Att möta utmaningen med framtida kommersiell energilagring med TETRA PureFlow ultrarent zinkbromid
By Archie Vest | Senior Director of Bromines, TETRA Chemicals North America | May 4th, 2023
Kraftlagring i nätskala
Energilagring är nu allmänt erkänt som avgörande för tillförlitlig leverans av förnybar energi och i slutändan för den kommersiella lönsamheten för alla sol- och vindkraftsanläggningar 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" kraftflödet och säkerställa en konsekvent energileverans över tid.[1]
För det mesta är energilagringstekniker i nätskala antingen mekaniska, termiska eller elektrokemiska. Mekaniska lagringslösningar dominerar infrastrukturen och inkluderar svänghjul, energilagring med tryckluft och pumpad vattenkraft, där de två senare är de mest utbredda.[2] Termiska lösningar är vanligtvis baserade på antingen smält salt eller vatten, och använder den lagrade värmen eller kylan för att generera kraft under off-cykler. Elektrokemiska lösningar omfattar superkondensatorer och uppladdningsbara batterier som använder antingen bly, litium, nickel, natrium-svavel, vanadin eller zink.[3]
Litiumjonbatterier är de mest kända 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. Litiumjonbatterier dominerar även i nätskala och stod 2018 för mer än 90 % av de batteribaserade lagringssystemen i nätskala i USA.[4]
Litiumbatterier har dock betydande nackdelar för lagring i nätskala: för det första är de för närvarande inte kostnadseffektiva för varaktighetscykler över tre timmar[5]; och för det andra utgör de en hög brandrisk, 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 den globala produktionen av mineralet sker i Argentina, Australien, Chile och Kina.[7]
Zinkbromid som alternativ till batterier för kraftlagring
Ett utmärkt alternativ till litiumjonbatterier för energilagring är flödesbatterier av zink-brom. Zink-brom-flödesbatterier uppfanns på 1970-talet och använder billiga, lättillgängliga material, har längre livslängd, utgör liten risk för brand eftersom elektrolyterna är icke brandfarliga och ger längre varaktighetscykler än deras litiumjonmotsvarighet.
Faktum är att marknaden för zink-brom-batterier växer snabbt med den nuvarande ökningen av lagringsanläggningar för vind- och solenergi, med flera företag som nu utvecklar och distribuerar kommersiella zink-brom-batterier och bygger upp långa eftersläpningar för efterfrågan.
För att stödja det snabbt växande behovet av kommersiell energilagring har TETRA Technologies banat väg för 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 en egenutvecklad process vid sin kemiska fabrik i West Memphis, Arkansas.
När det gäller säkerheten i resursförsörjningen har TETRA mineralrättigheterna till omfattande saltlösningar i Arkansas som uppskattas innehålla 5,25 miljoner ton brom. Bolaget slutför för närvarande en detaljerad geologisk, reservoar- och produktionssimuleringsstudie för att fastställa och säkerställa en långsiktig tillgång på bromid.
Den höga renheten hos PureFlow zinkbromid gör den idealisk för storskaliga, långlivade och högpresterande batteriteknologier. Hittills har PureFlow zinkbromid testats och kvalificerats av tre separata tillverkare av lagringsbatterier med zinkbrom. Under 2021 ingick TETRA ett avtal med Eos Energy Enterprises om samarbete och långsiktig leverans av zinkbromid för att stödja produktionen av Eos innovativa vattenbaserade zinkbatteri Znyth. Eos är baserat i Edison, New Jersey, och är en ledande leverantör av säkra, skalbara, effektiva och hållbara zinkbaserade energilagringssystem med lång varaktighet.
Vetenskapen bakom zink-brom-batteriet
Det finns två typer av zink-brom-batterier, flödesbatterier och icke-flödesbatterier. Som man kan förmoda cirkulerar innehållet i flödesbatteriet medan det i icke-flödestypen är stationärt. Båda använder dock zinkbromid som en del av elektrolyten. Zinkbromidens renhet är avgörande för prestanda och batteritid, och TETRA PureFlow ultrarena zinkbromid har bland de högsta renhetsgraderna i branschen.
