Горячая новинка

Если вы работаете в энергетике, забудьте всё то, что говорят о Кремниевой долине, о стремительных инновациях, о четвёртой промышленной революции и так далее. Энергетика входит в перечень отраслей тяжёлой промышленности, очень капиталоёмких и медленно меняющихся. При этом её продукция ни в коей мере не устаревает. Все технологии XXI века, которые мы ценим и используем, требуют электроэнергии.

Дональд Садовый

Мы хотим обеспечить устойчивое развитие общества без разрушения окружающей среды. Для этого естественный путь - широкое применение возобновляемых источников энергии и накопителей. В данной концепции промышленные накопители представляют собой ключевое звено. Без них электростанции солнечные и ветровые приходится резервировать газовыми или дизельными на случаи, когда солнце не светит и ветер не дует. Результат - чрезвычайно дорогая электроэнергия, как сегодня в Германии.

В американской энергосистеме ситуация такова, что пиковый спрос на электричество примерно наполовину превышает средний уровень его потребления. А обеспечивается этот спрос дорогими генерирующими мощностями, которые львиную долю времени простаивают. Однако с помощью систем хранения от избыточных мощностей можно было бы отказаться.

Масштабирование буксует

Почему мы не имеем нормальных электрохимических накопителей энергии с продолжительным сроком службы? Неужели потому, что электрохимией занимаются тупицы? Да нет - дело в том, что проблема очень сложная. Забудьте об ионолитиевых источниках питания из сотового телефона, который вы меняете каждые два-три года. Конечно, есть люди, использующие телефоны десятилетней давности, но они уже несколько раз сменили аккумулятор. Для электроэнергетики нужны батареи, способные в тяжёлых условиях работать не месяцы и годы, а десятилетия.

С точки зрения системного оператора энергосеть решает семнадцать задач. Некоторые из них, такие как первичное регулирование частоты, выполняются на коротких промежутках. Другие - скажем, балансирование нагрузки - растянуты во времени. Сравните бегуна на короткие дистанции и марафонца. Первый промчит свою стометровку за десять секунд, но не сможет продолжать бег с той же скоростью, чтобы одолеть марафонскую дистанцию за час с небольшим. Возможно, он даже вообще не добежит до финиша. С батареями - то же самое: нужны разные для разных задач. Технология хранения энергии, которая разработана для слуховых устройств, не годится для электромобилей. А та, что оптимизирована для транспорта, неприменима в электроэнергетике.

Более того, промышленные накопители энергии должны быть безопасными, а с учётом гигантских масштабов энергетического производства нужно, чтобы у них была сверхнизкая удельная цена, - фигурально выражаясь, они должны быть дешёвыми, как грязь. Ни одна из существующих электрохимических технологий этим требованиям не удовлетворяет.

Сдвинуть гирю

Заниматься этой проблемой я начал на факультете материаловедения и проектирования Массачусетского технологического института в 2006 году. И рассудил, что если высокая стоимость накопителей мешает их широкому внедрению, нужно изобрести такую систему накопления, которая впишется в требования по дешевизне. Классический подход, принятый в университетах, здесь не работает. У нас ведь что происходит: вы получаете грант на исследования и должны придумать самую крутую электрохимическую формулу, чтобы опубликовать результаты как можно в большем количестве журналов. Таким образом учёный строит свою карьеру и, возможно, учреждает компанию для коммерциализации разработок.

На рынке электроэнергетики подобный путь ни к чему не приведёт - конечно, инноваторы попытаются снизить цены, но не смогут получить результат, необходимый для выхода на тяжёлый рынок электроэнергетики. Если вы хотите конкурировать по цене с дешёвыми углеводородами, которые всегда доступны для работы резервной топливной генерации, то о цене технологии нужно думать с первого дня её разработки.

На заре электрического века

Стоит напомнить, что электрохимическая батарея была изобретена профессором Алессандро Вольтой, который работал в университете, а не в государственных или цеховых лабораториях.

Изобретатель батареи увековечен на итальянской купюре

Вольта сразу открыл новое устройство и новое направление науки - электрохимию. В те времена, кстати, не было никаких стартапов, никаких инновационных акселераторов, менторов и прочей дребедени. Разработки Вольты всего за десять лет из лаборатории переместились в промышленность, породив новые технологии производства: электрическое анодирование и гальванопластику. Это произошло примерно в 1810-м. Когда меня спрашивают, слышал ли я об аддитивном производстве, я отвечаю: «Да, слышал, этой технологии уже больше двух сотен лет». Вольта продемонстрировал, что от университетского профессора может быть толк. Если предоставить ему ресурсы, дать хороших студентов и оборудование, он может принести большую пользу.

До Вольты термин «электричество» употребляли в основном по отношению к электричеству статическому, получаемому трением. В XVII веке людей поражала возможность двигать лёгкие предметы, не прикасаясь к ним (за счёт заряда в результате трения янтаря о ткань). С изобретением вольтова столба в электрической цепи было получено устойчивое течение тока, способного производить работу. Я считаю, что именно с этого события начался век электричества, был по-настоящему реализован его потенциал.

