Пять проектов батареек, которые преобразят индустрию. Проточные аккумуляторы


Как устроен проточный аккумулятор - подробно

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 06.04.2016 02:48 Автор: Abramova Olesya

Проточный (редокс) аккумулятор – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. (Смотрите BU-210: Как устроен топливный элемент). Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества.

Большинство коммерческих проточных аккумуляторов используют раствор серной кислоты и ванадиевой соли в качестве электролита; электроды изготавливаются из графитовых двухполюсных пластин. Ванадий является одним из немногих доступных активных веществ, с которыми процесс эрозии можно держать под контролем, но, тем не менее, она присутствует. Были опробованы проточные аккумуляторы, содержащие драгоценные металлы, например, платину, которая также используется в различных типах топливных элементов. Исследования продолжаются и сегодня, ведь легкодоступное и дешевое активное вещество поможет сделать технологию проточных аккумуляторов более распространенной.

Приводимые в действие мощными насосами, проточные аккумуляторы показывают лучший результат работы при размерах больше 20 кВт. Количество допустимых циклов заряда/разряда у них доходит до 10000, что сопоставимо с 20 годами службы. Каждая ячейка производит 1,15-1,55 В, для достижения нужных значений напряжения они последовательно соединяются. Значение удельной энергоемкости составляет примерно 40 Вт*ч/кг, что соответствует показателю свинцово-кислотного аккумулятора. Подобно топливному элементу, плотность энергии и быстродействие у проточного аккумулятора умеренны. Это делает его более оптимизированным для хранения больших объемов энергии; и менее – для электрических силовых агрегатов и устройств, требующих быстродействия аккумулятора.

Электролит в таком аккумуляторе хранится в резервуарах. Для увеличения плотности энергии можно просто увеличить размеры резервуаров, это даст 50 % экономии по сравнению с покупкой новой системы. При замене аккумулятора электролит может быть использован повторно, что предоставляет дополнительную экономию. Проблемной частью проточного аккумулятора является мембрана, которая имеет тенденцию к коррозии. Высокая стоимость мембраны побуждает использовать примеси к электролиту, которые препятствуют коррозии. На рисунке 1 показан концепт проточного аккумулятора.

Проточный аккумулятор

Рисунок 1: Проточный аккумулятор. Электролит хранится в резервуарах и прокачивается через ядро для выработки электричества; при зарядке процесс идет в обратном направлении. Объем электролита регулирует емкость аккумулятора.Ванадий – 23-й элемент периодической таблицы, основные запасы которого расположены в Китае, России и ЮАР. В настоящее время 90% добываемого ванадия используется в сплавах стали, но его присутствие в “зеленой” энергетике, в том числе в производстве проточных аккумуляторов, все более значимо. В настоящее время стоимость проточного аккумулятора аналогична стоимости литий-ионного, и составляет $ 500 за кВт/ч, причем есть все предпосылки к ее снижению до уровня $ 250 за кВт/ч.

Большие системы проточных аккумуляторов суммарной мощностью более 100 кВт были в эксплуатации в Японии уже в 1996 году. Мощность же современных установок достигает десятков мегаватт, например, в той же Японии существует система для регулирования частоты тока мощностью 60 мВт.

Присутствует тенденция к уменьшению стоимости и размеров таких аккумуляторов. Вместо того, чтобы конструировать огромный аккумулятор, напоминающий размерами целый химический завод, современные модели поставляются в типовом размере, как правило, 250 кВт, которые могут быть собраны в систему необходимой мощности подобно конструктору. Проточные аккумуляторы постепенно завоевывают популярность не только в Японии, но и в других частях света.

Первые проточные аккумуляторы использовали хлорид титана в электролите, эта технология была запатентована в июле 1954 года. Современная ванадиевая технология, также иногда называемая “редокс”, была разработана в Австралийском Университете Нового Южного Уэльса и получила патент в 1986 году. Термин “редокс” происходит от английского Reduction-Oxidation, что переводится как окислительно-восстановительная реакция.

Последнее обновление 2016-02-21

best-energy.com.ua

Китай ставит на ванадиевые проточные аккумуляторы для хранения энергии

Рассказывая о системах хранения энергии, мы обычно описываем проекты, которые реализуются в Европе, США и Австралии. Меж тем, важнейшие события, которые повлияют на весь мировой рынок накопителей энергии, происходят на Востоке, в Китае.

Китай, как известно, сталкивается с проблемами развития сетевого хозяйства, которое не поспевает за бумом строительства солнечных и ветровых электростанций, в результате чего в стране теряется значительная часть вырабатываемой чистой электроэнергии.

22 сентября китайская Национальная комиссия по развитию и реформам (National Development and Reform Commission — NDRC) выпустила Руководство по продвижению технологий хранения энергии и развитию соответствующей промышленности (Guidance on the Promotion of Energy Storage Technology and Industry Development), направленное на ускорение развертывания накопителей энергии.

При этом, хотя Китай является крупнейшим производителей литий-ионных аккумуляторов, на основе ряда событий можно предположить, что важную роль на китайском рынке будут играть ванадиевые проточные редокс аккумуляторы (Vanadium redox (flow) batteries).

Новая политика предусматривает запуск пилотных проектов, включая строительство многочисленных 100-мегаваттных накопителей энергии на основе ванадиевых проточных аккумуляторов к концу 2020 года с целью дальнейшего крупномасштабного развертывания подобных проектов в течение последующих пяти лет.

Компания Pu Neng, один из ведущих мировых поставщиков технологий хранения энергии на основе ванадия в мире, была выбрана для строительства накопителя энергии мощностью 3 МВт и емкостью 12 мегаватт-часов. Это первая фаза демонстрационного проекта Hubei Zaoyang с параметрами 10 МВт/40 МВТ*ч в китайской провинции Хубэй. Данный накопитель будет построен в городе Цзаоян в целях интеграции в электрическую сеть большой солнечной фотоэлектрической электростанции. После реализации пилотного проекта планируется более крупная система хранения энергии мощностью 100 МВт и емкостью 500 МВт*ч, которая станет основой новой умной сети (smart energy grid) в провинции Хубэй. Этот мощный накопитель энергии будет выполнять роль пиковой электростанции, обеспечивающей надежность энергоснабжения и сокращение выбросов парниковых газов.

Для реализации проекта Pu Neng заключил контракт с местной металлургической и технологической компанией Hubei Pingfan Vanadium Energy Storage Technology Company, крупным производителем Ванадия.

Pu Neng подчеркивает, что её технология проточных аккумуляторов допускает практически неограниченное количество полных циклов зарядки и разряда без существенного ухудшения характеристик. Это подтверждается в другом исследовании: проведенные испытания показали, что 14 тысяч полных циклов зарядки и разряда ванадиевых проточных аккумуляторов не привели к изменению исходных качеств. В этом их преимущество над литий-ионными батареями, и благодаря этому они лучше подходят для стационарных систем хранения энергии. Кроме того, проточные аккумуляторы легко масштабируются до практически неограниченных размеров.

О начале бурного роста распространения ванадиевых проточных аккумуляторов свидетельствует и следующая история.