Enkelt uttryckt lagrar ett zink-brombatteri elektrisk energi i laddningscykeln genom att zink (Zn) pläteras på en ledande anodplatta - typiskt kol eller titan - samtidigt som negativt laddade bromidjoner (Br¯) omvandlas till brom (Br2). När ström levereras i urladdningscykeln vänds processen - zink som pläterats på anoden löses upp i elektrolytlösningen, vilket gör den tillgänglig för plätering igen i nästa laddningscykel. Energikapaciteten beror på storleken på elektrolytbehållarna och anod- och katodelektroderna.
Det eleganta med zinkbrombatteriet är den höga energitätheten, de långvariga cyklerna, den långa livslängden och elektrolytens återvinningsbarhet. Batteriet kan klara ett stort antal cykler med liten nedbrytning, och när det är uttjänt kan zinkbromiden återvinnas, förnyas och eventuellt återanvändas i ett annat batteri eller för andra ändamål, t.ex. kompletteringsvätskor som används i olje- och gaskällor. Med andra ord har zinkbrombatterier potential att bli en verkligt förnybar energikälla.
FIGUR 1: Diagrammet visar ett zink-brom-flödesbatteri, som använder pumpar för att cirkulera den vattenhaltiga zink-bromidelektrolyten.
Beräknad tillväxt för batterier för kommersiell energilagring
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 tillväxttakt på alla sätt - är den amerikanska regeringens Energy Information Administration ännu mer optimistisk och förutspår att efterfrågan på amerikanska batterilager kommer att öka från 7,8 gigawatt (GW) 2022 till 30 GW 2025 - det är en häpnadsväckande CAGR på 57 % 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 "energilagringsinstallationer runt om i världen förväntas nå en kumulativ effekt på 411 gigawatt (eller 1 194 gigawattimmar) vid slutet av 2030", vilket innebär en 15-faldig ökning.[9] Den största delen av tillväxten förväntas i USA och Kina, de två största marknaderna, men energilagring är nu en viktig infrastruktursatsning på alla kontinenter.
Den globala energiomställningen har nu kommit en bra bit på väg och accelererar snabbt. Vind- och solenergianläggningar blir allt fler runt om i världen och i USA, och med dessa anläggningar följer behovet av kraftlagring i nätskala. Batterilagringssystem är utan tvekan den mest skalbara och anpassningsbara tekniken för energilagring i nätskala, vilket möjliggör snabbare utbyggnad och mindre ytor än till exempel ett pumpat vattenkraftssystem som kräver stora fastigheter och mer komplexa konstruktioner.
Av de olika batterityperna för kraftlagring i nätskala är zinkbromidbatterier ett av de bästa batterierna för lagring av solenergi och projekt för förnybar energi. För att säkerställa batteriernas långa livslängd och tillförlitlighet är TETRA PureFlow® ultrarena renhetsnivåer för zinkbromid ett av de bästa alternativen för batteritillverkare.
Slutnoter
- EIA, "US Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025", 8 december 2022.
- Shin-ichi Inage, "Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids", Internationella energiorganet, 2009, s. 19.
- Det bör noteras att innovationstakten inom energilagringsteknik ökar snabbt, så denna lista över lösningar, inklusive batterityper, är inte uttömmande.
- EIA, "Batterilagring i USA: 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 utarbetad för 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 mars 2019. Se även The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2 maj 2019.
- The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2 maj 2019.
- Govind Bhutada, "Kartlagt: Lithium Production by Country (1995-2020)", visualcapitalist.com, 9 februari 2022.
- EIA, "U.S. Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025", 8 december 2022.
- Veronika Henze, "Global Energy Storage Market to Grow 15-Fold by 2030", BNEF, 12 oktober 2022.
