עלייתו של זינקי-אוויר בטריחות במערכות אנרגיה בלתי ניתנות להתחדשות

עלייתו של זינוק-אוויר בטריחות של מערכות אנרגיה בלתי ניתנות להתחדשות

מערכות אנרגיה מתחדשות מחוץ ל-grid - לוחות חוצות על תאות מרוחקות, טורבינות רוח המעצמה כפריים, מיקרוגרואידים באזורים מתפתחים - תלוי רכיב קריטי אחד: אחסון אנרגיה במשך עשרות שנים, סוללות מובילות ומכסה-יון-יון נשלטות על החלל הזה, אבל מפגין עומסי טמפרטורה מרגיעים יותר של סוללות ספורטיביות ופרויקטים של אחסון אוויריים, שפעם סייעו לשימועים ואלקטרוניקה קטנים, הם נמצאים בטמפרטורות גבוהות מאוד, וגמישות לטווח הארוך, שם, נמצאים בטמפרטורות גבוהות יותר של חומר נפץ, וסוללות אבטחה, וסוללות אבטחה גבוהות יותר.

מה הם סוללות Znc-Air?

סוללות Zinc-air הן סוג של תא אלקטרוכימי מתכת-אווירי במקום אחסון שני חומרים פעילים בתוך התא, הם משתמשים חמצן מהאוויר המתפתל כקטודה כמעט בלתי מוגבלת.ה aode הוא אבץ מתכתי, בדרך כלל בצורת פס ⁇ , גיליון, או אבקה. במהלך פריקה, חמצון אבץ כדי ליצור תחמוצת אבץ, בעוד חמצן מן האוויר מופחתת בדרך כלל פתרון אלקטרו-קודסמין (de) הוא אלקטרו-דלקתי (de) הוא בדרך כלל מקל על ידי אלקטרו-דלקת האשלגן).

התגובה הכוללת היא פשוטה: 2Zn + O2 , 2ZnO. פשטות זו מניבה צפיפות אנרגיה נפחית תיאורטית של כ 6100 Wh / L - פעמים גבוהות יותר מאשר ליתיום-יון של 700 Wh / L ו סביב סדר גודל מעל מכשירים מעשיים עדיין להשיג דמויות מרשימות, לעתים קרובות 350-500 Wh / ק"ג, מה שהופך אותם אחד הכישר אנרגיה זמין עבור יישומים מובילים.

חשוב לציין, סוללות אבץ-אוויר הן ראשוניות (לא-טענות) בפורמט הקלאסי שלהם, המשמשות במשך עשרות שנים בסיוע שמיעה, אותות רכבת, ו- buoys ניווט. עם זאת, פריצות דרך האחרונות בתאי אבץ-אוויר חד-ירים בתשלום מבחינה חשמלית - תוך שימוש באלקטרודות דו-תפקודיות מתקדמות אלקטרוליטים מתקדמים - פותחים את הדלת למחזור עמוק, רב-שעה רב-צדדית והתפתחויות אלה הם מה שהופך אותם לאינטגרציה אנרגטית אטרקטיבית לאינטגרציה.

יתרונות במערכות Off-Grid

הכחדת אנרגיה גבוהה וטביעת רגל

מתקנים מחוץ לגיאריד חייבים לעתים קרובות להתאים למתחים קטנים או טביעות רגל קיימות. A 100 קילוואטה אבץ-אוויר בנק סוללות יכול לכבוש חצי החלל הפיזי של מערכת ליתיום שווה ערך, וגבר אחד זה של מגדלי מוביל-מצוץ.עבור מגדלי טלקום מרוחקים, תחנות מזג אוויר, או מקלטי אסון, משקל זה וחיסכון סימולטורים תחבורה ומתקנים.

חומרים אבונדנטיים ונמוכים

Zinc הוא האלמנט ה -24 בשפע ביותר בקרום כדור הארץ, עם עתודות גלובליות מעל 200 מיליון טון. זה מוטבע ומעודן בשבריר של עלות ליתיום, קובלט, או ניקל. סוללה טיפוסית של אבץ-אוויר מכילה לא אדמה או מינרלים נדירים, וייצורו אינו דורש חדרים יבשים עמידים באנרגיה הדרושים לתאים ליתיום.

