellen sind von Natur aus intermittierend, da sie von Sonnenschein und Wind abhängig sind, und erfordern daher Speicherlösungen, um den Energiestrom zu "nivellieren" oder zu "glätten" und eine gleichmäßige Energielieferung über die Zeit zu gewährleisten.[1]
Die meisten Technologien zur Stromspeicherung im Netz sind entweder mechanisch, thermisch oder elektrochemisch. Mechanische Speicherlösungen dominieren die Infrastruktur und umfassen Schwungräder, Druckluftspeicher und Pumpspeicherkraftwerke, wobei die beiden letzteren am weitesten verbreitet sind.[2] Thermische Lösungen basieren in der Regel auf geschmolzenem Salz oder Wasser, wobei die gespeicherte Wärme oder Kälte zur Stromerzeugung in den Nebenzeiten genutzt wird. Zu den elektrochemischen Lösungen gehören Superkondensatoren und wiederaufladbare Batterien, die entweder Bleisäure, Lithium, Nickel, Natrium-Schwefel, Vanadium oder Zink verwenden.[3]
Lithium-Ionen-Batterien sind die bekanntesten wiederaufladbaren Speichermedien und haben die einst populäre Nickel-Cadmium-Variante weitgehend verdrängt. Sie werden heute in den meisten batteriebetriebenen Verbraucherprodukten verwendet, von Mobiltelefonen und Notebooks bis hin zu Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen. Lithium-Ionen-Batterien dominieren auch im Netzbereich und machten 2018 mehr als 90 % der batteriegestützten Netzspeichersysteme in den USA aus.[4]
Lithiumbatterien weisen jedoch erhebliche Nachteile für die Speicherung im Netz auf: Erstens sind sie derzeit nicht kosteneffizient für Dauerzyklen von mehr als drei Stunden[5]und zweitens bergen sie ein hohes Brandrisiko, das in einer großen, dichten Anlage katastrophale Folgen hätte.[6] Tatsächlich erfordern große Lithium-Ionen-Batterieanlagen in der Regel kostspielige Feuerlöschsysteme. Ein weiteres Problem für die Märkte in den USA und der EU ist die Versorgungssicherheit, da mehr als 90 % der weltweiten Produktion des Minerals in Argentinien, Australien, Chile und China stattfindet.[7]
Die Zinkbromid-Alternative für Stromspeicherbatterien
Für Anwendungen im Netzbereich sind Zink-Brom-Durchflussbatterien eine hervorragende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien für die Stromspeicherung. Die in den 1970er Jahren erfundenen Zink-Brom-Durchflussbatterien verwenden kostengünstige, leicht verfügbare Materialien, haben eine längere Lebensdauer, stellen ein geringes Brandrisiko dar, da die Elektrolyte nicht entflammbar sind, und bieten eine längere Zyklusdauer als ihr Lithium-Ionen-Gegenstück.
Tatsächlich wächst der Markt für Zink-Brom-Batterien mit der aktuellen Verbreitung von Wind- und Solarenergiespeichern schnell, wobei mehrere Unternehmen inzwischen kommerzielle Zink-Brom-Batterien entwickeln und einsetzen und einen langen Nachfragestau aufbauen.
Um den schnell wachsenden Bedarf an kommerzieller Energiespeicherung zu decken, hat TETRA Technologies mit TETRAPureFlow® hochreines Zinkbromid für den Einsatz in netzgekoppelten Speichersystemen und Solarstrombatteriespeichern entwickelt. TETRA ist nach eigenen Angaben der einzige Hersteller kommerzieller Mengen von Zinkbromid in den Vereinigten Staaten und stellt PureFlow-Zinkbromid in seinem Chemiewerk in West Memphis, Arkansas, nach einem geschützten Verfahren her.
Im Hinblick auf die Sicherheit der Ressourcenversorgung besitzt TETRA die Mineralrechte an umfangreichen Solepachtgebieten in Arkansas, die schätzungsweise 5,25 Millionen Tonnen Brom enthalten. Das Unternehmen führt derzeit eine detaillierte geologische, Lagerstätten- und Produktionssimulationsstudie durch, um die langfristige Versorgung mit Bromid zu ermitteln und sicherzustellen.
Die hochreinen Eigenschaften von PureFlow-Zinkbromid machen es ideal für groß angelegte, langlebige und leistungsstarke Batterietechnologien. Bislang wurde PureFlow-Zinkbromid von drei verschiedenen Herstellern von Zink-Brom-Batterien getestet und qualifiziert. Im Jahr 2021 schloss TETRA eine Vereinbarung mit Eos Energy Enterprises über die Zusammenarbeit und langfristige Lieferung von Zinkbromid zur Unterstützung der Produktion der innovativen wässrigen Zinkbatterie Znyth von Eos. Eos mit Sitz in Edison, New Jersey, ist ein führender Anbieter von sicheren, skalierbaren, effizienten und nachhaltigen zinkbasierten Langzeit-Energiespeichersystemen.
Die Wissenschaft der Zink-Brom-Batterie
Es gibt zwei Arten von Zink-Brom-Batterien: Durchfluss- und Nicht-Durchfluss-Batterien. Wie man vermuten könnte, wird der Inhalt der Durchflussbatterie umgewälzt, während der Inhalt der Nicht-Durchflussbatterie stationär ist. Beide verwenden jedoch Zinkbromid als Teil des Elektrolyts. Die Reinheit des Zinkbromids ist für die Leistung und die Lebensdauer der Batterie von entscheidender Bedeutung, und das hochreine Zinkbromid von TETRA PureFlow bietet eine der höchsten Reinheiten in der Branche.
