Princip chemické reakce reduce a oxidace párových molekul para-benzochinon/hydrochinon REDOX. (Kredit: Saraf Nawar a kol., Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1491)

Je obecně známo, že s tím, jak narůstá podíl obnovitelných zdrojů v energetickém mixu, narůstají i problémy s regulací sítě a po jejich zavedení do provozu je potřeba mít k dispozici zálohu v podobě plynových, uhelných nebo vodních elektráren, aby měl kdo zaskočit,  pokud ty alternativní, například kvůli bezvětří a zamračené obloze, vypadnou. Problém ale také nastává,  kam s elektřinou, když je jí více, než se spotřebovává. V praxi použitelný způsob akumulace její energie umožňují nejspíš jen  přečerpávací elektrárny. Perspektivním  řešením je také skladovat ji v bateriích. Jenže, to co vyhovuje mobilům, počítačům a elektromobilům již není pro spotřebitele, jakým je městská čtvrť. Bylo by to příliš drahé. Ledaže...

Průtokové  megabaterie

Zvětšit obrázek

Professor Michael J. Aziz testuje ne-metalovou baterii, kde elektrochemický proces uskladnění energie zprostředkovává levná organická uhlíkatá molekula (Kredit: Eliza Grinnell/SEAS Communications, HARVARD gazette.

Říkáse, že baterie „tečou“, asi  proto, že elektrická energie se při nabíjení mění v chemickou a ta je  vázána v elektrolytu uvnitř baterie.  Ty klasické to mají „vše v jednom“.  Kladná elektroda, záporná i elektrolyt jsou v jednom obalu.
Průtokové baterie jsou tak trochu jako palivové články. Na rozdíl od klasických akumulátorů není v nich energie uchovávána v samotných článcích baterie, ale je uložena pouze v elektrolytu. Přesněji ve dvou odlišných typech elektrolytu, které se vytvoří během nabíjení u kladné a záporné elektrody. Aby se vytvořené elektrolyty v článku nemísily, jsou elektrody odděleny speciální membránou. Kladná i záporná elektroda článku pracuje jen v tom roztoku elektrolytu, který se u dané elektrody vytvořil při nabíjení. Množství „nabitého“ elektrolytu není omezeno, jak jsme zvyklí, objemem článku.  Může ho být mnohem více a lze skladovat v oddělených zásobnících nádržích. Pokud chceme následně elektřinu odebírat,  stačí k elektrodám přivádět odpovídající typ „nabitého“ elektrolytu. Většinou se vtěchto bateriích využívá metalických iontů, hlavně na bázi vanadu. Představa mít v základně větrné elektrárny takovou baterii je lákavá, ale jen do doby, než začneme kalkulovat, kolik by to stálo.

Zvětšit obrázek

Schema procesu vybíjení (Kredit: SEAS)

Organická průtoková baterie
Výzkumníci z Harwardu přišli s  řešením, v němž místo anorganiky v elektrolytu, je organika - vsadili na molekuly zvané chinony.  Organické cyklické nenasycené šestiuhlíkové sloučeniny s dvěma oxoskupinami v poloze ortho či para, formálně odvozené od difenolů oxidací příslušných hydroxylových skupin.  Jsou levné a snadno dostupné. Tým z Harwardu vyzkoušel přes 10 000 různých chinonů, než vyselektoval ty nejperspektivnější  pro ukládání elektrické energie.  Zajímavostí je, že  chinony pro ukládání energie používají i živé organismy, jak rostliny, tak živočichové.

Zvětšit obrázek

Zařízení para-benzochinononovou kladnou elektrodou připravené do testu. (Kredit: Saraf Nawar a kol., Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1491)

Vítězem soutěže o nejlepší chinon pro použití v bateriích se stala sloučenina velmi podobná látce z obyčejné rebarbory.  Je rozpustná v kyselém vodném roztoku a má šanci se stát základem levných baterií. Výzkumný program pod vedením Michaela J. Azize financovala Agentura pro pokročilé výzkumy v oblasti energií (Advanced Research Projects Agency — Energy  ARPA-E) a podle jejího představitele Johna Lemmona představují výsledky nyní publikované v prestižním časopise Nature, zlom ve  skladování energie z obnovitelných zdrojů. Ještě ale zbývá dořešit jednu „maličkost“.  Tou je potřeba vylepšit počet možných nabití a vybití. Baterie bez znatelného poklesu kapacity zvládla sice několik stovek cyklů, pro praktické využití jich ale bude potřeba tisíce až deseti tisíce. Pokud se  i v tomto směru výzkumníkům zadaří,  vylepší se ekonomika mnoha provozů využívajících například větrníky.  Nicméně ani samotná cena baterie nebude to jediné, co o jejich rozšiřování rozhodne.  Zhoršovat ekonomiku bateriemi dovybavených výroben energie budou ztráty, ke kterým bude docházet při  nabíjení a posléze při její konverzi do rozvodné sítě. I kdyby se u těchto baterií podařilo vylepšit počet nabíjecích cyklů, najde uplatnění nejspíš jen tam, kde jiné zdroje nebudou k dispozici. Výroba elektřiny v atomkách, nebo plynových elektrárnách bude stále levnější.

