Разработване на иновативни добавки към електролита, които да повишат енергийната ефективност на ванадиевите поточни батерии, предназначени за акумулиране на възобновяема енергия.
БЕНЕФИЦИЕНТ: Институт по електрохимия и енергийни системи „Академик Евгени Будевски“ – Българска академия на науките.
НАЧАЛО: 29.05.2024 г. КРАЙ: 30.05.2026 г.
Инвестиция по Националния план за възстановяване и устойчивост (ПВУ), Стълб „Иновативна България”, Компонент 2. „Научни изследвания и иновации”, C2I2: Повишаване на иновационния капацитет на Българската академия на науките (БАН) в сферата на зелените и цифровите технологии по процедура за подбор на предложения за изпълнение на инвестиции от крайни получатели BG-RRP-2.011 “Финансиране на научноизследователски проекти в областта на зелените и цифровите технологии”, финансирана по Стълб „Интелигентен, устойчив и приобщаващ растеж, включително икономическо сближаване, работни места, производителност, конкурентоспособност, научни изследвания, развитие и иновации, както и добре функциониращ вътрешен пазар със силни МСП“ на Механизма за възстановяване и устойчивост (МВУ) на ЕС, създаден с Регламент (ЕС) 2021/241.
Ванадиевите поточните презареждаеми батерии са обект на засилен интерес поради уникалните си предимства: висока мощностна и енергийна плътност, изключитетелна издръжливост при разряд-зарядни натоварвания, нетоксичен воден електролит, напълно рециклируема и беопасна, опростена конструкция с дълъг „календарен живот.“ Описаните характеристики позиционират ванадиевите поточни батерии, като изключително перспективна електрохимична система са съхранение на енергия от възобновяеми източници. Въпреки, упоменатите положителни аспекти на поточните батерии, те демонстрират ниска енергийна ефективност в системи за съхранение на енергия.Основната цел на проекта е разработването на иновативни добавки към електролита, който да повишат енергийната ефективност на ванадиевите поточни батерии, предназначени за акумулиране на възобновяема енергия.Процесите на разряд и заряд на католита, протичащи на положителния електрод, преминават през няколко елементарни етапа, като включват множество елементарни реакции с формиране междинни продукти. Значителен брой от елементарните реакции при заряда или разряда са свързани с процеси на протониране на междините продукти или обмяна на протони. Комплексността на тези процеси е един от факторите водещ до ниската енергийна ефективност на ванадиевите поточни батерии.За решаване на този водещ проблем, в проекта е предложен нов иновативен подход, чрез добавяне към електролита на ванадиевите поточни батерии на полимерни материали, имащи йоногенни C-O- функционални групи и азот съдържащи структури, както и протон проводящо свойство. Наличието, допълнителни С-О-Н функционални групи и азот съдържащи структури е възможно да улесни процесите на заряд и разряд, а от там да подобри и увеличи енергийна ефективност на ванадиевите поточни батерии.Изследователският подход за постигане на целите на проектно предложение е базиран на 2 етапа, всеки от които има няколко ключови стъпки за изучаване и оптимизация на ванадиевата поточна батерия. Първият включва създаването на балансиран електролитен „вътрешен стандарт“, интегриране на протон проводящи полимери в електролита и оценка на техните влияния върху електрохимичните реакции. Това изисква лабораторни тестове и разработване на алгоритми за симулиране на операционната среда на батерията. Вторият етап фокусира върху демонстриране на подобрения електролит в енергийна система с ванадиева поточна батерия 10 kW / 40 kWh. Това включва инсталиране и експлоатация на батерийната система, анализ на работните параметри, електрически характеристики и ефективност, както и оценка на влиянието на полимерите върху системата чрез сравнителен анализ преди и след тяхното добавяне. Проектът планира достигане на TRL7, чрез създаване и демонстриране в оперативна среда на прототип на подобрен електролит за ванадиеви поточни батерии, съдържащ полимерни материали, който би подобрил производителността на батериите в приложения за съхранение на енергия от възобновяеми източници.
Ефективната употреба на възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) в домакинства, транспорт и
промишленост е ключов приоритет в дългосрочната стратегия на Европейската Комисия „Fit for 55“. Тази стратегия се допълва от “The European Green Deal” за постигане на климатично неутрална европейска икономика до 2050 г., което изисква подходящ метод за съхранение на енергията, произведена от ВЕИ, и нейното последващо включване в интелигентни електрически мрежи. В този аспект, основната цел на плана „RePower EU“, е да ускори прехода към чиста енергия и да увеличи енергийната независимост на ЕС чрез различни мерки. Това включва увеличаване на производството и употребата на възобновяема енергия, подобряване на енергийната ефективност и диверсификация на енергийни доставки.