בטיחות פנימית והתאמה סביבתית

תאי Zinc-air פועלים בלחץ ממריץ ומכילים אלקטרוליט אלקטרוליטה המבוססת על מים.הם לא סובלים מפלט תרמי, אינם פולטים גזים דליקים בשימוש רגיל, והם לגמרי לא רעילים לאחר השחרור - תחמוצת אבץ מובזבזת יכולה להיות ממוחזרת לאבץ חדש או לשמש פיגמנט.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

מכיוון שהחמצן מגיב אינו מאוחסן בתוך התא עד שהכרטיסיה הוסרה, סוללות אבץ-אוויר יש שיעורי טעינה עצמית נמוכים מאוד - לעתים פחות מ 2 אחוזים בשנה כאשר היא סגורה.זה הופך אותם אידיאליים עבור מערכות כוח גיבוי שעשויות לשבת idle במשך חודשים לפני שנקרא.עיצובים מודרניים לטעון מחדש משלבים קווי אלקטרודה אוויריים כדי למנוע חמצן בתקיפות במהלך עמידה, להאריך את החיים.

אתגרים וחידושים אחרונים

אחריות ומחזור החיים

המכשול ההיסטורי הגדול ביותר היה הניתוק המוגבל של אלקטרודה האווירית. במהלך הטעינה, חמצן מתפתח ממחזורי תחמוצת אבץ, ואת ה-Khode מבוסס פחמן עקב קורוזיה פחמן.תאים בעלי מטען מוקדם יכולים לנהל רק כמה מאות מחזורים - חסר ערך לאחסון סולארי של 5,000 מזהמים.

ניהול אוויר ופחמן די תחמוצת הפחמן S רגישות

אוויר אמבינטי מכיל CO2, אשר מגיב עם אלקטרוליט אלקליין כדי ליצור precipitate פחמן כי clog האוויר אלקטרודה. תאים מודרניים לשלב CO2 sbbers או membranes סלקטיבית כדי לשמור על ביצועים. ⁇ :0A 2022 נייר ב Nature CommunicationsFLT:1 הראה כי מסנן פשוט ארוז באמצעות פחמן חד תחמוצת סידן יכול להפחית CO2 על ידי 99.5 שנים כדי להרחיב את החיים שלנו.

הגבלת הכח

תאי Zinc-air בדרך כלל מספקים תנודות נוכחיות בינוניות - סביב 50-100 mA / ס"מ2 - ההשוואה ל- Lithium-ion של 1-5 A/2. עבור יישומים מחוץ ל- 50-100 מ"מ / 100 mA / ס"מ הדורשים רק כוח קבוע, נמוך ל-medium (כגון תאורה, ציוד תקשורת, או משאבת מים), זה לא הגבלה.עבור מערכות צורך התפרצויות של כוח גבוה (למשל, כלומר, החל מחשמל חשמלי גדול, החל מ-מחץ חשמלי, או תצורה של 200 אינץ '.

יישומים במערכות אנרגיה מתחדשת

קהילות מרוחקות

בדרום מזרח אסיה, מערכות בית שמש עם אחסון אבץ-אוויר מקלקלות מנורות אקרוזנה ו גנרטורים דיזל. חברות כמו Zambia's FLT:0Standard EnergyFLT:1 ( 1) פורסו 5-20 סוללות ליבבאץ-אוויר hydrated עם 2-5 קילוואט מערכי שמש בכפרים מחוץ ל-grid.

Wind-Solar Microgrids בסביבה של האי

איים עומדים בפני עלויות חשמל גבוהות ושיבושים תכופים ממזג אוויר קיצוני.פרויקט באי אייג בסקוטלנד משתמש בסוללה של 100 קילו-אוויר כדי לדקור מיקרוגרידי רוח של 50 קילו-וואטסוואטס.המערכת סופגת דור עודף במהלך רוח גבוהה ופריאות במהלך תקופות רגועות.ה סובלנות של סוללות אבץ-אוויר לפריטבייט עבור פערים עמוקים של Do0% D ללא נזק) מצמצם את היכולת הנדרשת בהשוואה לעופרת-חיים ארוכים, וקטן, לאורך זמן רב (בחיים ארוכים (בחיים) לאורך זמן קצר (בטווח הארוך).

גיבוי כוח לתשתית קריטית

מגדלי תקשורת באזורים מרוחקים לעתים קרובות להסתמך על גנרטורים דיזל בשל כוח רשת לא אמין. סוללות Zinc-air לספק גיבוי נקי, שקט שיכול להפעיל עומס מגדל 5 קילוואט עבור 48-72 שעות על מטען יחיד.חברה מבוססת ארה"ב (FLT:0Eos Energy EnterprisesFLT:1 שווקים מוצר מטבולי מודולרי (Eos Znyth) עבור יישומים כאלה, 20 שנים טוען כי יש ביצועים מינימליים של אלסקה ו-C סטנדרטית עם בדיקות קבוע.

