Баки с киловатт-часами

В настоящее время электрохимические накопители энергии для промышленного применения в основном строятся на ионолитиевых элементах, коих выпускается множество разновидностей. Технология существует с начала 1990-х, и за три десятилетия её развития цены аккумуляторов кардинально снизились, а характеристики - повысились. На протяжении ряда лет удельная стоимость ионолитиевых аккумуляторов сокращалась на 15-20% в год.

Это произошло во многом благодаря огромному рынку потребительской электроники и различных портативных приборов. Большую роль сыграло и распространение электромобилей, для которых были построены гигафабрики, то есть заводы, способные ежегодно выпускать аккумуляторы на многие гигаватт-часы.

Ионолитиевый прогресс

Изначально компания Sony выпустила литий-кобальтовый вариант на основе соли LiCoO₂. Он обеспечивал неплохую удельную плотность энергии, но стоил дорого и был небезопасным.

Для снижения стоимости своей продукции производители аккумуляторов стремились снизить содержание дорогостоящего кобальта, добываемого в основном в Демократической Республике Конго (часто нелегальными способами с использованием детского труда). Кобальт стали заменять на марганец и железофосфат. Аккумуляторы на феррофосфате лития (LiFePO₄) получили довольно широкое распространение в такой потребительской технике, как шуруповёрты и электросамокаты, а также в электробусах, где батарея должна выдавать высокую мощность.

Накопители энергии промышленного масштаба в контейнерах

Удельная плотность энергии у феррофосфатных батарей не особо впечатляет, поэтому производители аккумуляторов для электромобилей ускоренно внедряют системы LiNiMnCoO₂ (НМК). В последние годы они переходят от соотношения 1:1:1 (равные количества никеля, марганца и кобальта) к соотношению 8:1:1. Как видим, здесь преобладает никель, обеспечивающий высокую удельную плотность энергии. Однако в электроэнергетике критический параметр - не удельная плотность энергии, а продолжительный срок службы (требуется как минимум двадцать лет), поэтому сегодня наблюдается ренессанс феррофосфатных аккумуляторов. Помимо длительного срока службы они характеризуются повышенной безопасностью.

Предел уж близок

Созданные для энергокомпаний контейнерные ионолитиевые накопители энергии, распространившиеся в последние годы, дошли до четырёхчасового порога, после чего возникли трудности. Системы, рассчитанные на шесть-восемь часов работы, обходятся дорого, не говоря уже о 10- и 12-часовых. Чтобы объединить огромное количество отдельных небольших ионолитиевых элементов, приходится строить сложные схемы балансировки мощности.

Из-за теоретической вероятности возгорания энергокомпании страхуют ионолитиевые накопители, однако страховое возмещение возможно только в том случае, если у оператора будут доказательства, что каждый электрохимический элемент эксплуатировался без нарушений технических требований производителя. Поэтому схемы управления накопителями дополняются сложными системами сбора информации, которые только увеличивают общую стоимость решения.

Электролит отдельно

Сегодня на траекторию быстрого удешевления выходят ванадиевые проточные аккумуляторы. Их основная конструктивная особенность в том, что электрохимический реактор вынесен за пределы зоны хранения энергии. Проточные аккумуляторы имеют баки с реагентами, объём которых определяет ёмкость, и отдельный реактор, представляющий собой стопку электрохимических элементов. Баки (читай: объём реагентов) можно наращивать неограниченно, что позволяет накапливать много энергии, и доля массы реактора может быть очень малой по отношению к массе реагентов. Кроме того, проточную батарею можно полностью разряжать без риска повреждения. (С ионолитиевыми элементами такой фокус не проходит.) По критерию нормированной стоимости запасаемой электроэнергии большие проточные аккумуляторы оказываются вне конкуренции среди всех электрохимических накопителей.

Первые проточные аккумуляторы имели ванадиевый электролит, и на сегодня он наиболее отработан технологически. Он не горюч, обеспечивает довольно высокую плотность энергии и недорог. Установка состоит в основном из пластика (баки и трубы) и нержавеющей стали (корпуса электрохимических элементов, насосы, различные кронштейны), которые легко утилизировать по окончании срока службы.

Учёные пробуют разные виды электролитов для проточных батарей

Ванадиевый электролит не деградирует - его можно использовать неограниченное время, а электрохимические элементы при работе не перегреваются (их остужает прокачиваемый электролит), вся система проста в обслуживании и ремонтопригодна. Но самое главное, что проточные аккумуляторы обладают большим потенциалом снижения стоимости, поскольку их массовое производство только налаживается. «При каждом удвоении объёмов производства можно снизить себестоимость на 15-20%, - отмечает Джим Стовер, менеджер по маркетингу американской компании VRB Energy. - Надо добавить, что ванадий несложно закупать. Его, кстати, вполне реально извлекать из золоотвалов угольных электростанций». Джим Стовер сообщает, что компания VRB Energy постоянно совершенствует состав электролита, увеличивая его удельную ёмкость. Сегодня в стандартный 45-футовый транспортный контейнер помещается проточный накопитель ёмкостью 1 МВт·ч.

Конструктивные гибриды

Британская компания Pivot Power нашла для себя интересную нишу: она объединяет ионолитиевые батареи и проточные ванадиевые аккумуляторы в гибридные системы накопления энергии. «Мы рассчитываем систему на большие нагрузки, - пояснил руководитель Pivot Power Мэтт Аллен. - Проточный компонент нашей гибридной системы продляет срок службы её ионолитиевых элементов, замедляет их деградацию при циклировании».

В последнее время много говорят о привлечении владельцев электромобилей к участию в работе энергетических рынков: пока электромобиль подключён к розетке, его аккумулятор можно использовать для выравнивания нагрузок. Однако с психологической точки зрения такая перспектива представляется сомнительной: вряд ли владелец электромобиля ради небольшого дополнительного заработка отдаст самый дорогой элемент своего авто в распоряжение посторонних лиц. Скорее в балансировании сети будет участвовать муниципальный электротранспорт, скажем, электробусы в автопарках.

В ближайшие годы ионолитиевые накопители будут по-прежнему доминировать на энергетических рынках, но при этом резко ускорятся темпы внедрения проточных аккумуляторов. «Дополнительный стимул к их развитию создают индустрия по производству водородных электромобилей и водородная энергетика как таковая, - говорит Билли Ву, эксперт по энергетическим технологиям и системам, старший преподаватель Имперского колледжа Лондона. - Дело в том, что в проточных аккумуляторах используются практически те же компоненты, что и в водородных топливных элементах».