Энергия на потом
Мало кто знает, что электрохимические элементы питания известны уже более 2200 лет и что в 1970-х мир достиг критического порога, когда нужно было кардинально перестраивать производство аккумуляторных батарей. Сложная ситуация разрешилась неожиданным образом.
Багдадская находка
В Ираке неподалёку от Багдада в 1936 году был обнаружен глиняный горшок, который некоторыми специалистами был признан как старейший гальванический элемент. Это узкий сосуд высотой 13,5 см с горлышком, залитым битумом. Через сосуд проходит железный прут со следами коррозии, заключённый в медный цилиндр. Археолог Вильгельм Кёниг описывает свою находку следующим образом. «Верхний конец стержня примерно на сантиметр выступал над цилиндром и был покрыт тонким светло-жёлтым, полностью окислившимся слоем металла, по виду похожего на свинец. Нижний конец железного стержня не доставал до днища цилиндра, на котором находился слой асфальта толщиной примерно около трёх миллиметров...»
Никаких проводов найдено не было, но исследователи повторили конструкцию и обнаружили, что после наполнения виноградным соком или пятипроцентным винным уксусом элемент выдаёт электрическое напряжение от 0,5 до 2 В.
К сожалению, специалисты не смогли достоверно определить, для чего использовалась эта батарея свыше двух тысяч лет назад. Среди интересных гипотез - снятие боли и нанесение гальванических покрытий. Немецкий египтолог Арне Эггебрехт экспериментально показал, что с помощью десяти багдадских электрохимических элементов можно получить мощность, необходимую для гальванического осаждения золота на поверхности серебряной статуэтки. Есть и более волнующие гипотезы, такие как изготовление философского камня алхимиками.
От биологии
Первые научные работы по электрохимическим источникам энергии связаны с именами Луиджи Гальвани (1737-1798) и Алессандро Вольты (1745-1827). Недаром сегодня каждый технически образованный человек знает слова «гальваника» и «вольт».
Гальвани в своих экспериментах обнаружил, что мышцы лягушачьей лапки начинают сокращаться при контакте с различными металлами. Отсюда он заключил, что мускульная активность связана с электричеством. Вольта, в свою очередь, исследовал эффекты, которые возникают, когда металлы попадают в растворы различных солей. Он создал прибор, в котором в солевом растворе чередовались пластины меди и цинка, разделённые кусочками картона. Получившийся, по выражению Вольты, «искусственный электрический орган» выдавал электрический ток, если пластинки были соединены между собой металлическими проводниками.
Без этих экспериментов было бы невозможно быстрое развитие электротехники и немыслимо изобретение свинцово-кислотной аккумуляторной батареи как эффективного накопителя электрической энергии.
Свинцовый потолок
В конце XIX века были изобретены динамо-машина и электрические лампы. Быстро росла потребность в накоплении электрической энергии. В 1880-м началось масштабное промышленное производство свинцово-кислотных аккумуляторов. Ключом к нему оказалось изобретение французского физика Камилла Фора, который придумал так называемые липкие пластины. Фор предложил заранее покрывать каждый свинцовый электрод суриком или другим материалом, содержащим окислы свинца. Как следствие, аккумуляторы стали накапливать во много раз больше энергии. Технологию использовало множество предприятий, в том числе компания Power and Light, где помощником инженера работал Уильям Томсон, впоследствии получивший титул лорд Кельвин. За дальнейшими подробностями о развитии свинцово-кислотных аккумуляторов отошлём читателя к статье «Серый кардинал».
К 1970-м годам совершенствование свинцово-кислотных батарей притормозилось. Их удельная ёмкость более не увеличивалась, менялись лишь форм-факторы и конструктивные решения, а потребности промышленности и транспорта в накопителях продолжали расти, так что учёным и инженерам стало ясно, что нужно искать принципиально иные способы хранения энергии, не ограниченные количеством используемых токсичных материалов.
Выход в поле
Учёные обратили внимание на явление сверхпроводимости, которое позволяет накапливать энергию не в веществе, а в магнитном поле. В начале 1970-х ряд научно-исследовательских учреждений в Великобритании, США, Германии, Франции, Японии и СССР приступил к работе по созданию сверхпроводящих индуктивных накопителей (СПИН).
Наша страна добилась в этом направлении заметных успехов. В Москве ещё в 1970-х была опробована экспериментальная установка мощностью 300 кВт, подсоединённая к энергосети через шестифазный тиристорный инвертор.
Позже в Объединённом институте высоких температур были развёрнуты широкие исследования с целью разработки серии сверхпроводящих индуктивных накопителей ёмкостью 106 - 108 Дж, предназначенных для использования в качестве регулирующих устройств в энергосистемах. В результате на экспериментальной площадке института был построен СПИН мощностью 30 МВт, способный за три секунды выдавать 50 МДж энергии в обычном и 100 МДж в форсированном режимах. Учёные отрабатывали способы переключения секций сверхпроводящей катушки (последовательно и параллельно), чтобы оперативно менять регулирующие возможности накопителя.
Стоит отметить, что бесконечно повышать плотность энергии в СПИН тоже не получается. Здесь основное ограничение - механическая прочность сверхпроводящей катушки. Поскольку магнитные поля и токи громадны, на катушку воздействуют мощнейшие усилия. Сплавы же, применяемые для изготовления сверхпроводников, хрупки.
Новые прорывы
Вторую половину XX и начало XXI века смело можно назвать эрой материаловедения. Учёные всё глубже проникают в тайны сложных материалов и электрохимических процессов. С начала 1960-х развиваются технологии производства суперконденсаторов, в результате чего доступные инженерам-схемотехникам ёмкости выросли с сотен тысяч микрофарад до многих тысяч фарад.
Первоначально суперконденсаторы использовались как маломощные резервные источники тока для сохранения параметров конфигурации оборудования, питания встроенных часов, энергонезависимой кэш-памяти и т. д. Сегодня промышленности доступны мощнейшие суперконденсаторные модули для гибридных и полностью электрических автомобилей, электровозов, автопогрузчиков и пр. Эти устройства удачно дополняют аккумуляторные батареи, продлевая срок их службы.
Тем временем развиваются технологии производства ионно-литиевых аккумуляторов, которые обеспечивают в разы большую плотность запасаемой энергии, чем старые добрые свинцово-кислотные. Улучшенные количественные характеристики переросли в новое качество: ионно-литиевые элементы уже способны «поднять себя в воздух» в составе дронов и обеспечить пробег электромобиля в несколько сотен километров.
На другом фронте научно-технического прогресса находятся проточные аккумуляторы (см. «Энерговектор», № 2/2012, с. 6). В них электрохимический реактор физически отделён от хранилища энергии - баков с электролитом, что позволяет практически без ограничений наращивать объёмы запасаемой энергии.
* * *
Интересные тенденции на будущее обещают нам криптовалюты. В принципе деньги всегда использовались как средство накопления, позволяющее сохранять результаты приложения человеческой энергии - физической, умственной, эмоциональной... С распространением криптовалют и их мобильного майнинга (эмиссии) накопители могут получить новый мощный стимул для технологического развития.
Читайте другие наши материалы
