Ученые исследуют новые материалы для улучшения работы микросетей с возобновляемыми источниками энергии

Исследователи усердно работают над новой технологией батарей, которая сможет отвечать постоянно растущему экономическому и потребительскому спросу на хранение возобновляемой энергии в микросетях (micro-grid).  Возобновляемая энергия поступает от воды, солнца, ветра и других источников. Согласно данным Grist они изучают многообещающие результаты от батарей, использующих жидкие, расплавленные металлические элементы, соленую воду, цинк, литий-воздух и другие химические элементы для удовлетворения потребностей электрической сети.

Большая стоимость – большая проблема, согласно словам Эрика Ролфинга (Eric Rohlfing), заместителя директора по технологиям ARPA-E, подразделения отдела энергетики, которое идентифицирует и финансирует передовые исследования и разработки. Отдел был создан при участии бывшего президента Обамы, в 2009 году. ARPA-E потратило 85 миллионов долларов США на разработку новых батарей, акцентируя внимание на снижение их стоимости.

Снижение стоимости аккмуляторных батарей с 2010 по 2016 год

Исследование 2012 года, опубликованное в журнале Nature Magazine, показало, что средний американец будет готов платить около 13 долларов каждый месяц, чтобы гарантировать, что вся система электроснабжения США будет работать на возобновляемой энергии, которая будет храниться в аккумуляторных батареях. Это означает, что коммунальные предприятия должны иметь возможность хранить энергоресурсы на уровне сети, стоимость которых будет стоить менее 100 долларов за кВт-час. Согласно Bloomberg New Energy Finance, цены на аккумуляторные батареи продолжают стремительно падать.

В настоящее время этот показатель составляет сотни долларов США / кВт∙ч. По мнению многих экспертов, цена должна опуститься до уровня менее 100 долларов / кВт∙ч для того, чтобы аккумуляторные батареи, были конкурентоспособными на рынке.

Подготовка рынка

Достигнут некоторый успех в области хранения энергии от возобновляемых источников энергии на рынке. Aquion имеет накопительную батарею на соленой воде емкостью 35 мегаватт-час, установленную в 250 установках по всему миру. Его цель — создать наименее дорогой и самый надежный аккумулятор, который можно сделать. «Наша химия очень проста», — говорит Мэтт Марун, вице-президент Aquion по управлению продуктами. «Данная продукция очень проста в монтаже. Наша основная часть производственной сборки выходит из пищевой   промышленности », — добавляет он.

Aquion утверждает, что ничто в их аккумуляторе  не токсично, не содержит каустики и не является легко воспламеняемым. Одна установка на Гавайях работает в течение двух лет. В прошлом году аккумуляторная батарея в связке с солнечными батареями питали несколько зданий в течение шести месяцев без использования дизельного генератора.

Аккумуляторные батареи на основе соленой воды

Другая компания, Ambri, полагает, что в буквальном смысле она имеет следующую горячую технологию хранения энергии: очищенные расплавленные алюминиевые металлические ячейки с использованием низкотехнологичного подхода. Основанный в Марлборо, штат Массачусетс, он был создан примерно десять лет назад профессором химии Дональдом Садоуи и доктором философии Дэвидом Брэдвеллом. Улучшенные материалы работают при температуре 900ºF, на несколько сотен градусов ниже, чем созданные другими разработчиками. Некоторые испытательные ячейки работают почти четыре года, не проявляя никаких признаков износа. Компания решила некоторые неприятные проблемы с тепловыми процессами, позволяющие аккумуляторным блокам достичь самоподдерживающейся рабочей температуры, значение которой достаточно, чтобы заряжать и разряжать аккумуляторы без дополнительной подачи энергии. Ambri планирует начать серийное производство этих изделий в течение двух лет.

Рабочий прототип 432 ячеечной батареи Ambri мощностью в 20 кВтч

Используя «расчетную модель» молекул и их свойства, команда ученых Университетов штатов Юта и Мичиган разработала «молекулу для  хранения заряда», которая примерно в 1000 раз более стабильна, чем текущие соединения относительного окисления, используемые сегодня. Первое соединение имело период полураспада около 8-12 часов (время, в течение которого половина материала разлагалась). Ученые предсказывали, что соединение будет стабильным в течение нескольких месяцев.

Они использовали два резервуара, где были растворы, содержащие молекулы заряженных атомов, называемые анолитами и католитами, которые хранят и освобождают заряд, когда раствор протекает мимо электродов. Чтобы увеличить емкость аккумулятора, в резервуары добавляется больше раствора, и он течет через одну и ту же ячейку. Увеличивая  количество ячеек, достигается более высокая скорость заряда или разряда.

Ученые сообщают, что наиболее «перспективный» анолит основан на органической молекуле pryidium, которая не содержит металлов и предназначена для растворения в органическом материале, что еще больше повышает стабильность. Хотя другие соединения проявляют более длительные периоды полураспада, анолит pryidium обеспечивает наилучшую комбинацию стабильности и окислительно — восстановительного потенциала, что напрямую связано с количеством энергии, которая может храниться в батарее.

Интересная работа в Гарвардском университете использует интеллектуальное моделирование химических структур, а также технику потока. Профессор Майкл Азиз и аспирант Эндрю Вонг разработали небольшую экспериментальную систему хранения, которая опирается на органические молекулы из класса соединений, известных как хиноны. Они могут быть найдены в ревене.

Электрохимические ингредиенты электролита растворяют в воде и хранят в мензурках. Когда эти растворы протекают рядом друг с другом, они создают электрический заряд. Они называют свою систему «органической мега проточной батареей», которая может стать возобновляемым источником энергии. Решения на основе углерода возвращаются в аккумуляторы, получая углерод из атмосферы.

В состав соединения включали алоэ вера, витамин K, азот и витамин B2.На выходе получали 1 Вт мощности. Они признают, что для производства около миллиона Вт потребуется два резервуара в два раза больше, чем у Goodyear.

Каково будущее?

Поскольку прогресс в области исследований аккумуляторных батарей все же продвигается, хоть и не слишком быстро, может понадобиться довольно много времени, прежде чем появятся батареи способные кардинально изменить традиционные системы электроснабжения и отдать пальму первенства на этом рынке альтернативной энергетике. Давайте смотреть правде в глаза, в технологиях, которые сейчас применяют в аккумуляторах, не ожидается «феноменальный рывок» в ближайшие годы. Для реализации данной идеи необходимо значительное повышение плотности хранимой энергии, уменьшению размеров, увеличения надежности, и, конечно же, минимальной стоимости. Вся надежда полагается на развитие химии и снижения стоимости материалов для изготовления деталей и содержимого аккумуляторных батарей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: