По прогнозу Международного энергетического агентства (IEA), к 2030 году доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировой энергетике увеличится на 10% и составит 32%. Таким образом, ВИЭ станут лидерами в мировом энергобалансе. Однако это вопрос будущего — пока доля возобновляемых источников невелика. Даже в США, которые являются одним из лидеров в использовании альтернативных источников энергии, в 2016 году только 9,8% потребностей в энергии покрывалось за счет возобновляемой энергетики. Это обусловлено прежде всего качественными характеристиками нового оборудования, которое входит в инфраструктуру всей системы альтернативной энергетики: стоимостью материалов, из которых это оборудование изготавливается, их износостойкостью и коэффициентом полезного действия. Один из важнейших элементов этой инфраструктуры —проточные батареи, устройства, которые позволяют накапливать энергию в моменты, когда природные условия благоприятствуют этому (например, много солнца), и тратить ее в те периоды, когда она нужна людям. Проточные батареи настолько важны, что большинство экспертов в области будущего называют их в числе самых важных технологий для энергетики будущего.
Просто добавь воды
Коллектив ученых Гарвардской инженерной школы SEAS под руководством профессора Майкла Азиза создал новую проточную батарею, способную работать десять лет при минимальном обслуживании. В этом проточном аккумуляторе энергия сохраняется в органических молекулах, растворенных в воде, обладающей нейтральной кислотностью.
Проточные батареи работают следующим образом. Жидкий электролит, представляющий собой раствор солей металлов, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электродов, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества. Это делает проточные батареи чрезвычайно гибкими: их объем может быть изменен путем увеличения размера резервуаров, а выходная мощность может изменяться путем регулирования площади мембраны. Проточная батарея также может бездействовать в течение долгого времени без потери заряда и вне зависимости от экстремальных температур.
Но пока все проточные батареи обладают общим недостатком: после определенного числа циклов зарядки-разрядки им требуется замена электролита для поддержания емкости. К тому же в таких батареях в качестве электролитов обычно используются ванадий и бром, растворенные в кислоте. Такая комбинация эффективна, но она опасна, токсична и дорого стоит.
Ученые Гарвардского университета создали инновационное устройство хранения энергии. Новая проточная аккумуляторная батарея отличается от аналогов составом жидкого электролита. Устройство планируют использовать в качестве промежуточного хранилища энергии, подключаемого к альтернативным источникам выработки электричества.
ГарвардСолнечный свет и ветер позволяют получать ресурсы бесплатно, но работа установок зависит от погоды и времени суток. Чтобы обеспечить стабильность снабжения, альтернативные источники подключаются к устройствам промежуточного хранения энергии. Аккумуляторы накапливают избытки энергии в период максимальной мощности работы генератора, и отдают ее, когда установка останавливается или замедляется.
Одна из перспективных технологий – проточные аккумуляторные батареи, сохраняющие энергию в химических соединениях жидкого электролита. Емкость устройства зависит только от объема резервуаров для хранения «заряженной» жидкости. Для создания электролита использовались дорогие химикаты, растворенные в кислоте. Эти соединения агрессивны, поэтому батареи изготавливались из дорогостоящих химически стойких материалов. Само-собой, долговечность таких устройств относительно невелика.
Ученые Гарварда решили эти проблемы. Они создали проточную аккумуляторную батарею на основе органических веществ, растворенных в чистой воде. Такой электролит химически инертен, безвреден для человека и окружающей среды. Первый прорыв наметился в 2014 году, когда получилось вместо ванадия использовать хинон. В следующем году бром был заменен ферроцианидом. В результате pH электролита стал не кислотным, а щелочным, это позволило использовать относительно недорогие пластиковые резервуары и трубы.
Технология обрела законченный вид, когда в качестве положительного и отрицательного электролитов исследователи использовали растворы модифицированных на молекулярном уровне виологена и ферроцена. Такая батарея после 1000 циклов зарядки-разрядки теряет только около 1% емкости.
Внушительный срок эксплуатации нового аккумулятора обусловлен стабильностью электролитов и надежностью материалов. Ионная мембрана батареи выполнена из простого полимера, получаемого при переработке нефти. Отметим, что в устройствах с кислотными электролитами приходится использовать мембрану из фторполимеров, стоимость которой составляет около 35% суммарной цены аккумулятора.