Майкл Фарадей был обязан хорошо разбираться в электрохимии, поскольку получить электрический ток для опытов в его время можно было только из батарей. Имея провод с электрическим током, Фарадей обнаружил вокруг него магнитное поле. Позже было открыто, что перемещение самого проводника в магнитном поле вызывает электродвижущую силу, стало возможным изобретение электрогенератора.

Путь к хранилищу энергии

В первую очередь нужно ограничить используемую электрохимию веществами, в обилии присутствующими в земной коре. Общая закономерность проста: чем выше атомный номер, тем реже встречается элемент. Разница концентраций широкодоступных и редких элементов в земле доходит до миллиарда крат!

Я сказал своим студентам: «Мы будем строить батарею, которую можно масштабировать для применения в промышленных накопителях энергии, и вам запрещено обращаться к нижней части таблицы Менделеева». Например, находящийся там теллур примерно столь же редок, как и золото, и я совершенно не понимаю, зачем люди занимаются разработкой теллур-кадмиевых солнечных элементов. Ну и что, что они более эффективны? На земле нет столько теллура, сколько понадобится для масштабного производства солнечных панелей. Единственным резоном для его изучения могут быть фундаментальные исследования, но если вы хотите изменить ландшафт электроэнергетики, то лучше обратиться к таким элементам, как, например, кремний. Именно благодаря доступности кремния мы сегодня имеем компьютеры и смартфоны. Если бы полупроводниковые микросхемы пришлось делать из родия, смартфонов ни у кого бы не было.

Мало того, что вещества для батарей нужно буквально извлекать из грязи, это ещё должна быть местная грязь. Мы в Америке уже усвоили урок, когда после зависимости от импорта нефти стали зависимы от импорта неодима. Кстати, вы знаете, почему фабрики по производству аккумуляторов называются гигафабриками? Потому что они стоят миллиарды долларов. Гигафабрика по производству ионолитиевых батарей устаревшего формата 18650 в Неваде обошлась Илону Маску в пять миллиардов. За эти деньги можно построить два металлургических комбината, выпускающих по два миллиона тонн стали в год.

В масштабе

Как изобрести дешёвую и мощную установку для хранения энергии? Я не говорю «батарею», потому что не хочу дать повода думать, что нужно взять огромное количество маленьких элементов из фонарика и объединить их в огромную систему, заполняющую транспортные контейнеры или целые залы.

Электролизный цех алюминиевого завода

Первые 25 лет своей научной деятельности я посвятил электрометаллургии и считаю, что каждому инженеру-энергетику полезно знать, как выглядят алюминиевые электролизёры. На фото изображён зал с электролизными ваннами. Ширина зала - около двадцати метров, а длина - до двух километров. Цех круглосуточно выдаёт алюминий, при этом через ванны проходит электрический ток в 500 тысяч ампер.

Процесс электролиза алюминия был изобретён в 1886 году независимо двумя людьми - Чарльзом Холлом в США и Полем Эру во Франции, которые родились в один год и в один год умерли. В момент изобретения им было по 22 года. Друг с другом они встретились только однажды на международном научном конгрессе. Благодаря их изобретению алюминий из категории драгоценных металлов (сначала он стоил дороже серебра) перешёл в разряд основных конструкционных материалов.

Килограмм чистого алюминия, производимого методом электролиза из глинозёма, сегодня обходится в один доллар. Электролиз - это технологическое чудо. И я размышлял, как видоизменить процесс, чтобы электролитическая ванна не только потребляла, но и отдавала электрический ток. Пока другие разработчики промышленных систем хранения энергии соображают, глядя на свои смартфоны, как им из крошечных ионолитиевых элементов составить гигантские батареи, мне становится понятно, что большая и мощная электрохимическая система уже есть, нужно только заставить её выдавать энергию.

В процессе наших исследований в Массачусетсе родилась концепция жидкометаллической батареи (ЖМБ), см. схему.

Ранний вариант концепции жидкометаллической батареи

В ней три жидких слоя. В верхнем находится великолепный электроположительный металл магний (хороший донор электронов) с низкой плотностью. В нижнем слое расположился полуметалл (чтобы получить максимально возможную разницу напряжений). Между ними - электролит в виде расплавленной соли. Видите ли, при высоких температурах нельзя использовать растворы на водной основе. К счастью, магний в соли не растворяется, а соль не растворяется в жидкой сурьме. Они сами разделяются на слои благодаря разной плотности. Никаких мембран не нужно.

Но хотя сам магний в соли не растворим, его ионы в соль проникают, что происходит, когда аккумулятор разряжается. При этом высвободившиеся электроны идут по внешней цепи, а слой магния постепенно становится тоньше. Пройдя через электролит, ионы магния соединяются с ионами сурьмы в жидкий антимонид магния и нижний слой становится толще.

