От свинца к графену: какие технологии накопления определят энергетику будущего
Системы накопления энергии становятся все более важным элементом мировой энергетики на фоне «зеленого» курса, подразумевающего в том числе переход к более распределенной и автономной генерации. В предыдущие два десятилетия самым значимым событием для сектора стал переход от свинцово-кислотных батарей к литий-ионным, но сейчас индустрия уперлась в своеобразный технологический потолок их развития. Для эффективного промышленного использования требуется значительно повысить энергетическую плотность аккумуляторов, обеспечить более высокую скорость зарядки и при этом гарантировать число циклов перезарядки не менее, чем у существующих сегодня образцов. Подробнее — в материале «Энергии Северо-Запада».
Проблемы возникают и с сырьем. Во-первых, цветных и редкоземельных металлов, используемых в батареях, добывается относительно мало, чтобы удовлетворить кратно возрастающий спрос, во-вторых, их добыча — это грязное производство с ущербом для окружающей среды. Да и после использования возникают проблемы того же характера с утилизацией использованных батарей.
Все более активное внедрение систем накопления энергии в энергосистемы стимулирует научные разработки — скорость разработки и внедрения ноу-хау постоянно возрастает. Не все они в итоге будут реализованы на практике, но каждое из них способствует научно-техническому прогрессу.
Начнем с новостей о доработке литий-ионной технологии, являющейся сейчас в мире базовой. В 2019 году Tesla Илона Маска объявила о разработке батарей, способных без замены пройти более 1,6 млн км, тогда как современные аккумуляторы рассчитаны на 300–500 тысяч км пробега. В августе прошлого года та же Tesla и Pacific Gas & Electric начали строительство в Калифорнии на усовершенствованных литий-ионных батареях. Система, получившая название Moss Landing, включает 256 аккумуляторных блоков Tesla Megapack и сможет выдавать в сеть до 730 МВтч с максимальной выдачей мощности 182,5 МВт в течение четырех часов. Соглашение PG&E с Tesla предусматривает возможность увеличения емкости системы до шести часов, или 1,1 ГВтч.
В 2020 году Mercedes-Benz объявил о планах по созданию органического аккумулятора. Основой технологии станет графит с электролитом на водяном растворе, что исключит использование тяжелых металлов, повысит экологичность и продукции, и производства. Утилизировать такие батареи планируется путем простого компостирования, но, как признает сам Mercedes, их массовое производство может быть развернуто не ранее 2035 года.
Повышение экологичности интересует и других исследователей. В конце 2019 года IBM представила образец аккумулятора без никеля и кобальта. Прототип был создан из материалов, которые можно получить из морской воды. Батарея включает комбинацию катодного материала без тяжелых металлов и безопасного жидкого электролита с высокой температурой горения. Разработчики говорят, что подобные системы окажутся существенно дешевле литий-иона, будут менее огнеопасны, иметь большую скорость зарядки и энергетическую плотность. Для создания производства IBM уже заключила коммерческое соглашение с Mercedes-Benz, поставщиком электролита Central Glass и производителем батарей Sidus.
Одновременно сразу несколько компаний ведут разработку батарей на основе графена — самого тонкого и прочного из пока открытых материалов. Специалисты испанской компании Graphenano представили прототип — аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Емкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1 000 Втч/кг, что почти в 10 раз выше показателей современных литий-ионных батарей, скорость зарядки — в 33 раза выше.
В этом году ученые из университета Чалмерса (Швеция) представили автоаккумулятор из углеродного волокна. Достигнутый уровень номинального напряжения в 2,8 В позволяет батарее, состоящей из почти 4,7 тыс. ячеек, иметь плотность энергии 380 Втч/кг. В будущем такие системы из композитных материалов можно будет использовать как в автомобилях, так и в самолетах, чтобы сделать их легче и экологичнее.