В начале 2017 года в Даляне в провинции Ляонин была открыта гигафабрика по производству ванадиевых проточных аккумуляторов компании Rongke Power. До конца года завод планирует произвести накопители энергии суммарной мощностью 300 МВт, а в дальнейшем довести выпуск до 3 ГВт (!) в год. Подчеркну, что данные аккумуляторы не используются в электромобилях, а только в стационарных системах хранения энергии. То есть на основе сведений о будущих объемах производства и с учётом того, что это не единственная фабрика, можно представить себе объемы рынка хранения энергии, на которые замахиваются китайцы.

Там же в Даляне уже строится гигантский накопитель энергии (мощность 200 МВт, емкость – 800 МВт) на основе ванадиевых проточных аккумуляторов. Первая очередь на 100 МВт должна быть введена в эксплуатацию уже в текущем году, оставшаяся часть – в 2018.

Данная система хранения энергии будет работать в местной электрической сети провинции Ляонин, и, так же как в предыдущем примере, выполнять функции пиковой электростанции, не потребляя при этом дефицитную в регионе воду.

В заключение отмечу, что в вышедшем на прошлой неделе исследовании экономики накопителей энергии от инвестиционного банка Lazard подчеркивается, что проточные аккумуляторы в экономическом плане уже не проигрывают литий-ионным.

Таким образом, представляется вероятным, что ванадиевые проточные (редокс) аккумуляторы в ближайшее время займут видное место в энергетике в качестве крупномасштабных систем хранения энергии.

renen.ru

Проточные аккумуляторы. БРДМ LexEdition

топ 100 блогов lexpartizan — 02.01.2016 Проточные аккумуляторы. БРДМ LexEdition

В проточном аккумуляторе энергия вырабатывается за счет взаимодействия двух жидких компонентов, разделенных мембраной. Запасы компонентов хранятся в отдельных ёмкостях и прокачиваются через топливную ячейку с помощью насоса.Основным преимуществом такого аккумулятора является то, что у него есть активная зона определённой мощности, зависящей от параметров мембраны, таких как проводимость и площадь и параметров электродов катода и анода. А ёмкость легко и дёшево наращивается внешними резервуарами.То есть мы покупаем один раз активный блок и потом расширяем ёмкость по мере надобности дешёвыми "канистрами" с электролитом. Увеличить ёмкость вчетверо? Вообще не проблема.

Обычные же ионно-литиевые аккумуляторы требуют распределения катодов\анодов\электродов по всей площади аккумулятора, делая его дороже, тяжелее, сложнее в производстве.Ячейка литий-ионных аккумуляторов представляет собой стопку электродов, выполненных на фольге, разделенных пропитанными электролитом сепараторами. Электроды соединены с токосъемниками. Вся конструкция помещена в герметичный корпус. Все эти несущие материалы: фольга, пленка сепаратора, корпуса, различные соединительные материалы, устройства контроля, система охлаждения — делают аккумуляторы громоздкими, составляя существенную часть стоимости. Аккумулятор большой мощности становится во всех смыслах неподъемным. Но ионно-литиевые аккумы обладают высокой энергоёмкостью 300 ватт*ч на кг, живучесть - около 1000 циклов. Запомните эти цифры.

Кроме того, проточные аккумуляторы являются долгожителями, ибо химический процесс передачи ионов\электронов происходит в жидком электролите, а не на поверхности электродов. Это не приводит их к износу. Однако, мембрана может засоряться и даже требовать замены.

Пока в производстве проточных аккумов растворы ионов ванадия пока лидируют в качестве компонентов такой батареи; например, в Японии в следующем году завершится пилотный проект по использованию проточного ванадиевого аккумулятора в энергосети. Но ванадий дорог, для производства одного киловатт-часа таким способом его требуется на 81 доллар, а с учётом стоимости остальных компонентов батареи цена киловатт-часа варьирует в пределах от 350 до 700 долларов, что чрезвычайно дорого.

Поэтому было решено обратиться к органической химии. Что и было сделано в 2014 году.Анод новой батареи использует раствор серной кислоты, содержащий особые органические соединения хиноны. Это вещество является дешёвым материалом и к тому же при реакции с протонами образует более высокоэнергетическое соединение гидрохинон, благодаря чему батарея заряжается. Стоимость добычи хинонов низка, их можно вырабатывать из растений(ревеня) или синтезировать из нефти-сырца. На катоде аккумулятора происходит реакция брома и бромистоводородной кислоты. Учёные считают, что это может понизить стоимость до 27 долларов за 1 кв*ч. Кроме того, реакции у хинонов протекают гораздо быстрее и это позволяет чрезвычайно быстрый заряд\разряд. Нет нужды в ионисторах для высокой пиковой нагрузки.К сожалению, на момент публикации живучесть такой батареи была более ста циклов, а энергоёмкость 50 Ватт*час на литр\кг.Также было решено заменить бром, как вредное и химически активное вещество, вызывающее коррозию, на другие виды органики.Это удалось в 2015 году и живучесть аккума возросла до 2000 циклов, но энергоёмкость упала до 19 Ватт*час.

Кроме того, в 2015 году удалось получить с помощью сверхдешёвых органических полимеров и солевого раствора с целлюлозной мембраной живучий аккум, который выдерживает 10 000 циклов!(десятки лет эксплуатации без потери характеристик), но там энергоёмкость составила совсем уж жалкие 10 ватт*час на литр.

Данные системы могут использоваться там, где объём не имеет значения. Например, дома под полом, в гараже, подвале, на чердаке. Или на электростанциях для сглаживания пиков. Для таких систем вполне хватит дешёвых пластиковых ёмкостей, которые можно соединять с друг другом. Там, где объёмы не имеют значения, а имеет значение только цена, это прекрасный вариант. И, конечно, учёные продолжают работу над новыми органическими материалами, сулящими более высокие показатели.

Но для электромобиля требуются совсем другие характеристики.В 2013 году исследователи из общества им. Фраунгофера добились важного прорыва: они разработали проточный редокс аккумулятор размером элемента в 0,5 м², мощностью в 25 кВт и выдающим ток до 500 Ампер. Принципы работы не упоминаются, думаю, это стандартный проточник на ванадии. И это уже близко. Электротаврия хавает около 10 киловатт при 60 кмч. То есть такого аккума, который влезет в багажник таврюши, должно хватить на 2 часа езды или около 100 км радиуса. Уже что-то. Можно смело ехать в Феодосию))Но дорого и мало.

А тем временем в Массачусетском технологическом институте (MIT) разработали конструкцию проточной перезаряжаемой батареи, которая не нуждается в дорогостоящей мембране. Это решение, по мнению его авторов, может быть положено в основу недорогих и масштабируемых в широких пределах накопителей энергии.Для запасания и высвобождения энергии в новой проточной батарее используется ламинарное течение двух жидкостей, при котором они движутся параллельно, практически не смешиваясь.Они закачиваются в канал, разделяющий два электрода и вступают во взаимодействие, соответственно, с графитовым катодом и пористым анодом.В качестве реагентов используются жидкий раствор брома и водородное топливо (бромисто-водородная кислота). Химическая реакция между водородом и бромом весьма перспективна из-за её большой энергоемкости. Однако в стандартных батареях применение ее затруднено высокой агрессивностью бромисто-водородной кислоты, проедающей разделительную мембрану. Это замедляет реакцию запасания энергии и уменьшает эксплуатационную жизнь аккумуляторов.Убрав из уравнения мембрану, исследователи MIT смогли эффективно обойти эту проблему.По обеспечиваемой им плотности энергии, 0,795 Вт/см2, этот проточный аккумулятор на порядок превосходит любые литий-ионные батареи и прочие — коммерческие и экспериментальные — системы накопления электроэнергии. По самым пессимистичным оценкам минимум 600 Ватт*час на литр.Но, к сожалению, это очень агрессивный раствор и требует осторожности и особых ёмкостей и правил хранения.

