Солёная энергия
В Йенском университете им. Фридриха Шиллера разработан новый электрохимический процесс для проточных аккумуляторных батарей. Его «изюминка» в том, что в качестве электролита применяется самый обычный солевой раствор, позволяющий удешевить технологию и резко снизить экологические риски.
Забавно, но многолетние научные исследования привели немецких учёных к решению, которое и так известно каждому домохозяину. Просто мало кто об этом задумывается. Используя рассолы для того, чтобы получше запасти на зиму пищу (грибы, капусту, рыбу...), люди эффективно сохраняют килокалории пищевой энергии.
Вряд ли можно придумать более дешёвый электролит, чем раствор обычной поваренной соли. И очень кстати, что, применяя рассол, можно для хранения энергии задействовать шахты на уже выработанных солевых месторождениях.
Чем проще, тем лучше
Напомним читателям, что в проточных аккумуляторных батареях используются резервуары с католитом и анолитом - ионосодержащими жидкостями. Насосы прокачивают эти жидкости через зарядно-генерирующий блок, по принципу действия напоминающий топливный элемент. В этом блоке анолит и католит соприкасаются с электродами, которые находятся по разные стороны мембраны, проницаемой для ионов. В зависимости от режима (заряд или разряд) концентрация ионов в баках увеличивается или уменьшается, а установка - потребляет или выдаёт электрический ток.
В первых проточных аккумуляторах (см. «Энерговектор», № 2/2012 г., с. 6) использовалась серная кислота с растворёнными в ней ванадием и его оксидами. Эти вещества нужно было держать в специальных устойчивых к коррозии баках, и никакой речи об использовании природных хранилищ быть не могло. Сегодня оно стало возможным. Более того, учёные из Йенского университета пошли дальше и заменили ванадий, используемый для накопления заряда, на полимерный материал, что позволило обойтись недорогими мембранами. При этом достигаются плотность энергии порядка 10 Вт·ч на литр раствора и плотность тока 100 миллиампер на квадратный сантиметр поверхности электрода.
Мегаватты из пещер
Энергетическая компания EWE (Германия) взялась освоить новую разработку. В настоящее время EWE эксплуатирует на севере Германии восемь подземных газовых хранилищ, которые устроены в пещерах внутри солевых структур. Используя ещё две подобные пещеры объёмом по 100 тыс. м3 для хранения рассола с полимерными добавками, компания EWE собирается построить самую ёмкую в мире систему накопления энергии (см. рис. 1). Рассол будет получен прямо на месте, для этого нужно будет залить пещеры водой.
Проект разбит на три этапа. На первом этапе намечено построить тестовую систему мощностью 10-20 кВт с резервуарами на поверхности земли, способную запасать 10-40 кВт·ч электроэнергии. Второй этап - масштабирование системы до мощности 100-500 кВт и ёмкости 0,5-2,5 МВт·ч. На третьем этапе (по плану - к концу 2023 г.) уже будет построена пилотная аккумулирующая станция мощностью до 120 МВт, способная накапливать до 700 МВт·ч энергии в двух соляных пещерах.
Удельная стоимость станции в расчёте на единицу мощности, согласно расчётам, получится практически такой же, как у гидроаккумулирующих систем. Однако ёмкость хранилища будет во много раз выше, а площадь занимаемых земель - меньше.
Силой осмоса
Для производства возобновляемой энергии можно использовать разницу в солевой насыщенности морской и речной воды. По оценкам учёных, из пресной воды, которую только одна река Амазонка выносит в Атлантический океан, можно непрерывного получать 1 ТВт мощности. На суше же можно использовать, например, солевые растворы, получаемые при извлечении нефти из скважин.
Учёные предложили два основных способа преобразования градиента солевой насыщенности в электроэнергию. Оба они основаны на использовании мембран.
Электростанции на основе эффекта накопления осмотического давления (PRO, Pressure Retarded Osmosis) устроены довольно просто (см. рис. 2). Резервуары с солёной и пресной водой разделены полупроницаемой мембраной. Под действием осмотических сил пресная вода проникает через мембрану в рассол, создавая повышенное давление в «солёном» резервуаре.
Теоретически рассчитанная разница осмотических давлений в месте, где река впадает в океан, достигает 30 бар, что эквивалентно напору 300 м - просто отличному, по меркам гидроэнергетики. Другое дело, что скорость фильтрации воды сквозь мембрану низка, а потому потребуются мембраны огромной площади, что выливается в большие затраты. Так, для 25-мегаваттной электростанции нужны мембраны площадью 5 млн м2. Удовольствие недешёвое, особенно если учесть, что мембраны имеют свойство забиваться примесями.
В 2009 г. в Норвегии государственная энергокомпания Statcraft построила на территории старой бумажной фабрики в Тофте экспериментальную осмотическую энергоустановку мощностью 5 кВт. Там испытывались мембранные модули общей площадью 2000 м²., которые обеспечили удельную мощность порядка 1-4 Вт/м2. Мембраны для промышленных осмотических электростанций должны быть гораздо эффективнее, тем более что часть энергии электростанции тратится на собственные нужды, включая подкачку и фильтрацию морской и речной воды.
Ионная сортировка
Технология реверсивного электродиализа (RED - Reverse ElectroDialysis) в своей основе совсем иная. Ионы солей под воздействием градиента насыщенности раствора проходят через две различные мембраны. Одна мембрана настроена на пропускание отрицательно заряженных анионов, другая - положительно заряженных катионов. Напряжение снимается с электродов, объединённых с соответствующими мембранами.
Главное преимущество реверсивного электродиализа - непосредственное преобразование разделённых зарядов в электрическую энергию, исключая гидротурбины. Благодаря этому преимуществу энергоустановки должны хорошо масштабироваться, причём как вниз, так и вверх. В лабораторных условиях уже получена удельная мощность в несколько ватт на квадратный метр мембраны.
В Нидерландах компания REDStack с 2014 г. тестирует пилотную установку, построенную прямо на дамбе, которая разделяет пресное озеро Эйссел и солёное Ваттовое море (см. фото вверху). Разница концентраций солей в этом месте такова, что для получения мощности 1 МВт необходимо прокачивать через систему всего 1 м3 пресной и 1 м3 солёной воды в секунду.
