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.
100 долларов за киловатт
Гарвардские ученые модифицировали структуру молекул, которые используются в положительных и отрицательных электролитных растворах (виологенов и ферроценов), и, сделав их растворимыми в воде, создали аккумулятор, теряющий всего 1% емкости на тысячу перезарядок.
Поскольку электролиты растворены в воде, такую батарею вполне можно установить в подвале дома. Если раствор прольется на пол, он не разъест цемент, а раз жидкость не вызывает коррозию, для изготовления цистерн и другого оборудования можно использовать более дешевые материалы.
Дешевизна — принципиальный момент. Так, министерство энергетики США поставило цель создать аккумулятор, себестоимость которого была бы ниже 100 долларов за киловатт-час сохраняемой электроэнергии, что позволило бы энергии ветра или солнца конкурировать с электричеством, вырабатываемым традиционным способом.
В свете этого особенно важной представляется нейтральная кислотность, позволяющая снизить стоимость мембраны, разделяющей две части батареи. Большинство современных аккумуляторов используют дорогие полимеры, способные выдержать воздействие агрессивной среды. Их цена составляет до трети стоимости всей батареи. Но для того, чтобы разделять соленую воду, из которой в основном состоит изобретенный в SEAS аккумулятор, достаточно дешевых углеводородов.
Технология, которую ждут
«Если ученым удастся решить все технические проблемы и довести разработку до стадии коммерческого продукта (получив требуемые сто долларов за киловатт-час), ее воздействие будет большим — например, не будет отключения или прекращения подачи электроэнергии — так оценивает перспективы новой батареи профессор Кит Стивенсон, директор Исследовательского центра “Сколтеха” по электрохимическому хранению энергии. — Это также приведет к более эффективному использованию электричества, позволит провести диверсификацию электросетей, значительно понизить стоимость их технического обслуживания и даже создавать частые мини-сети для местного использования. Такие батареи не загрязняют окружающую среду и не генерируют шум, в отличие от дизельных или газовых генераторов, и почти не требуют технического обслуживания в течение пятнадцати-двадцати лет с момента установки».
Кстати, Билл Гейтс в своей презентации «Инновации в области энергетики» отнес проточные батареи к числу трех самых интересных и обещающих, на его взгляд, разработок будущего. Как считает Гейтс, такие технологии способны существенно повлиять на формирование качественной инфраструктуры густонаселенных развивающихся стран, где много солнечной энергии. А это в свою очередь позволит этим странам более интенсивно развивать промышленность и сельское хозяйство.
Вот как комментирует новость из Гарварда профессор Владимир Сергеев, заведующий кафедрой коллоидной химии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова: «За такими системами будущее. Не случайно во многих развитых странах (США, Япония, Германия) запущены специальные государственные программы по разработке различных систем проточных батарей, которые могут быть как органическими, так и неорганическими. Эти системы позволяют аккумулировать излишки энергии и потом мгновенно их отдавать. В этом их основное преимущество».