מערכות חקלאות וחקלאות

משאבות מים המופעלות על ידי השמש דורשות פעילות אמינה בשעות היום, אך החקלאים לעתים קרובות זקוקים לשקיה נוספת בערב. סוללות זינקי-אוויר יכולות לאחסן אנרגיה סולארית במהלך היום ולשחרר אותה כדי להפעיל משאבות לאחר השקיעה. כי הסוללה יכולה להיות קרובה יותר לביקוש האנרגיה היומית ולא לעוצמה שיא, העלות הכוללת של המערכת יכולה להיות 30-40 אחוזים נמוך בהשוואה לליתיום עבור אותה יישום.

ניתוח השוואתי: Zinc-Air vs. Lithium-Ion vs. Lead-Acid

Parameter	Zinc-Air (Rechargeable)	Lithium-Ion (LFP)	Lead-Acid (AGM)
Energy density (Wh/kg)	350–500	120–160	30–50
Cycle life (80 % DoD)	5,000–10,000+	3,000–6,000	500–1,000
Round-trip efficiency	65–75 %	92–96 %	80–85 %
Safety	Non-flammable, non-toxic	Thermal runaway possible	Acid spill, hydrogen gas
Upfront cost ($/kWh)	100–150	250–400	150–250
Lifespan (years)	15–20	10–15	3–5
Recyclability	100 % (zinc recyclable)	Partial (lithium recovery costly)	High (lead recycling mature)

המסחר-off ברור: אבץ-אוויר מספק יעילות נמוכה יותר ודורש ניהול אוויר זהיר יותר, אבל הוא מצטיין בעלות לכל מחזור, בטיחות וטביעת רגל סביבתית. עבור יישומים מחוץ לריד שבו יעילות האנרגיה היא פחות קריטית מאשר עלות הכוללת של בעלות, אבץ-אוויר זוכה יותר ויותר להשוואה הכלכלית.

נתיבי מחקר ופיתוח

הנדסה אלקטרוליטטית

תחום משמעותי של התקדמות הוא התפתחות של אלקטרוליטים שאינם אלקליין, כגון מערכות נייטרליות-pH או מערכות פרוספקטיות, המדכאות את הצמיחה הדנדטקס ואת היווצרות פחמן. מחקר 2023 מ-MIT הראה אלקטרוליט היברידי אלקטרוליט היברידית המכילה את החיים ליותר מ -20,000 מחזורים בתא מעבדה.

אלקטרודות אוויר מתקדמות

זרזים פונקציונליים נשארים נושא חם.עבודה חדשה זיהתה תחמוצות perovskite (למשל, La0.6Sr0.4CoO3) כי קטליטוזה הן הפחתה חמצן והן אבולוציה חמצן עם ירידה מינימלית. ייצור אדקטיבית (3D מודפס אלקטרודות ⁇ ) נחקר גם כדי להתאים את פני גז גז גז ומשטח תגובה, פוטנציאל הרמת צפיפות כוח מתמשך מעל 500 / ק"ג.

המונחים: Hybrid Flow Configurations

כמה מפתחים הם מיזוג אבץ-אוויר עם עקרונות זרימה: אבץ מומס בתוך מיכל אלקטרוליטה ומשאב באמצעות ערימה התא, בעוד האוויר מסופק במקביל.אדריכלות "זנק-אוויר-אוויר" זו מתמוססת יכולת אנרגיה (גודל טיטנק) מעוצמה (גודל ה-STack), מה שהופך אותו גמיש עבור מתקנים רב-MW.

מחקרים ב-Desert

Znc-Air Microgrid בצפון קניה

בשנת 2022, דו"ח של 0FLT:0.04 מכוסה FLT:1 ; השמש 50 קילוואט בתוספת 200 קילו-אוויר סוללה מותקן בכפר לודוואר, קניה.המערכת מספקת מרפאה, בית הספר ו -100 משקי בית.לאחר 18 חודשים של פעולה, הסוללה איבדה פחות מ -5 אחוזים של יכולת ראשונית, והעלות הכוללת של וואט"ו"ם נמסרה 0.118 - בין $ ל £50 עבור עובדי ה-5,000 עבור ה-הקהילייתרון הבריאות הקודמת.

טייס משרד ההגנה האמריקני בפורט בראג

חיל ההנדסה של צבא ארה"ב התקין סוללה של 500 קילו-אוויר כחלק ממיקרו-ריד, המעצמה את סימולציה הבסיס התפעולית קדימה.המערכת שרדה שלוש שנים של אופניים עמוקים מדי יום עם תחזוקה אפסית.הצבא ציין כי אי-האסון של הסוללה ביטל את הצורך במערכות מדכאות אש, ובכך הצילה כ-50,000 דולר בעלויות עזר.

