ПРОТОЧНАЯ БАТАРЕЯ НА ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ И ДЕШЕВЛЕ, И ЛУЧШЕ ВАНАДИЕВОЙ
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 V5+, вторая — V2+. 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!
Источник: compulenta.computerra.ru