Еще один прорабатываемый вариант — создание полимерных аккумуляторов, материалы для которых получают из алюминия и других природных материалов. Стартап Ionic Materials презентовал полимерный аккумулятор, который должен оказаться безопаснее, долговечнее и экономически выгоднее литий-иона, так как процесс их производства похож на изготовление пластиковой упаковки. Правда, получив достаточно высокое напряжение (5 В), разработчики бьются над увеличением числа циклов зарядки/разрядки: пока батарея выдерживает 400 циклов, что кратно хуже передовых разработок, но исследователи рассчитывают увеличить его как минимум втрое.
Другой стартап — EnZinc — в этом году заявил, что нашел способ заменить литий в аккумуляторах на нетоксичный и дешевый цинк. Ранее в мире выпускались лишь неперезаряжаемые цинковые батареи. Уже появились первые цинковые батареи, выдерживающие несколько тысяч циклов зарядки и имеющих емкость в 2–4 раза выше, чем у литий-иона (460 Втч/кг против 120–240 Втч/кг). Пока идут испытания образцов, но разработчики обещают, что такие системы будут обходиться вдвое дешевле самых простых литий-ионных батарей.
В прошлом году в США был представлен образец давней мечты фантастов — «вечной атомной батарейки». По существу, аккумулятором разработка Nano Diamond Battery не является, это радиоизотопный источник энергии. Бета-гальваническая батарея в теории может проработать 28 тысяч лет — именно столько будет «фонить» стержень батареи, получаемый из переработанных ядерных отходов углерода-14, помещенный в корпус из синтетических алмазов. Внутри устройства бета-излучение изотопов преобразуется в электроток. Компания предложила уже несколько форм-факторов таких устройств, в том числе в распространенных форматах АА, AAA, 18650, CR2032 и других.
Первоначально «атомные батарейки» разрабатывались для космической промышленности, подобные технологии были в СССР, а затем и в России. Так, НИТУ «МИСиС» разработал никелевый бета-гальванический элемент со сроком службы около 20 лет. Там же выпускают термохимические ячейки, которые превращают тепло в электрическую энергию. Эти элементы можно размещать на одежде и использовать их энергию для зарядки мобильных устройств. Схожие изыскания ведутся в США, где группа ученых разработала новые, ультратонкие металлические электроды на золоте, которые позволят создавать прозрачные солнечные панели. Эти панели можно будет устанавливать прямо на окнах домов и офисов.
Впрочем, электрохимические накопители — не единственное технологическое направление, вызывающее интерес у изобретателей. Американский стартап UC Won в 2020 году предложил концепцию геотермального накопителя GeoTES (Geological Thermal Energy Storage) для круглосуточного использования солнечной энергии. Система объединит солнечные тепловые коллекторы с параболическими зеркалами (фокусируют лучи в одной точке), подземное хранилище тепла в осадочных породах и паровое электрогенерирующее оборудование. При нагревании солнцем вода в трубках будет испаряться, а пар будет входить в турбину и одновременно закачиваться под землю, разогревая осадочную породу. Ночью вода под землей будет испаряться уже под воздействием разогретой породы. Получаемый пар можно будет использовать для выработки электроэнергии.
Накапливать энергию уже с помощью охлаждения, а не разогрева, пытаются в Великобритании. Стартап Highview Power начал в Манчестере строительство комплекса CRYOBattery мощностью 50 МВт и емкостью 250 МВтч. Система будет захватывать воздух из атмосферы в специальную емкость и сжимать его при сверхнизких температурах (—196 ºC), чтобы превратить в жидкость. Эту жидкость поместят в баки с теплоизоляцией и низким давлением. Нагревание вернет воздух в газообразное состояние, а газ приведет в действие турбины генераторов, которые будут вырабатывать электричество.
В мире сохраняется интерес и к гравитационным накопителям. В этом году шотландский Gravitricity запустил пилот в Эдинбурге — крупнейшем закрытом глубоководном порту. Системы с грузом от 500 до 5 000 тонн будут монтироваться над 150 - 1 500-метровыми заброшенными шахтами. Выработка энергии в системе мощностью 4 МВт будет происходить при спуске груза в периоды пикового потребления, подъем осуществляется в моменты низкого спроса и дешевой энергии.