Системы хранения энергии будут играть ключевую роль при переходе на возобновляемые источники. Идеальным решением обещают стать проточные аккумуляторы — гигантские сооружения, которые используют емкости с жидким электролитом для хранения электроэнергии и способные обеспечить электричеством тысячи домов.
Такие аккумуляторы приводятся в действие мощными насосами. Жидкий электролит пропускают через ядро, состоящее из положительного и отрицательного электродов, разделенных мембраной. Когда солнечные панели или ветрогенераторы вырабатывают электричество, насосы прокачивают отработанный электролит через электроды, из-за чего он заряжается и возвращается обратно в емкость, в которой хранится.
Чтобы увеличить энергоемкость батареи, нужно просто поставить резервуары для электролита большего размера или добавить несколько новых. Чаще всего в качестве электролита используют раствор серной кислоты и ванадиевой соли, поскольку с ее помощью можно держать под контролем процесс эрозии.
В Китае сейчас строят крупнейшую в мире ванадиевую проточную батарею емкостью 800 МВт*ч, которая приступит к работе в 2020 году.
Рынок таких аккумуляторов в ближайшие пять лет вырастет до $5 млрд, согласно исследованиям MarketsandMarkets.
Проблема в том, что за последние несколько лет цены на ванадий существенно выросли, а с развитием индустрии могут и вовсе взлететь. Поэтому ученые ищут способ заменить ванадий на органические соединения, которые также могут захватывать и высвобождать электроны.
Группе исследователей из Гарвардского университета удалось создать стойкую органическую молекулу, которая теряет только 3% от своей пропускной способности в год. Она пока нестабильна, но по сравнению с предыдущими попытками считается настоящим прорывом.
Железо — еще одна многообещающая альтернатива ванадию. Компания EES из Портленда даже создала прототип такой батареи.
Правда, она требует, чтобы электролиты работали при уровне рН от одного до четырех и в кислотной среде, похожей на уксус.
Ученые из Университета штата Юта нашли способ, при котором проточные аккумуляторы могут работать с нейтральным рН. Они взяли железосодержащий электролит — ферроцианид — который раньше уже пытались применять в таких целях. Но он плохо растворялся в солевых растворах, ограничивая энергоемкость аккумулятора.
Поэтому ведущий автор исследования Лю Тяньбао со своими коллегами решили заменить соли на аммоний — соединение на основе азота, которое позволяет растворить, по меньшей мере, в два раза больше ферроцианида. Емкость батареи, соответственно, удваивается.
Она на протяжении 1000 циклов заряда/разряда (это сравнимо с тремя годами службы) не показывает ни малейших признаков деградации.
Еще один вариант — использовать электролиты, изготовленные из металлосодержащих органических соединений — полиоксометаллатов. Они могут хранить гораздо больше энергии при том же объеме занимаемых емкостей. Ученые из Университета Глазго опубликовали результаты своей работы в журнале Nature Chemistry, отчитавшись о том, что их проточные батареи на основе полиоксометаллатов хранят в 40 раз больше энергии, чем ванадиевые того же размера.
Другой эффективной системой хранения для энергосетей, работающих на возобновляемых источниках, могут стать никель-водородные аккумуляторы. Их можно перезаряжать 20-30 тысяч раз без серьезной деградации.
Ранее сообщалось, что гибридную ветростанцию Siemens Gamesa подключили к хранилищу на проточных батареях. Работа проточных редокс-аккумуляторов основывается на окислительно-восстановительной реакции. Для аккумуляции потенциальной энергии в батареях используются ионы ванадия.