А тем временем учёные пытаются совместить привычные литиевые(хотя это дорогой редкоземельный металл) материалы и идеологию проточного аккумулятора, рождая некие гибриды.Всё в том же Массачусетском технологическом институте (MIT) разработали «Полутвердый проточный аккумулятор» (англ. Semi-Ssolid Flow Cell — SSFC). Их суспензия содержит мириады твёрдых частиц LiCoO2 и углерода растворенных в жидкости, из-за которых активная жидкость выглядит словно чернила.Проточные аккумуляторы. БРДМ LexEdition Опыт показал, что ячейка SSFC работоспособна и новое «топливо» для неё обладает хорошей текучестью. Также выяснилось, что углеродные наночастицы, помимо основной своей функции (транспорт электронов в растворе), стабилизируют в нём микрочастицы соединений лития, не давая им выпасть в осадок.Расчёты, основанные на эксперименте, показали, что полномасштабная подобная ячейка (надо полагать после шлифовки технологии) сможет вмещать на порядок больше энергии, чем прежние проточные аккумуляторы.

Ну а месяц назад создали проточную батарею высокой ёмкости работающую на привычном лифере и оксиде титана.Проточные аккумуляторы. БРДМ LexEdition В отделениях батареи одновременно содержатся жидкие и твёрдые электролиты.Затем они использовали переносящие заряд жидкости, известные как окислительно-восстановительные медиаторы, чтобы переправлять заряженные ионы из пор твёрдого электролита в разделённый мембраной реакционный сосуд. При этом учёные дополнили мембрану специальным полимером, чтобы она пропускала ионы лития, но задерживала молекулы медиатора. На противоположной стороне мембраны ионы подхватывают другие медиаторы и переносят их к гранулам диоксида титана, где те оседают в виде металлического лития.Когда батарея разряжена, реакция протекает в обратном направлении, и литий возвращается в катодное отделение. Благодаря внедрению твёрдых материалов, удельная ёмкость новой батареи составила 500 ватт-часов на один литр электролита.Однако, батарея имеет серьёзные недостатки. Её специальная особенная мембрана не позволяет выдавать большую мощность, что не подходит для электромобилей. И резервуары содержат дорогие лифер и оксид титана, что не позволяет дёшево наращивать ёмкость.

И тихо и незаметно появляются первые автомобили на проточных аккумуляторах.FlowCell заявляют, что их батареи имеют энергоёмкость 600 Вт*ч на литр и размещаются в двух 200-литровых баках багажника, обеспечивая 4 мотора(полный привод) электричеством напряжением 600 вольт, 920 лошадями в пике, разгоном до сотни за 2,8 секунды, радиусом 600-800 км и бесшумностью. Вес авто 2,3 тонны.А Quantino имеет 136 лошадок, максималку в 200 кмч и радиус в 1000 км. При рабочем напряжении всего 50 вольт.

Проточные аккумуляторы позволяют "зарядить" авто обычной зарядкой или просто полностью сменить электролит на заряженный в течении нескольких минут.

Представьте, Вы приезжаете на заправку, сливаете "топливо" и заливаете новое. Заправщик же отправляет Ваше топливо на зарядку, после чего оно снова готово к употреблению следующим клиентом. Безотходное производство и круговорот электролитов в природе при удобстве и скорости традиционной заправки и низких ценах. Со временем(тысячи циклов), топливо всё же теряет свои свойства, но ведь достаточно добавить немного свежего концентрата...

Состав электролитов хранится в секрете, но основным компонентом является солёная вода. Возможно, это может быть морская вода. В которую достаточно засыпать\залить нужный концентрат. Представьте корабли, берущие топливо прямо из-за борта.Или представьте вместо этого автомобиля военную технику.А тут уже фантазии есть куда развернуться))___________________________________________________________________________________________________БРДМ lexpartizan edition с силовой установкой на проточном аккумуляторе а-ля E-Quant.Проточные аккумуляторы. БРДМ LexEdition

БРДМ-2 имеет примерно столько же лошадок, сколько и Qantino, около 140 и не жалуется на проходимость. Значит 300 лошадей и привычного промышленного питания на 220 вольт ему хватит. Самое то. То есть это будет стандартная проточная аккумуляторная установка, выдающая стандартные 220 вольт и используемая в качестве домашней или промышленной аккумуляторной установки. Гражданские массовые технологии. Разница только в баках, как и положено в проточных аккумуляторах. Учитывая, что машина в 2,3 тонны имела запас хода на 800 км, а БРДМ-2 весит 7 тонн, то будем считать, что запас хода всего 200 км.

Два бака объёмом по 200-300 литров располагаются в силовом и оружейном отделении и представляют собой что-то вроде надувных камер, так как не исключено пробитие корпуса БРДМ и бака, а значит бак нужно будет менять. Его тяжело будет занести, но надуть новый бак, что может быть проще? Между баками находится дополнительная бронеплита, для того, чтобы пробитие баков не вызвало электрохимическую реакцию с молниями, звуком "еблысь" и поджариванием экипажа.

БРДМ LE в идеале должна иметь полный привод с отдельным мотором на каждое колесо, но так как это всего-навсего модернизация БРДМ-2 такой возможности может технически не оказаться и будет установлен один электромотор на штатное место.

Боевой модуль полностью автономен и управляем по проводному интерфейсу.Он включает в себя пулемёт КОРД с компьютеризированным прицелом, и 4 ракеты ПТРК для более защищённых мишеней и охоты за танками из укрытий. Возможно, даже какой-то вариант ПЗРК и гранатомёт АГС. Но башенка чересчур маленькая. Однако КОРД и ПТРК обязательны.

Экипаж два человека. Командир и водитель.БРДМ LE имеет более защищённый и упрощённый корпус без окон и триплексов. Или с заваренными окнами, в случае модернизации. Вместо этого по периметру в специальных отверстиях установлены FullHD-камеры, дающие круговой обзор. Управление минималистично, руль, газ, тормоз. Вместо окон внутри наклеены гибкие OLED-дисплеи. В отличии от ЖК они дешевле, так как изготавливаются печатным способом погонными метрами и не боятся вибраций и ударов, благодаря гибкой подложке.У командира сенсорный олед-дисплей с основными функциями управления. Для боя используются шлемы виртуальной реальности с подробным виртуальным интерфейсом и обзором "сквозь броню" вместо олед-мониторов.Перенос основного интерфейса, всех этих лампочек\кнопочек\переключателей в виртуал значительно упрощает конструкцию и удешевляет производство.Новый голосовой интерфейс распознаёт команды "ебашь" и "хуярь", что повышает боевую эффективность.Обогрев кабины осуществляется расположенными на полу и потолке бытовыми плёночными ИК-обогревателями, а-ля "тёплый пол". Кроме того, такой обогреватель может сниматься с потолка и выноситься за пределы БРДМ для обогрева экипажа во время наружнего ремонта, так как такой тип обогревателей может работать в качестве "тепловой пушки" и греть даже на открытом воздухе.