 



Dodatek (12.1.2014)

Redakci ani autorovi se oslavný materiál, který dala k dispozici universita a vyšel prakticky v nezměněné formě na Physorgu, Physicworldu,... nespokojili. Vyhledali jsme starší články publikované kolektivem prof. Azize z Harwardu a spojili se s dalším skeptikem z Ústavu fyziky a materiálového inženýrství (UTB ve Zlíně). Pohled „fyziko-chemika“ podle nás stojí za připojení k článku a tímto tak činíme:

Nejspíš to vypadá, že v Azizově laborce proměřili jenom poločlánky, tj. jenom jednu polovinu a navíc jen anody all-quinone/hydroquinone flow batery. Tím se elegantně vyhli tomu že místo hydrochinonu mohli použít na druhé elektrodě vodík a článek jim hned dal max. napětí cca 0,7 V, oproti max. 0,3 V z all-quinone/hydroquinone. Prostě prakticky stejný chemismus nikdy nedá větší napětí. Aby chinon byl silnější oxidovadlo, byl v 1 N kyselině. Tím jim ale vznikl hydrochinon v kyselém prostředí, kde nepůjde rozumně zoxidovat (tj. zregenerovat); prostě vývojka v kyselém přerušovači. Zřejmě to nepůjde s rozumnými proudovými hustotami ani v kompromisním bohulibém neutrálním prostředí. Pro regeneraci budou tedy muset oddělit hydrochinon z kyseliny a aby potom byl schopný rozumné oxidace musí ho dát nejspíš do louhu. No a potom mají v jedné elektrodě louh a ve druhé kyselinu oddělené připusťme zázračnou membránou, která nedopustí neutralizaci dírkouči difuzí či převodem a tím, že z katody iontoměničem propouští jen H+ místo OH- zabrání následně svým velkým odporem ( v kyselině je málo OH-)odběru proudu a navíc se to posichruje stejným chováním anody kde levý iontoměnič by pustil jenom OH-, které však musí téct opačným směrem. Takže teď se to sice zlomyslně nezneutralizuje, avšak bohužel to ale nepustí proud, neboťpožadované nosiče v rozumné koncentraci na patřičné straně nejsou.

Dělit sůl zpět na kyselinu a louh je energeticky náročná a v podstatě zbytečná operace bohužel svázaná s malou reaktivitou chinon-hydrochinon v neutrálním prostředí.

Potenciálně all-quinone/hydroquinone při 1 M roztocích pak maximálně na 1 litr dá cca 0,3 V*2*96500J/(litr +litr) tj. cca. 0,057 MJ/l = cca 0,07 kWh / kg průměrného roztoku = cca 16 Wh/kg, tj. cca ½ či jen ¼ akumulace v klasice Pb aku.

Popravdě řečeno jim bledě závidím že mají čárku v Nature (a že vyzkoušeli přes 10000 různých chinonů jim snad už ani čtenáři Nature neuvěří). Možná něco modelovali, ale více než 100 modelů mi nedává smysl.

Obrázky v článku jsou tedy dobře, ale nebyla proměřená ani polovina f all-quinone/hydroquinone a nejspíš to nebylo ani rozumně regenerovatelné a akumulační potenciál je truchlivý nejspíš však ale méně než účinnost a výkon. Nějak se však živit musí a proto musí pořádně zakalit vodu.

Tak to vidí skeptický chemik, ale naděje umírá poslední. Možná by mohly fungovat systémy s bromovou katodou a železnatou, cínatou, chromnatou či titanitou elektrodou. To si možná schovávají do dalších kol a grantů.


Pro studenty ze Zlínské university redakce Osla ještě připojuje jednu větu, která nám z komunikace s panem Hrnčiříkem vyplynula: „Jako téma do diskuze a zkouškové otázky je to dobré.“

Zdroj:  Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)