Sodíkové baterie - konstrukce, princip činnosti a aplikace

V našich dřívějších článcích věnovaným akumulaci elektrické energie jsme Vám již představili základní typy využívaných baterií, průtokovou baterii a metal-air (kov-vzduchovou) baterii. Nyní si představíme další typ „velkoobjemové baterie“, a to sodíkovou baterii, jež se řadí mezi méně konvenční baterie.

 Tato technologie baterií má velký potenciál v uplatnění pro distribuční a přenosové služby, protože jejich vybíjecí křivka a čas jsou velice dlouhé a stabilní. Svoje uplatnění najdou také v podpoře při integraci výroby z variabliních obnovitelných zdrojů energie, jako jsou fotovoltaické a větrné elektrárny.

Základní konstrukce

Jsou známy dva typy sodíkových baterií – Sodium-sulfur (Nas) „Sodíkovo-sírová“ a Sodium-nickel-chloride „Sodíkovo-niklová“. Tyto baterie mají klasickou konstrukci jako každý jiný elektrochemický zdroj – kladnou elektrodu, zápornou elektrodu a elektrolyt. Zvláštností těchto baterií je na jedné straně jejich provozní teplota, která se pohybuje od 270 až do 350 °C, a na druhé straně fakt, že elektrody nejsou pevném, nýbrž v kapalném skupenství.

Sodium-sulfur baterie

Provozní teplota při nabíjení i vybíjení se pohybuje od 300 do 350 °C. Během vybíjení záporná sodíková elektroda oxiduje na oxid sodný a na rozhraní elektrody a elektrolytu se vytváří ionty Na+. Tyto ionty migrují přes pevný elektrolyt, jímž je beta-oxid hlinitý (β-Al2O3), a na kladné elektrodě probíhá redukce za vzniku sulfidu sodného (Na2S5). Proces nabíjení a vybíjení a s tím související chemické reakce jsou názorně zobrazeny na následujícím obrázku.

Sodíkové baterie používají nebezpečné látky včetně kovového sodíku, který je hořlavý, pokud by došlo k chemické reakci s  vodou. Proto se sodíkové baterie konstruují jako vzduchotěsné a dvoustěnné z nerezové oceli s uzávěry, které obsahují sériově paralelní pole NaS článků. Každý článek je hermeticky utěsněn a je obklopen pískem. Prvním důvodem použití písku je zafixování článku a druhým důvodem je zmírnění požáru v případě poruchy baterie.

NaS baterie mohou být instalovány na energetických zařízeních trafostanic a na výrobny elekřiny z obnovitelných zdrojů energie, kde jsou nabíjeny v době, kdy je výroba elektřiny vyšší než spotřeba (zpravidla mimo špičku), a uložená elektřina je následně spotřebována v době, kdy je okamžitá spotřeba vyšší než výroba. Bateriové moduly obsahují buňky, topné těleso, a suchý písek.

Pozitiva této baterie jsou její technické hodnoty. Hustota energie se pohybuje nyní sice jenom na 170 Wh/kg, ale teoreticky je možná hodnota až 792 Wh/kg, což je skoro dvojnásobná hodnota v porovnání Li-ion baterií, u které je teoretická hodnota 410 Wh/kg a dnešní vyráběné články mají hustotu 200 až  250 Wh/kg. Počet nabíjecích a vybíjecích cyklů baterie dosahuje 4 500. Životnost by se měla pohybovat kolem 15 let.

Japonské společnosti NGK insulator, Ltd. a Tokyo Electric Power Co. (TEPCO) v posledních 25 letech společně pracovaly na vývoji technologie baterií s názvem NAS. „NAS“ je registrovaná ochranná známka pro sodík-bateriový systém NGK, zatímco „NaS“ je obecný termín používaný k označení obsahu sodíku a síry na základě atomových symbolů těchto prvků („Na“ a „S“).

Standardní jednotky se obvykle obsahují pět 50 kW NAS modulů, které dále obsahují řídicí jednotku, ohřívač, regulátor topení, napětí a proudu a čidla měření. Při paralelním propojením standardních jednotek se vytvoří multi-megawatthodinové systémy.

Největší sodíková baterie, jež byla prozatím uvedena do provozu, má maximální výkon 4 MW a je schopna dodávat elektřinu po dobu 8 hodin, což nám dává velice slušnou kapacitu 32 MWh. Velikost akumulátoru je srovnatelná s velikostí malé výrobní haly. Tato baterie má i svou přezdívku BOB (big-old battery). BOB neslouží pouze jako záloha pro případ výpadku elektrické energie, ale také jako stabilizátor sítě, kdy plní funkci tzv. podpůrných služeb. Projekt BOB byl zahájen v roce 2010.

Sodík-nikl-chlorid baterie

Sodík-nikl-chlorid baterie je svojí konstrukcí podobná k sodík-sírové baterii. Při nabíjení baterie se sůl NaCl a nikl Ni přemění na nikl-chlorid NiCl2 a roztavený sodík Na. Chemické reakce jsou obrácené při vybíjení.

Elektrody jsou od sebe odděleny keramickou stěnou (elektrolytu), která je vodivá pro ionty sodíku Na+, ale zároveň izolátor pro elektrony. Z tohoto důvodu je chemická reakce v článku možná jen tehdy, když je vnější obvod spojen a umožňuje proud elektronů, který se rovná proudu iontů sodíku.

Porézní pevná látka NiCl2 je katoda a je impregnována v iontu sodíku vodivé soli NaAlCl4, který poskytuje vodivou cestu mezi vnitřní stěnou separátoru a reakční zóny. Články jsou hermeticky uzavřeny a zabaleny do modulů o kapacitě 20 kWh.

Požaduje se, aby vnitřní provozní teplota byla 270 až 350 ° C, aby se dosáhlo přijatelné odolnosti článků, a proto musí mít řízené tepelné mechanismy.

Hustota energie u této technologie baterie se pohybuje nyní okolo 115 Wh/kg a teoreticky dosažitelná  hodnota je odhadována 787 Wh/kg.

Zdroj úvodní fotografie: aainews.tumblr.com