Vereinfacht ausgedrückt, speichert eine Zink-Brom-Batterie im Ladezyklus elektrische Energie, indem sie Zink (Zn) auf eine leitfähige Anodenplatte - in der Regel Kohlenstoff oder Titan - aufbringt und dabei negativ geladene Bromidionen (Br¯) in Brom (Br2) umwandelt. Bei der Stromerzeugung im Entladezyklus wird der Prozess umgekehrt - das auf der Anode aufgebrachte Zink löst sich in der Elektrolytlösung auf und steht im nächsten Ladezyklus wieder für die Beschichtung zur Verfügung. Die Energiekapazität hängt von der Größe der Elektrolytreservoirs und der Anoden- und Kathodenelektroden ab.
Die Eleganz der Zink-Brom-Batterie liegt in der hohen Energiedichte, der langen Zyklusdauer, der langen Lebensdauer und der Wiederverwertbarkeit des Elektrolyten. Die Batterie kann eine hohe Anzahl von Zyklen mit geringem Abbau liefern, und wenn sie ausläuft, kann das Zinkbromid potenziell zurückgewonnen, erneuert und möglicherweise in einer anderen Batterie oder für andere Zwecke wiederverwendet werden, z. B. für Fertigstellungsflüssigkeiten in Öl- und Gasbohrungen. Mit anderen Worten: Zink-Brom-Batterien bieten das Potenzial für eine wirklich erneuerbare Energiequelle.
ABBILDUNG 1: Das Diagramm zeigt eine Zink-Brom-Durchflussbatterie, bei der Pumpen zur Umwälzung des wässrigen Zink-Bromid-Elektrolyts eingesetzt werden.
Prognostiziertes Wachstum für kommerzielle Energiespeicherbatterien
Während viele Prognosen für den stationären US-Energiespeichermarkt zwischen 25 % und 35 % durchschnittlicher jährlicher Wachstumsrate (CAGR) in den nächsten 10 bis 15 Jahren liegen - eine in jeder Hinsicht beachtliche Rate - ist die Energy Information Administration der US-Regierung sogar noch optimistischer und prognostiziert, dass die Nachfrage nach Batteriespeichern in den USA von 7,8 Gigawatt (GW) im Jahr 2022 auf 30 GW im Jahr 2025 ansteigen wird - das ist eine erstaunliche CAGR von 57 % innerhalb von drei Jahren.[8]
ABBILDUNG 2: US-Batteriespeicherkapazität in GW, 2015-2025, in Betrieb und geplant. QUELLE: EIA.
Die globale Prognose ist sogar noch größer. Im Oktober 2022 berichtete Bloomberg New Energy Finance (BNEF), dass "die Energiespeicherinstallationen weltweit bis Ende 2030 eine kumulative Leistung von 411 Gigawatt (oder 1.194 Gigawattstunden) erreichen werden", was einer 15-fachen Steigerung entspricht.[9] Das meiste Wachstum wird in den USA und China, den beiden größten Märkten, erwartet, aber die Energiespeicherung ist inzwischen auf allen Kontinenten ein wichtiges Infrastrukturprojekt.
Die globale Energiewende ist bereits in vollem Gange und beschleunigt sich rapide. Weltweit und in den USA werden immer mehr Wind- und Solarenergieanlagen installiert, und mit diesen Anlagen steigt auch der Bedarf an netzdienlichen Stromspeichern. Batteriespeichersysteme sind wohl die am besten skalierbare und anpassungsfähigste Stromspeichertechnologie für das Netz. Sie ermöglichen eine schnellere Bereitstellung und einen geringeren Platzbedarf als z. B. ein Pumpspeicherkraftwerk, das große Grundstücke und eine komplexere Konstruktion erfordert.
Unter den verschiedenen Batterietypen für die Stromspeicherung im Netz sind Zinkbromidbatterien eine der besten Batterien für die Speicherung von Solarstrom und für Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien. Und um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Batterien zu gewährleisten, ist der Reinheitsgrad von TETRA PureFlow® ultra-reinem Zinkbromid eine der besten Entscheidungen für Batteriehersteller.
Endnoten
- EIA, "US Battery Storage Capacity Will Increase Significant by 2025", 8. Dezember 2022.
- Shin-ichi Inage, "Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids", Internationale Energieagentur, 2009, S. 19.
- Es sei darauf hingewiesen, dass sich das Innovationstempo bei den Stromspeichertechnologien rapide beschleunigt, so dass diese Liste von Lösungen, einschließlich der Batterietypen, nicht vollständig ist.
- EIA, "Battery Storage in the United States: An Updte on Market Trends", Juli 2020. Siehe auch David Hart und Alfred Sarkissian, "Deployment of Grid-Scale Batteries in the United States", ein Bericht für das Office of Energy Policy and Systems Analysis, US Department of Energy, 2016, S. 2.
- Chris McKay, "How Three Battery Types Work in Grid-Scale Energy Storage Systems", Windpower Engineering & Development, 18. März 2019. Siehe auch The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2. Mai 2019.
- The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2. Mai 2019.
- Govind Bhutada, "Charted: Lithiumproduktion nach Ländern (1995-2020)", visualcapitalist.com, 9. Februar 2022.
- EIA, "U.S. Battery Storage Capacity Will Increase Significant by 2025", 8. Dezember 2022.
- Veronika Henze, "Global Energy Storage Market to Grow 15-Fold by 2030", BNEF, 12. Oktober 2022.
