Vanádium. Villáskulcstól az energiatárolóig
A földön az egyik legelterjedtebb kémiai elem, mégis alig ismerik. Mi is pontosan a vanádium, és miért válik olyan jelentőssé az energiaipar szempontjából?
A mindenki által ismert fémeket, mint az ezüst, az arany vagy az alumínium, könnyen be tudjuk azonosítani. A vanádium még nem igazán van köztudatban, hiszen nincs jelentős értéke és nem ismerhető fel azonnal, viszont rendkívül fontos az acéliparban és egyre inkább az energiaiparban is.
Az északi istenektől (Sefström és Berzelius) az acélig és az akkumulátorokig
Bár neve egzotikus képzeteket kelt (a szerelem északi istennőjéről, Vanadisról, azaz Freyáról/Friggről kapta a nevét, akitől a hét napja, a „péntek” is származik), a valóság ennél kicsit hétköznapibb. A vanádium (rendszáma: 23) valójában egy szürke, nagy mennyiségben előforduló elem, amely több mint 60 különböző ásványban található a világ minden kontinensén. A legfőbb elsődleges forrásokat Dél-Afrikában, Kínában és Brazíliában találjuk, de egyre több termelés indul az USA-ban, Kanadában és Ausztráliában is.
Főként acél megerősítésére használják a fémiparban. Leggyakrabban magas építmények vázszerkezetéhez, autó alvázhoz, hidakhoz használnak vanádiummal megerősített acélt. Ezeken felül számos más területen használják, ilyenek a nehézipari berendezések és eszközök. A vanádium szót gyakran a villáskulcsokon láthatjuk, ezzel jelezve a minőségét, továbbá orvosi eszközök, vasúti sínek, turbóhajtóművek és még sok egyéb termékek készülnek a felhasználásával. Kémiai szempontból az átmenetifémek közé tartozik, ami azt jelenti, hogy a vanádium közepesen jó elektromos vezető és sokkal kevésbé reaktív az alkáli fémeknél, mint pl. a lítium és a nátrium.
A vanádium érdekes történetét megismerve, térjünk át a számunkra és a jövő számára legfontosabb tulajdonságára, az akkumulátorok és az energiatárolás területén való felhasználására.
Miért alkalmas a vanádium energiatárolásra?
Mint tudjuk, az akkumulátor célja az elektromos energia tárolása (töltés) és leadása (kisütés). Hogyan valósul ez meg? Elektrokémiai reakció révén, amely során az elektronok oda-vissza haladnak az akkumulátor negatív oldaláról (anód) a pozitív oldalára (katód). A vanádium azért ideális, mivel egyszerű elektrolitban (vízzel hígított enyhe kénsavban) oldva négy stabil ionos állapota van, V2, V3 (anód, anolit) és V4, V5 (katód, katolit). Azaz a vanádium atomok különböző számú elektront tudnak megkötni.
A négy ionos állapot
Feltöltési és kisütési ciklus közben az elektronok egy teljesen visszafordítható és megismételhető reakció során szabadon mozognak az anolitból a katolitba. Ennek eredményeként az akkumulátor nem veszít kapacitásából, így szinte végtelenül ciklusozható, ami rendkívül magas áteresztőképességet tesz lehetővé (akkumulátoron keresztül ciklusozható teljes energiamennyiség).
Ciklusábra a vanádiumfolyadékos akkumulátor esetében.
Összehasonlítva más energiatárolókkal, szembetűnő a különbség. A legtöbb akkumulátor (beleértve a lítiumion, kobalt és nikkel) is különböző elemeket használ a pozitív és negatív oldalán. A vanádium adottságát kiaknázva olyan akkumulátort lehet létrehozni, amelyhez csak egyetlen kémiai elemre van szükség mind az anód, mind a katód elektrolit oldatokban. Tehát a vanádiumfolyadékos akkumulátor rendkívül tartós és jelentősen hosszabb élettartammal rendelkezik, mint más akkumulátorok.
A vanádium akkumulátor egyéb előnyei.
Széles körben elfogadott tény, hogy a fosszilisről megújuló energiaforrásokra való áttérés energia tárolást igényel, amire a vanádiumfolyadékos akkumulátor megoldást nyújthat. Ugyanakkor nem elhanyagolható a vanádium által kínált körforgásos gazdasági elv támogatása sem.
Körkörös gazdasági elv.
Elsődleges az akkumulátor újrahasznosíthatósága. A legújabb vizsgálatok kimutatták, hogy a felhasznált elektrolitban lévő vanádium 97%-a visszanyerhető, a vanádiumfolyadékos akkumulátor gyártásához használt más anyagok is teljesen újrahasznosíthatók. Gyakorlatilag nincs hulladék az élettartam végén. A vanádium elektrolittá való visszaalakítása mellett más célokra is fel lehet használni, ellenben a lítium akkumulátort sokkal nehezebb újrahasznosítani. (Az elektromos járművek 2040-ig várhatóan 235 000 tonna akkumulátor anyag-hulladékot termelnek.)
Másodszor, a vanádiumot bányászattal nyerik ki a földből, de másodlagos forrásként a meglévő termelési módszerek melléktermékeként is kinyerhető. Manapság sok vanádiumot nyernek vissza az acélgyártáshoz feldolgozott vas melléktermékeként. Másodlagos termékként visszanyerhető a pernyéből, kőolajmaradványokból, timföldes salakból és a nyersolaj-finomításban használt elhasznált katalizátorok újrahasznosításából is. A másodlagos gyártási módszerrel csökkenthetjük a földből kibányászott nyersanyagok mennyiségét, így hatékonyabban gazdálkodhatunk az erőforrásokkal.
A vanádium akkumulátor egyik nagy előnye a biztonságosság. Amikor elektrolittal keveredik (jelen esetben kb. 70% víz), a vanádiumfolyadékos akkumulátor egyáltalán nem tűzveszélyes! Ez teszi ideálissá a lakossági és hálózati felhasználású energiatárolók telepítésére, ahol a legfontosabb a biztonság. Ezt gyakran előírják a tervezési és engedélyezési hatóságok is. Ezen felül nincs szükség komoly hőmérséklet-szabályozó és tűzoltó rendszerek kiépítésére, a lítiumion akkuvall szemben. Egymásra és egymás mellé is telepíthetőek, maximalizálva a helykihasználtság fogalmát.
Vanádiumfolyadékos akkumulátor
Kulcs a jövő áramhálózatához
Világszerte gombamód növekszik a megújuló energiaforrások használatának száma (szél, nap és víz), ezzel egyenes arányosságban nő az igény a megbízható, rugalmas, időtálló energiatárolókra. Összhangban a Just Transition Alliance második alapelvével, ami kimondja: „Nincs ellentmondás a fenntartható fejlődés, az egészséges gazdaság és a tiszta, biztonságos környezet fenntartása között.„ fontos az imént említett három tulajdonság és a körforgásos gazdasági elvek betartása. E jellemzők teszik a vanádiumfolyadékos akkumulátort a legalkalmasabbá a világ energiatárolási igényeinek kiszolgálására, törekedve a nettó zérő kibocsátás elérésére. Mindez egy csodálatra méltó elemnek köszönhető - a vanádiumnak.