Конечно, на броне находится площадка для коптера-беспилотника с 15 минутным запасом хода. Его применение позволит не только проводить разведку, но и получать информативный "вид сверху" в бою. После разведки беспилотник должен возвращаться на борт БРДМ LE, где он будет удержан электромагнитным захватом и зарядится с помощью беспроводной зарядки.

Освещение исключительно светодиодное, не потому что это модно и экономично, а потому что светодиоды более надёжны и устойчивы к вибрациям, в отличии от ламп накаливания. Основные фары имеют возможность фокусировать луч в некоторых пределах. Кроме того, на БРДМ LE установлен ИК-прожектор, как на танке Т-90, для помех при наведении ПТУР и подсветки дороги в условиях светомаскировки. Соответственно, на БРДМ-LE есть ИК-камера.

Так как развитая электронная печать позволяет дёшево печатать гибкие олед-дисплеи поверхность БРДМ LE покрыта гибкой плёнкой с эффектом адаптивного камуфляжа, который использует изображение с штатных камер БРДМ LE.

Плёнка клеится как винил, покрыта ПЭТ-пластиком и непромокаема. Благодаря разумной конструкции и многочисленным шинам питания попадание пуль и снарядов не выключает экран, а только оставляет на нём повреждённые пиксели.

Максимально используются массовые гражданские вычислительные модули с многократным резервированием. Они же используются и для связи. И для виртуальной реальности и для рации и для олед-дисплеев\адаптивной маскировки\камер\прицельного комплекса\управления двигателем.

В итоге имеем маленькую мощную абсолютно бесшумную, малозаметную в оптическом диапазоне и невидимую в ИК-диапазоне(нет горячего выхлопа от ДВС) машинку, которая может скрытно передвигаться, эффективно вести разведку и охотиться на бронетехнику противника, оставаясь незамеченной. Как и положено разведовательно-дозорной машине.

yablor.ru

Создана проточная батарея высокой ёмкости | Земля

С каждым годом человечество получает всё больше энергии из возобновляемых источников. Но на фоне стремительного распространения солнечных и ветряных электростанций возникает проблема эффективного хранения полученной электроэнергии в пиковый период, когда дует ветер и светит Солнце. Ведь далеко не всегда необходимо сразу передать его потребителям.

В таких случаях в первую очередь на ум приходят привычные свинцово-кислотные и литиево-ионные аккумуляторы, но, к сожалению, они обладают существенными недостатками. Так, батареи первого типа имеют крайне ограниченную ёмкость, к тому же они слишком объёмные и дорогие. Литиево-ионные аккумуляторы хорошо подходят для портативной электроники и даже для электромобилей, но склонность к перегреву (эту проблему решают с переменным успехом) делает их малопригодными для использования на крупных промышленных объектах.

Настоящим прорывом в этой области может стать развитие новых проточных батарей (flow battery), которые принципиально отличаются от используемых сегодня источников энергии.

В обычных аккумуляторах электрический заряд находится в твёрдом электроде (аноде). При разрядке электроны покидают анод, питают внешнюю сеть и переходят ко второму электроду – катоду, а при зарядке следуют в обратном направлении.

В проточных батареях реакции проходят в двух резервуарах с жидкими электролитами. Содержимое одного отделения циркулирует вокруг анода, другого – вокруг катода. При этом катод, анод и жидкости разделены полупроницаемой мембраной, и ионы из одного отделения постепенно перетекают в другой. Ёмкость такого аккумулятора определяется исключительно объёмом резервуаров, а выходная мощность зависит от площади мембраны. Таким образом, проточные батареи не имеют жёстких лимитов и могут быть масштабированы для хранения очень большого количества энергии.

На сегодняшний день самыми передовыми аккумуляторами проточного типа считаются ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (VRB), которые "хранят заряд" в ионах ванадия, содержащихся в растворе на водной основе.

Ионы ванадия стабильны и могут долго циркулировать через мембрану без нежелательных побочных явлений. Но проблема состоит в том, что стоимость ванадий достаточно высока, а удельная энергоёмкость (количество запасаемой энергии на литр электролита) VRB остаётся на низком уровне.

В предыдущих исследованиях учёные искали способ заменить дорогостоящий компонент более доступными веществами, например, раствором серной кислоты с включением хиронов.

Теперь Доктор Цин Ван (Qing Wang) из Национального университета Сингапура и его коллеги разработали новый тип проточной батареи, в отделениях которой одновременно содержатся жидкие и твёрдые электролиты. Учёные поместили внутрь одного отделения гранулы распространённого катодного материала — фосфата лития-железа, а в анодный резервуар добавили диоксид титана.

Затем они использовали переносящие заряд жидкости, известные как окислительно-восстановительные медиаторы, чтобы переправлять заряженные ионы из пор твёрдого электролита в разделённый мембраной реакционный сосуд. При этом учёные дополнили мембрану специальным полимером, чтобы она пропускала ионы лития, но задерживала молекулы медиатора. На противоположной стороне мембраны ионы подхватывают другие медиаторы и переносят их к гранулам диоксида титана, где те оседают в виде металлического лития.

Когда батарея разряжена, реакция протекает в обратном направлении, и литий возвращается в катодное отделение. Благодаря внедрению твёрдых материалов, удельная ёмкость новой батареи составила 500 ватт-часов на один литр электролита, что в 10 раз больше, чем в предыдущих моделях VRB.

Эксперты отмечают, что при очевидной важности работы, опубликованной в журнале Science Advances, у новой батареи есть существенный недостаток в виде низкой мощности. Доработанная мембрана сдерживает поток ионов лития и замедляет время зарядки и разрядки батареи. По словам Вана, существующая версия аккумулятора прекрасно подходит для хранения энергии, произведённой на электростанциях. Но для использования в других областях, например, в электрических автомобилях, устройство должно быть усовершенствовано.

earth-chronicles.ru

: Технологии и медиа :: РБК

Согласно исследованию Freedonia Group, в 2012 году объем мирового рынка аккумуляторов составлял $89,4 млрд. Со среднегодовым ростом 8,5% к 2016 году этот рынок может вырасти до $144 млрд. Пять компаний, занимающихся созданием новых аккумуляторов, рассказали журналу «РБК», как их продукты преобразят мобильную, электрическую и автомобильную индустрии

Фото: Getty Images

Опубликовано в журнале РБК №12-1 за 2014 год

Если бы батарейки совершенствовались так же быстро, как развивается микроэлектроника, автомобильный стартер, например, давно сжался бы до размеров монеты. Но закон Мура не добрался до аккумуляторов, иначе человечество пересело бы на подешевевшие электрические автомобили, заряжало бы смартфоны за 30 секунд и перестало бы вырубать просеки под линии электропередач. Целые отрасли тормозят в развитии из-за отсутствия компактной, энергоемкой, долгосрочной, безопасной и при этом дешевой батарейки.