Енергийната пътна карта на ЕС, както и българските националните приоритети в енергетиката, подчертават необходимостта от децентрализирано съхранение на енергия в големи (МWh) и малки (kWh) батерийни централи (стопанства), за да се постигне интелигентно управление на електрическата мрежа. В периода 2030- 2050 г. се очаква мащабно разпространение на системите за съхранение и регенерация – от малки соларни панели или вятърни паркове в отдалечените селски райони, до големи слънчеви и/или вятърни ферми.
Батерийните централи трябва да поемат върхови пикови натоварвания, да изравняват пикове в мрежата, да осъществяват времево отместване на употребата на различни типове енергия, да интегрират енергия от възобновяеми източници, да регулират напрежението и честотата на електрическата мрежа. Батерийните системи трябва да могат да поемат силни натоварвания при разряд и заряд във времеви интервал от няколко секунди до няколко часа и да осъществяват от един-два до десетки цикъла на ден. Тъй като те постоянно оперират в силно динамични условия, на които един тип батерия не може да отговаря еднозначно, с помощта на моделиране се разработват интегрирани високоефективни хибридни решения чрез комбинация на различни типове батерийни системи и суперкондензатори, които компенсират резките дневни и/или сезонни флуктуации при генериране на енергия от ВЕИ
Успешно реализиране на предложния проект ще представлява значителен напредък в науката и
технологията в областта на устойчиво съхранение на възобновяема енергия в батерийни системи, както на национално, така и на международно ниво. Същевременно, предвижданите резултати имат потенциал да окажат значително влияние върху различни сектори – икономика, околната среда и общество. Проектът осигурява на Института по електрохимия и енергийни системи възможност да разшири своя изследователски обхват и да затвърди репутация си като лидер в областта на иновативните енергийни технологии.
Работният план на проекта е амбициозен и макар че основните изследователски задачи са предимно с фундаментален характер, тяхното решение касае директно разработване на нова генерация материали подобряващи ефективността и електричните характеристики на поточните батерии при службата им в системи за съхранение и отдаване на възобновяема енергия. Програмата за изпълнение включва 2 работни пакета за решаване на изследователските задачи и един работен пакет нямащ пряко отношение към научната работа.
Работният пакет 1 започва през месец 1 на проекта, включва няколко дейности и има продължителност 18 месеца, като е свързан с лабораторни изследвания и се фокусира върху определяне на типа и оптималните концентрации на протон проводящи полимерни добавки за анодното и катодното електролитно пространство във ванадиеви поточни батерии. Целта е да се подобрят електричните характеристики и да се удължи живота на батерията. Дейност 1.1 обхваща създаване на „вътрешен стандарт“ за електролита, базиран на съвременните изисквания за ванадиеви поточни батерии. В Дейност 1.2 се разработва методика за интегриране на протон проводящи полимери в електролита, като се изследват различни типове и тяхната съвместимост с електролита. Дейности 1.3 и 1.4 се фокусират върху изучаване на въздействието на полимерните вещества върху електрохимичните процеси в батерията и разработване на алгоритми за ускорено лабораторно тестване. Съществено е да се идентифицират най-добрите комбинации от параметри, които максимизират положителното въздействие на полимерните материали.
Работният пакет 2 започва през 7-ми месец от проекта, включва няколко дейности и продължава 18 месеца, и цели да демонстрира предимствата на електролита с добавка на протон проводящ полимер в 10 kW / 40 kWh ванадиева поточна батерия за съхранение на енергия, достигайки технологично ниво на готовност 7 (TRL7). В Дейност 2.1 се извършва инсталиране и пускане в експлоатация на батерията, включително свързването й към електрическата мрежа и фотоволтаични панели. Дейност 2.2 се фокусира върху определяне на оптимални работни характеристики на батерийната система чрез тестове в различни режими и натоварвания. В рамките на Дейност 2.3 се демонстрира ефектът на добавените протон проводящи полимери върху електрическите характеристики на батерията. Също така се извършва сравнителен анализ на резултатите от различни електрохимични и аналитични методи за анализ. Работният пакет 3 започва от началото на проекта и обхваща цялата му продължителност, свързан е с информиране на научната общност и гражданите за ползите от проекта, както и с организация на неговото административно и счетоводно управление. Дейност 3.1 включва разпространение на знания и информация чрез уеб-сайт, семинари, образователни материали и участие в научни форуми. Дейност 3.2 обхваща създаване на структура за управление на проекта, неговото цялостно администриране, финансово изпълнение и мерки за намаляване на риска.