השלכות כלכליות וסביבתיות

עלויות אחסון (LCOS)

חישובים של ⁇ FLT:0 [2023] העלות של ניתוח אחסון סיגנל 1 מראה מערכות אבץ-אוויר להשגת LCOS של $ 008-0.12 /kWh עבור 4-8 שעות משך זמן פריקה, תחת ניכוי ליתיום-ון (0.15-0.20) בתשלומים גבוהים, זמן רב, יישומים לטווח ארוך צפויים לייצר רחב ככל שעולה בקנה מידה ועלויות זרז.

כלכלה מעגלית וסוף החיים

בניגוד סוללות ליתיום-יון, הדורשות תהליכי מחזור מורכבים, לעתים קרובות בלתי כלכליים, תאים בעלי אבץ-אוויריים מוחזרים באמצעות תשתית מחסימת אבץ הקיימת.המדן האבץ מופחת בחזרה למתכת באמצעות 70% פחות אנרגיה מאשר ייצור אבץ ראשוני.האלקטרוליט (חומצה hydrum hydrated) ניתן להשתמש או ניטרלי בבטחה.

תחזית השוק והעתיד

שוק סוללות אבץ-אוויר הגלובלי היה מוערך בכ-1.2 מיליארד דולר ב-2023 והוא צפוי לגדול בשיעור שנתי מורכב של 18% עד 2030, על פי FLT:0Marketsand MarketsofFLT:1 .הרבה מהצמיחה הזו מונעת על ידי אחסון אנרגיה יציבה עבור מפעלים מתחדשים, ואחריו שחקנים ימיים וטלקומוניקציה.

פערים טכניים נשארים. פער היעילות הטבוע (65-75 אחוזים לעומת ליתיום 95 אחוזים) פירושו אבץ-אוויר אינו מתאים ליישומים שבהם יש לדחוס כל וואט-שעה, אך עבור מערכות מחוץ לגיאום, עלות ההון הנמוכה ויתרונות הבטיחות לעתים קרובות עולים על הפסדים יעילות.כפי שאלקטרודות מתקדמות דו-תפקודיות וניהול אוויר הופך זול, מצב רוח אבץ יכול להפוך לאר עבור כימיה מרחוק מתקנים סולאריים ומתקנים סולאריים מאוחרים בסוף 2020.

אפשרויות פוטנציאליות

תאים חד-ארציים של אבץ-אוויר, כיום בשלבים טרום-פרופור, יכולים לחסל את אלקטרוליטטה הנוזלית לחלוטין, להגביר את צפיפות האנרגיה ל-800 Wh / ק"ג ומאפשרת הפעלה בהצטננות קיצונית.בינתיים, סוללות גמישות-אוויר אבץ-סרט מפותחות עבור אלקטרוניקה לבישה וחיישנים IoT, אשר עשוי להאיץ את הפחתת עלויות הייצור כיעילות מערכות הפעלה גדולות יותר.

מסקנה

סוללות זינוק-אוויר כבר אינן סקרנות נישה; הן פתרון אחסון אנרגיה מעשי, עלות-תועלת במערכות אנרגיה מתחדשות מופרכות-עלות-ידי דחיסות האנרגיה הגבוהה שלהן, עלות חומרית נמוכה, בטיחות פנימית, וחיי מדף ארוכים מטפלות ברבות נקודות הכאב העומדות בפני מתקנים מרוחקים, בעוד אתגרים סביב אחריות וניהול אווירי מתמשך, התקדמות מהירה במדע ובמערכת הנדסה היא סגירת הפערים היקרים ביותר באפריקה, במיוחד, כלומר, לחץ כבד מדי, לחץ-אווירי, כאשר כל אחד יכול להוכיח את ההשפעה הכבדה של יציבות גבוהה מדי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לחץ-אווירית, במיוחד, כלומר, כלומר, כאשר כל אחד, כלומר, לחץ-על-על-על-על-על-על-טבעית-טבעית-טבעית-טבעית-על-על-על-טבעית-על-טבעית-ידי מערכת-טבעית, כאשר יש השפעה כבדה מדי, עם עלויות-טבעית, עם עלויות-טבעית, כאשר יש צורך, עם עלויות מוצקהטווח-טבעית, עם עלויות גבוהות מדי, כאשר יש צורך, לחץ-טבעית, כאשר יש השפעה, עלות גבוהה מדי, עלות, כאשר יש צורך, לחץ-טבעיות גבוהה מדי, כאשר יש