Сверхбыстрая зарядка

По скорости развития аккумуляторы для смартфонов сильно отстали от электроники – разрыв обещает сократить израильская StoreDot, разработавшая прототип батарейки с добавлением биологических материалов, которая способна заряжаться всего за 30 секунд. «Если подать большой ток на обычную батарейку, электроды тут же разрушаются. Чтобы этого не происходило, делается модификация электродов и электролита с дополнением органических и неорганических добавок», – говорит ученый и предприниматель Семен Лицин, один из основателей StoreDot. По его словам, аккумулятор прослужит втрое дольше обычных батареек – до 1,5–2 тыс. зарядно-разрядных циклов.

Лицин и профессор Тель-Авивского университета Гиль Розенман создали StoreDot в 2012 году, затем в качестве гендиректора и сооснователя к ним присоединился Дорон Майерсдорф. В первый раунд финансирования в 2013 году компания привлекла $6 млн инвестиций, а в апреле 2014-го продемонстрировала достижения на симпозиуме Microsoft Think Next, где аккумулятор вставили в Samsung Galaxy X4 и зарядили за 30 секунд. Видеоролик с этой записью произвел фурор, и в сентябре StoreDot привлекла уже $42 млн, $10 млн из которых вложил Роман Абрамович через инвестиционную компанию Milestone Investments.

Разработка StoreDot включает батарейку и зарядное устройство и может изменить всю модель использования смартфонов. «Зарядка вообще перестанет быть проблемой. Можно будет зарядить телефон на ходу, а если вы забыли зарядное устройство – одолжить его максимум на минуту», – рассказывает Майерсдорф. В ближайшие четыре-пять лет быстрозарядные устройства получат глобальное распространение, полагает он. Готовый прототип аккумулятора StoreDot обещает показать в январе на выставке электроники CES в Лас-Вегасе, а к 2016 году вывести его на рынок. Батарейки будут на 25–30% дороже в производстве, а следовательно, и в продаже, но Семен Лицин уверен, что потребители готовы платить надбавку.

Хранилище для электричества

Как только вы включаете свет, электростанция должна произвести и передать вам электроэнергию. Таким образом, вся система по производству электричества нацелена на то, чтобы выдать нужное количество тока в момент пиковой нагрузки. Большую часть времени она не загружена даже на половину своей мощности.

«Представьте себе индустрию по производству оберточной бумаги к Рождеству. Если бы она работала в таком же режиме, фабрики со всем персоналом простаивали бы без дела 364 дня в году, ожидая тот самый день перед Рождеством, когда всем понадобится завернуть подарки. Не очень эффективно, правда?» – говорит президент американской компании Eos Energy Storage Стив Хеллман.

Проблема в том, что человечество пока не придумало способа эффективно и дешево хранить электричество. Для ее решения Eos Energy Storage разработала технологию Znyth – воздушно-цинковый аккумулятор, который в час пик сможет просто отдавать накопленную энергию, не задействуя при этом всю мощь энергосети. По словам Хеллмана, аккумулятор способен безо всякой дополнительной инфраструктуры вдвое увеличить эффективность использования энергосетей.

«Чтобы более эффективно использовать энергосети, хранение энергии должно быть более дешевым и эффективным, чем ее производство и распределение. Исторически дешевле было построить новую электростанцию и дополнительную инфраструктуру, чем пытаться накопить электричество. Перед нами стояла задача создать аккумулятор, который станет более дешевой альтернативой, чего мы и добились», – утверждает Хеллман. С момента основания в 2007 году Eos Energy Storage привлекла порядка $27 млн венчурных инвестиций и заключила контракты с восемью мировыми производителями электроэнергии, в том числе Con Edison, Enel и GDF Suez. В следующем году она планирует поставить им первые аккумуляторы, а в 2016 году вывести свою продукцию на мировой рынок.

Проточный аккумулятор

Несмотря на огромный объем субсидий, потраченных на развитие альтернативной энергетики, доля возобновляемой энергии в мировом объеме производства электричества, по данным Международного энергетического агентства, составляет лишь около 22%. Одна из причин – нестабильность поставок энергии: когда солнце не светит, а ветер не дует, начинаются перебои с напряжением и питанием. Именно для решения этой проблемы команда ученых и инженеров Гарварда под руководством профессора Майкла Азиза разработала новый вид проточной батареи – на основе органических молекул, которые содержатся в ревене.

«Представьте, что перед вами машина с мотором, в котором вы можете задавать мощность и решать, как долго он будет работать, в зависимости от нужного вам объема бензобака», – объясняет принцип действия проточного аккумулятора научный сотрудник Гарвардской школы технологии и прикладных наук Майкл Маршак. Из его объяснений следует, что в проточной батарее к активатору топливного элемента добавляют жидкость. Ее уровень можно регулировать, а значит, рассчитать, какой объем потребуется для производства электричества, необходимого для стабильной работы сети. Это может обеспечить бесперебойные поставки энергии от ветровых установок и солнечных панелей.

Команда ученых и инженеров Гарварда под руководством профессора Майкла Азиза разработала новый вид проточной батареи – на основе органических молекул, которые содержатся в ревене (Фото: предоставлено пресс-службой)

Сейчас в лаборатории Гарварда испытывают образец проточного аккумулятора размером с ладонь. Батарейка проявляет изрядную живучесть: по расчетам ученых, ее мощность снизится вдвое лишь после 10–15 тыс. циклов, этого хватит на 20–30 лет ежедневного применения. Аккумулятор может оказаться в 25 раз дешевле существующих аналогов, производя энергию стоимостью всего $27 за 1 кВт·ч вместо $700 за 1 кВт·ч.

На проект потрачено $4,3 млн, все это гранты Министерства энергетики США и неправительственных организаций. Около трети суммы было направлено в компанию Sustainable Innovations, с которой лаборатория заключила контракт на разработку полноценного прототипа аккумулятора для демонстрации потенциальным клиентам. «У нас получится продукт размером с холодильник. Этого должно быть достаточно, чтобы всю ночь снабжать ваш дом энергией от солнечных панелей на крыше. Поставил батарею в подвал или кладовку – и можно использовать накопленную энергию ночью, когда панели не работают», – говорит Маршак. Sustainable Innovations обещает вывести аккумулятор на рынок к 2017 году.

Жидкий металл

Другое решение для возобновляемой энергетики предложил Дон Садовей, профессор Массачусетского технологического института (MIT). Его разработка – аккумулятор на основе расплавленной соли, расположенной между двумя слоями жидкого металла. В 2010 году из его лаборатории в MIT образовался стартап Ambri, который менее чем за четыре года привлек свыше $50 млн инвестиций, в том числе от Билла Гейтса, Khosla Ventures, KLP Enterprises и нефтяной компании Total.

«Наша инновация в том, что батарейка состоит из жидких компонентов. Это делает ее очень дешевой, долгосрочной и гибкой в плане использования», – уверяет вице-президент по развитию Ambri Кристин Бриф. Батарейка может служить до 15 лет и способна за десятые доли секунды реагировать на сигналы сети – например, переключаться с зарядки на разрядку и стабилизировать напряжение.