При зарядке жидкометаллического аккумулятора мы пропускаем через него ток. Начинается процесс электрического рафинирования магния. Металл восстанавливается из соединения с сурьмой и всплывает наверх. Батарея возвращается в исходное состояние.

При прохождении тока (как зарядного, так и разрядного) выделяется тепло, которое поддерживает все три вещества в расплавленном состоянии. Если для ионолитиевых батарей саморазогрев - это угроза воспламенения, то для наших жидкометаллических - нормальный рабочий режим. Система теплоизоляции удерживает тепло внутри корпуса ЖМБ.

Представьте, что в этой батарее каждый день четыре часа идёт разрядка, затем восемь часов - зарядка, после чего ЖМБ несколько часов «отдыхает». В таком цикле можно внутри корпуса ЖМБ постоянно поддерживать высокую температуру.

За дело берутся «чайники»

Кто проделал всю работу по подбору материалов, расчётам и экспериментам? Многонациональная группа студентов, около двадцати человек, которая у меня собралась. Среди ребят мало кто имел глубокие знания в области свойств жидких металлов, расплавленных солей и электрохимии. Я привлёк «антиэкспертов» - талантливых новичков, которые не имели представления о состоянии науки в данной сфере и потому их взгляды не были зашорены.

Я сформулировал проблему и дал студентам возможность заняться исследованиями в свободном режиме. Результаты первого года были кошмарными. Наш спонсор - агентство энергетических исследований ARPA-E - тогда устроил нам разгром за полное отсутствие прогресса в работе. Ребята делали ошибки, учились на них, итоги второго года были лучше, третьего - ещё лучше.

Солидные показатели

Давайте перейдём к характеристикам ЖМБ. Эффективность батареи в полном рабочем цикле, с учётом теплопотерь, 80%. У гидроаккумулирующих электростанций, а это сегодня основной вид сетевых накопителей энергии, эффективность равна 70%.

Жидкометаллические батареи самовосстанавливаются. Если в ионолитиевом элементе растрескается или раскрошится электрод, его части окажутся выключены из электрической цепи и ёмкость элемента уменьшится. С жидкими электродами такого никогда не случится.

Ёмкость ЖМБ не уменьшается со временем. Мы проверили работу батареи на протяжении четырёх с половиной лет при температуре 475 °C. Она прошла 5000 циклов полной зарядки-разрядки, сохранив 99% исходной ёмкости. То есть характеристики практически не деградируют.

Ограничений по транспортировке ЖМБ, если они находятся в остывшем состоянии, нет, в то время как ионолитиевые промышленные батареи в США запрещено перевозить по воздуху.

Материализация

Когда Билл Гейтс познакомился с концепцией ЖМБ, он сказал: «Мне кажется, что с фундаментальной точки зрения подход к сетевым системам хранения энергии должен быть совсем иным, чем к мобильным». И через год, когда мы создали свой стартап (сначала он назывался Liquid Metal Battery Corporation, а затем был переименован в Ambry), Гейтс стал нашим первым инвестором. Дальше к финансированию подключилась энергетическая компания Total.

Прототип жидкометаллической батареи

Наши опытные образцы ЖМБ имеют форму прямоугольных параллелепипедов с длиной боковых сторон десять сантиметров. Ёмкость каждой такой ячейки - 80 А·ч. При удвоении размера её сторон мы получим 380 А·ч, а если перейдём к конструкции увеличенной высоты, то будет уже 800 А·ч. Сравните эти числа с цифрой 3 А·ч, характерной для ионолитиевых элементов 18650, для массового производства которых приходится строить гигафабрики.

Если потребуется сетевой накопитель ёмкостью в один мегаватт-час, нужно будет использовать почти сто тысяч элементов 18560. Что же касается тенденции к постоянному снижению стоимости ионолитиевых элементов, то она меня не пугает. Даже если их цена дойдёт до нуля, всё равно потребуется сложнейшая и дорогущая система их соединения, теплоотвода, балансировки, контроля, пожаротушения и так далее. А в случае применения технологии ЖМБ понадобится полторы тысячи элементов увеличенной высоты.

В настоящее время мы строим систему накопления энергии, которая будет размещаться в коротком десятифутовом транспортном контейнере массой 15 тонн. В объёме 18 м³ поместится накопитель ёмкостью в один мегаватт-час, который сможет на постоянном токе по шинам 1000 В выдавать мощность 350 кВт. Плотность хранения энергии, по нашим расчётам, будет равна 67 Вт·ч/кг. И система должна быть дешевле аналогичной ионолитиевой.

Тем временем мы отрабатываем уже третий вариант электрохимии, который в перспективе позволит достигнуть удельной цены 75 долларов за киловатт-час запасаемой энергии.

Об авторе: Дональд Садовый - профессор химии Массачусетского технологического института.