В конце прошлого года Ambri открыла фабрику по производству батарей в Массачусетсе. Компания пока не занимается продажами, а сосредоточена на изготовлении прототипов, но у Кристин Бриф нет сомнений, что продукт будет востребован. Пять прототипов, которые будут готовы в 2015 году, уже распределены между частными и государственными заказами в США: один из них отправится на военную базу в Массачусетсе, другой – в электрическую компанию в Нью-Йорке, два – на Гавайи, где их будет тестировать независимый производитель возобновляемой энергии First Wind, и один – на Аляску. Кроме того, первую коммерческую систему мощностью 1 МВт·ч купили ВМС США: в 2016 году ее установят на военной базе в Перл-Харборе.

Батарейка для автомобиля

Едва ли не главная отрасль, в которой инновационная батарейка может совершить революцию, – автомобильная. Дешевый, энергоемкий, быстро заряжающийся и безопасный аккумулятор увеличит пробег электрокаров, снизит цену машин и стоимость обслуживания. Но батарейку, которая заменит двигатель внутреннего сгорания, еще не изобрели. «Нельзя забывать, что энергоемкость бензина – около 1200 Вт·ч/кг, это почти в 100 раз выше, чем у батарейки такого же веса. Поэтому современным аккумуляторам сложно соревноваться с топливом», – отмечает гендиректор канадской компании Cadex Electronics Айсидор Бакманн.

Основатель Tesla Илон Маск не стал дожидаться изобретателей: в сентябре он начал строительство фабрики по выпуску батарей в Неваде, рассчитывая втрое снизить их себестоимость за счет масштаба производства. Но многие продолжают пытаться удешевить производство батарей при помощи инноваций. Среди них – стартап Sakti3, разработавший прототип литиево-ионной батарейки на основе твердого электролита. «Жидкий электролит со временем может деградировать и ухудшать состояние других материалов в батарейке. Мы разработали формулу, где вообще нет жидкости – ни паразитных масс, ни материалов, разрушающих активно действующие компоненты», – заявила журналу «РБК» президент компании Энн Мари Сестри. По ее словам, новые батарейки уже продемонстрировали рекордные показатели энергоемкости – более 1100 Вт·ч/л, что примерно вдвое мощнее самых современных аналогов.

Энн Мари Сестри основала стартап в 2007 году на базе лаборатории Мичиганского университета. С тех пор компания провела три раунда инвестиций, собрав свыше $30 млн. В Sakti3 обещают, что к 2020 году их аккумулятор будет стоить в пять раз дешевле аналогов, и в этом случае он перевернет индустрию электромобилей. «Современный электрический привод для электромобилей стоит минимум $10–15 тыс. Многие семьи не могут его себе позволить, даже если хотят использовать более экологичное транспортное средство», – констатирует Сестри. Компания планирует запустить аккумулятор в коммерческое производство в 2016 году.

www.rbc.ru

Пять проектов батареек, которые преобразят индустрию —

Дата публикации: 26 декабря 2014

Опубликовано в журнале РБК №12-1 за 2014 год, источник: http://top.rbc.ru/technology_and_media/26/12/2014/549cbb6a9a7947690d19a546

Наталья Суворова

Согласно исследованию Freedonia Group, в 2012 году объем мирового рынка аккумуляторов составлял $89,4 млрд. Со среднегодовым ростом 8,5% к 2016 году этот рынок может вырасти до $144 млрд. Пять компаний, занимающихся созданием новых аккумуляторов, рассказали журналу «РБК», как их продукты преобразят мобильную, электрическую и автомобильную индустрии

Если бы батарейки совершенствовались так же быстро, как развивается микроэлектроника, автомобильный стартер, например, давно сжался бы до размеров монеты. Но закон Мура не добрался до аккумуляторов, иначе человечество пересело бы на подешевевшие электрические автомобили, заряжало бы смартфоны за 30 секунд и перестало бы вырубать просеки под линии электропередач. Целые отрасли тормозят в развитии из-за отсутствия компактной, энергоемкой, долгосрочной, безопасной и при этом дешевой батарейки.

Сверхбыстрая зарядка

Storedot

Израильский стартап StoreDot умеет заряжать смартфон за 30 секунд

По скорости развития аккумуляторы для смартфонов сильно отстали от электроники – разрыв обещает сократить израильская StoreDot, разработавшая прототип батарейки с добавлением биологических материалов, которая способна заряжаться всего за 30 секунд. «Если подать большой ток на обычную батарейку, электроды тут же разрушаются. Чтобы этого не происходило, делается модификация электродов и электролита с дополнением органических и неорганических добавок», – говорит ученый и предприниматель Семен Лицин, один из основателей StoreDot. По его словам, аккумулятор прослужит втрое дольше обычных батареек – до 1,5–2 тыс. зарядно-разрядных циклов.

Лицин и профессор Тель-Авивского университета Гиль Розенман создали StoreDot в 2012 году, затем в качестве гендиректора и сооснователя к ним присоединился Дорон Майерсдорф. В первый раунд финансирования в 2013 году компания привлекла $6 млн инвестиций, а в апреле 2014-го продемонстрировала достижения на симпозиуме Microsoft Think Next, где аккумулятор вставили в Samsung Galaxy X4 и зарядили за 30 секунд. Видеоролик с этой записью произвел фурор, и в сентябре StoreDot привлекла уже $42 млн, $10 млн из которых вложил Роман Абрамович через инвестиционную компанию Milestone Investments.

Разработка StoreDot включает батарейку и зарядное устройство и может изменить всю модель использования смартфонов. «Зарядка вообще перестанет быть проблемой. Можно будет зарядить телефон на ходу, а если вы забыли зарядное устройство – одолжить его максимум на минуту», – рассказывает Майерсдорф. В ближайшие четыре-пять лет быстрозарядные устройства получат глобальное распространение, полагает он. Готовый прототип аккумулятора StoreDot обещает показать в январе на выставке электроники CES в Лас-Вегасе, а к 2016 году вывести его на рынок. Батарейки будут на 25–30% дороже в производстве, а следовательно, и в продаже, но Семен Лицин уверен, что потребители готовы платить надбавку.

Хранилище для электричества

Дешевые воздушно-цинковые батареи от стартапа Eos Energy Storage

Дешевые воздушно-цинковые батареи от стартапа Eos Energy Storage

Как только вы включаете свет, электростанция должна произвести и передать вам электроэнергию. Таким образом, вся система по производству электричества нацелена на то, чтобы выдать нужное количество тока в момент пиковой нагрузки. Большую часть времени она не загружена даже на половину своей мощности.

«Представьте себе индустрию по производству оберточной бумаги к Рождеству. Если бы она работала в таком же режиме, фабрики со всем персоналом простаивали бы без дела 364 дня в году, ожидая тот самый день перед Рождеством, когда всем понадобится завернуть подарки. Не очень эффективно, правда?» – говорит президент американской компании Eos Energy Storage Стив Хеллман.

Проблема в том, что человечество пока не придумало способа эффективно и дешево хранить электричество. Для ее решения Eos Energy Storage разработала технологию Znyth – воздушно-цинковый аккумулятор, который в час пик сможет просто отдавать накопленную энергию, не задействуя при этом всю мощь энергосети. По словам Хеллмана, аккумулятор способен безо всякой дополнительной инфраструктуры вдвое увеличить эффективность использования энергосетей.

«Чтобы более эффективно использовать энергосети, хранение энергии должно быть более дешевым и эффективным, чем ее производство и распределение. Исторически дешевле было построить новую электростанцию и дополнительную инфраструктуру, чем пытаться накопить электричество. Перед нами стояла задача создать аккумулятор, который станет более дешевой альтернативой, чего мы и добились», – утверждает Хеллман. С момента основания в 2007 году Eos Energy Storage привлекла порядка $27 млн венчурных инвестиций и заключила контракты с восемью мировыми производителями электроэнергии, в том числе Con Edison, Enel и GDF Suez. В следующем году она планирует поставить им первые аккумуляторы, а в 2016 году вывести свою продукцию на мировой рынок.

Проточный аккумулятор

Несмотря на огромный объем субсидий, потраченных на развитие альтернативной энергетики, доля возобновляемой энергии в мировом объеме производства электричества, по данным Международного энергетического агентства, составляет лишь около 22%. Одна из причин – нестабильность поставок энергии: когда солнце не светит, а ветер не дует, начинаются перебои с напряжением и питанием. Именно для решения этой проблемы команда ученых и инженеров Гарварда под руководством профессора Майкла Азиза разработала новый вид проточной батареи – на основе органических молекул, которые содержатся в ревене.

«Представьте, что перед вами машина с мотором, в котором вы можете задавать мощность и решать, как долго он будет работать, в зависимости от нужного вам объема бензобака», – объясняет принцип действия проточного аккумулятора научный сотрудник Гарвардской школы технологии и прикладных наук Майкл Маршак. Из его объяснений следует, что в проточной батарее к активатору топливного элемента добавляют жидкость. Ее уровень можно регулировать, а значит, рассчитать, какой объем потребуется для производства электричества, необходимого для стабильной работы сети. Это может обеспечить бесперебойные поставки энергии от ветровых установок и солнечных панелей.

Новый вид проточной батареи

Команда ученых и инженеров Гарварда под руководством профессора Майкла Азиза разработала новый вид проточной батареи – на основе органических молекул, которые содержатся в ревенеФото: предоставлено пресс-службой

Сейчас в лаборатории Гарварда испытывают образец проточного аккумулятора размером с ладонь. Батарейка проявляет изрядную живучесть: по расчетам ученых, ее мощность снизится вдвое лишь после 10–15 тыс. циклов, этого хватит на 20–30 лет ежедневного применения. Аккумулятор может оказаться в 25 раз дешевле существующих аналогов, производя энергию стоимостью всего $27 за 1 кВт·ч вместо $700 за 1 кВт·ч.

На проект потрачено $4,3 млн, все это гранты Министерства энергетики США и неправительственных организаций. Около трети суммы было направлено в компанию Sustainable Innovations, с которой лаборатория заключила контракт на разработку полноценного прототипа аккумулятора для демонстрации потенциальным клиентам. «У нас получится продукт размером с холодильник. Этого должно быть достаточно, чтобы всю ночь снабжать ваш дом энергией от солнечных панелей на крыше. Поставил батарею в подвал или кладовку – и можно использовать накопленную энергию ночью, когда панели не работают», – говорит Маршак. Sustainable Innovations обещает вывести аккумулятор на рынок к 2017 году.

Жидкий металл

Батареи фирмы Ambri

Электроды из жидкого металла и электролит помещаются в такой стальной контейнер

Другое решение для возобновляемой энергетики предложил Дон Садовей, профессор Массачусетского технологического института (MIT). Его разработка – аккумулятор на основе расплавленной соли, расположенной между двумя слоями жидкого металла. В 2010 году из его лаборатории в MIT образовался стартап Ambri, который менее чем за четыре года привлек свыше $50 млн инвестиций, в том числе от Билла Гейтса, Khosla Ventures, KLP Enterprises и нефтяной компании Total.

«Наша инновация в том, что батарейка состоит из жидких компонентов. Это делает ее очень дешевой, долгосрочной и гибкой в плане использования», – уверяет вице-президент по развитию Ambri Кристин Бриф. Батарейка может служить до 15 лет и способна за десятые доли секунды реагировать на сигналы сети – например, переключаться с зарядки на разрядку и стабилизировать напряжение.

В конце прошлого года Ambri открыла фабрику по производству батарей в Массачусетсе. Компания пока не занимается продажами, а сосредоточена на изготовлении прототипов, но у Кристин Бриф нет сомнений, что продукт будет востребован. Пять прототипов, которые будут готовы в 2015 году, уже распределены между частными и государственными заказами в США: один из них отправится на военную базу в Массачусетсе, другой – в электрическую компанию в Нью-Йорке, два – на Гавайи, где их будет тестировать независимый производитель возобновляемой энергии First Wind, и один – на Аляску. Кроме того, первую коммерческую систему мощностью 1 МВт·ч купили ВМС США: в 2016 году ее установят на военной базе в Перл-Харборе.

Батарейка для автомобиля

Энн Мари Сестри

Энн Мари Сестри

Едва ли не главная отрасль, в которой инновационная батарейка может совершить революцию, – автомобильная. Дешевый, энергоемкий, быстро заряжающийся и безопасный аккумулятор увеличит пробег электрокаров, снизит цену машин и стоимость обслуживания. Но батарейку, которая заменит двигатель внутреннего сгорания, еще не изобрели. «Нельзя забывать, что энергоемкость бензина – около 1200 Вт·ч/кг, это почти в 100 раз выше, чем у батарейки такого же веса. Поэтому современным аккумуляторам сложно соревноваться с топливом», – отмечает гендиректор канадской компании Cadex Electronics Айсидор Бакманн.

Основатель Tesla Илон Маск не стал дожидаться изобретателей: в сентябре он начал строительство фабрики по выпуску батарей в Неваде, рассчитывая втрое снизить их себестоимость за счет масштаба производства. Но многие продолжают пытаться удешевить производство батарей при помощи инноваций. Среди них – стартап Sakti3, разработавший прототип литиево-ионной батарейки на основе твердого электролита. «Жидкий электролит со временем может деградировать и ухудшать состояние других материалов в батарейке. Мы разработали формулу, где вообще нет жидкости – ни паразитных масс, ни материалов, разрушающих активно действующие компоненты», – заявила журналу «РБК» президент компании Энн Мари Сестри. По ее словам, новые батарейки уже продемонстрировали рекордные показатели энергоемкости – более 1100 Вт·ч/л, что примерно вдвое мощнее самых современных аналогов.

Энн Мари Сестри основала стартап в 2007 году на базе лаборатории Мичиганского университета. С тех пор компания провела три раунда инвестиций, собрав свыше $30 млн. В Sakti3 обещают, что к 2020 году их аккумулятор будет стоить в пять раз дешевле аналогов, и в этом случае он перевернет индустрию электромобилей. «Современный электрический привод для электромобилей стоит минимум $10–15 тыс. Многие семьи не могут его себе позволить, даже если хотят использовать более экологичное транспортное средство», – констатирует Сестри. Компания планирует запустить аккумулятор в коммерческое производство в 2016 году.

altenergiya.ru

Проточная батарея на органических компонентах и дешевле, и лучше ванадиевой - Сур Бере

В Гарвардском университете (США) усилиями Майкла Азиза (Michael J. Aziz) и его сотрудников создан новый тип так называемой проточной батареи из весьма дешёвых материалов. Авторы разработки полагают, что она исключительно важна для триумфа возобновляемой энергетики. Попробуем разобраться, так ли это...

Ночью новая батарея сможет снабжать одно домовладение запасённым днём гелиоэлектричеством уже при ёмкости в 2 000 л. Не идеал, но реальнее литиевой или свинцово-кислотной альтернативы. (Здесь и ниже илл. Eliza Grinnell / Harvard School of Engineering and Applied Sciences.)

Проточные аккумуляторы весьма надёжны, долговечны (более 10 000 циклов зарядки–разрядки) и, что особенно важно, дешевле литий-ионных на киловатт-час запасаемой энергии. Самый успешный из них — ванадиевый редокс-аккумулятор, основанный на изменении степени окисления ванадия в рабочем растворе. Всего состояний окисления используется четыре: в батарее есть две ёмкости с электролитом, насосы и центральная камера, в которой две жидкости разделены протонообменной мембраной. Одна ёмкость содержит ионы V 5+, вторая — V 2+. Когда аккумулятор заряжается/разряжается, электролиты закачиваются в камеру, где идут химические реакции, сдвигающие заряд ионов в ту или иную сторону.

Из этой схемы очевидно, что в ней задействовано сравнительно немного ванадия, нет лития, а потому стоимость киловатт-часа ёмкости батареи может быть ниже $500 — той самой магической цифры, что до сих пор не позволяет электромобилям вытеснить своих вековых конкурентов. Что с ёмкостью? Она равна 20–30 кВт•ч/кг, что чуть ниже, чем у свинцовой батареи вашего авто, и в несколько раз меньше, чем у литиевой батареи вашего ноутбука.

Тем не менее для крупномасштабных накопителей энергии, используемых в энергосетях для компенсации колебаний выработки энергии солнцем и ветром, ёмкость на килограмм не так важна, как ёмкость на доллар. Опять же долговечность даже лучших литиевых аккумуляторов сегодня всё ещё в несколько раз меньше, чем у проточных аналогов. Именно поэтому на японском острове Хоккайдо строится первая крупная накопительная станция на ванадиевых редокс-аккумуляторах ёмкостью в несколько мегаватт-часов.

Увы, кроме японцев, пока охотников идти в этом направлении мало: по расчётам Министерства энергетики США, даже самые дешёвые ванадиевые батареи стоят нынче не менее $350 на кВт•ч ёмкости, в то время как для широкого внедрения цена должна упасть до $100 за кВт•ч. Улучшение технологии производства собственно ванадиевых батарей вряд ли поможет: только сам их ванадий стоит $81 на кВт•ч, то есть, как ни совершенствуй технологию, аккумулятор в комплекте будет всего на четверть дороже.

Именно поэтому группа Майкла Азиза взялась заменить ванадий на хиноны — органические соединения, используемые в животном и растительном мире для переноса электронов и протонов в процессе дыхания. В одной ёмкости своей экспериментальной батареи учёные разместили водный раствор хинона, а в другой — жидкий бром. При работе батареи каждая молекула хинона отдаёт через протонообменную мембрану пару протонов, а ещё два электрона — через отдельную цепь. В итоге в ёмкости с бромом из одной молекулы брома образуются две молекулы бромистого водорода. При зарядке к бромистому водороду просто подают электроны, и протоны от него переходят обратно к хинону. Кроме изменения направления работы насосов, ничего переделывать не нужно — и, что особенно важно, конвертеры и прочая электротехника, отвечающие за пиковую нагрузку, могут быть любой мощности и никак не связаны с общей ёмкостью батарей, определяемой объёмом накопителей с бромом и хиноном.

Что это значит? Если вы захотите «нарастить», скажем, литиевую батарею, вам придётся купить и накопительную ёмкость, и всю сопутствующую «электротехнику», поскольку функционально это единое целое. С проточными аккумуляторами таких ограничений нет, а потому стоимость накопления огромного количества энергии может быть очень умеренной — особенно если вам нужна не слишком большая пиковая мощность, как при хранении энергии, вырабатываемой фотоэлементами, которые стоят на вашей крыше.

От ванадиевых батарей новую хиноновую проточную отличает дешевизна компонентов: хинон накопителя почти идентичен хинону ревеня и распространён как в живой природе, так и в сырой нефти, отчего дешевле ванадия. На сам хинон приходится лишь $27 на киловатт-час ёмкости батареи, что ровно втрое меньше, чем для основного компонента ванадиевого редокс-аккумулятора. Следовательно, у такой или подобной батареи есть все шансы уложиться в прокрустовы $100 за киловатт-час, установленные в качестве ориентира Минэнерго США (кстати, спонсировавшим разработку).

Что не менее важно, хинон-гидрохиноновая реакция протекает примерно в тысячу раз быстрее, чем процессы восстановления и окисления ванадия. А это позволяет заряжать и разряжать такую батарею куда оперативнее ванадиевого варианта и в конечном счёте добиться много более стабильных параметров работы сети при той же номинальной ёмкости накопителей. «Я думаю, — говорит Майкл Азиз, — что химия, которой мы уже достигли, может быть лучшей из тех, что пригодны для стационарного накопления и хранения энергии. Вполне возможно, что она ещё и достаточно дёшева, чтобы пробиться на рынок. Но у нас ещё есть идеи, которые в огромной степени улучшат положение дел».

В ближайшее время Майкл Азиз собирается заменить ядовитый бром на ещё одну разновидность хинона.

Учёный намекает на то, что бром, вообще говоря, довольно дрянное вещество, в жидком виде весьма опасное для человека и весьма коррозионноактивное, к тому же ещё и замерзающее при -7,2 °C (хотя в работающей батарее замерзание ему вряд ли грозит). Идеальная проточная батарея в глазах исследователя будет иметь во второй ёмкости не его, а другую разновидность хинона — благо живые организмы всё же обходятся без брома в своих дыхательных процессах. Именно над такой заменой и корпит сейчас г-н Азиз.

Впрочем, коммерциализация даже текущей технологии вполне вероятна уже в ближайшее время. Частная Sustainable Innovations, LLC намерена в срок, не превышающий трёх лет, представить на рынке демонстрационную версию такой батареи, пригодной для широкого использования. Среди первых потенциальных потребителей авторы разработки видят домовладельцев и коммерсантов, имеющих солнечные батареи на крышах принадлежащих им зданий. Похоже, с такими накопительными ёмкостями можно будет отказаться от покупки электричества у энергосетей!

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature. Подготовлено по материалам Harvard Gazette. Компьюлента.

#Мысля #энергетика

www.dnevniki.ykt.ru


Смотрите также