Готовимся к жатве
Мало «пожать ветер», то есть собрать возобновляемую энергию, её нужно ещё сохранить и превратить в полезную работу. В этом номере мы решили рассказать о новых технологиях производства аккумуляторных батарей и их роли в создании стабильных энергосистем и транспорта на базе возобновляемых источников. Разберём три современных подхода, развиваемых в немецких научно-исследовательских институтах Фраунгоферовского общества. (По материалам журнала Fraunhofer magazine.)
Керамика - великолепный материал. Прочная, твёрдая и долговечная, она износостойка и не подвержена коррозии, причём устойчива к самым разным погодным условиям и выдерживает высокие температуры. Вот почему инженеры-энергетики так часто применяют керамику в своих разработках. А недавно специалисты Фраунгоферовского института керамических технологий и систем (IKTS), располагающегося в Дрездене и Гермсдорфе, разработали новую керамическую батарею, которую назвали "cerenergy".
Мешки с энергомукой
Эта натрий-никель-хлоридная батарея - одна из последних инноваций IKTS. Основная область её применения - стационарные системы хранения энергии, такие как резервные источники питания для больниц, хосписов, домов престарелых и т. п. Её можно использовать и для хранения «пляшущей» мощности солнечных панелей, размещённых на крышах частных домов. Натриевые батареи удобно размещать в подвальных помещениях, благо они, в отличие от ионно-литиевых, не подвержены возгоранию и невзрывоопасны.
Переход Германии к возобновляемым источникам энергии - ветру и солнцу - без сомнения нуждается в свежем импульсе. (О том, что для этого предлагается, см. в статье «Переключение на ходу». - Прим. ред.) Производство новых ветровых турбин в последние годы падает. Несмотря на это, федеральное правительство по-прежнему намеревается увеличить долю возобновляемой энергии с нынешних 38 до 65% к 2030 году. Основная проблема ВИЭ заключается в том, что если ветер стихает, а солнце заходит или скрывается в тучах, выработка энергии полностью прекращается. И тут флаг генерации должна подхватить батарейная система, накопившая энергию при хорошей погоде. Такая система может строиться на малообслуживаемых натриевых батареях, разработанных в IKTS.
Используемая в батареях специальная керамика проводит электрический ток и служит электролитом, но не в привычной жидкой, а в твёрдой форме. При её производстве используются хлорид натрия (поваренная соль) и никель, всё в виде порошков. Очень важно, что Европа имеет достаточные природные ресурсы для их добычи. Другими словами - никакого лития из Азии или Африки, никакого кобальта из Конго и, следовательно, никакого поощрения (хотя бы и молчаливого) детского и рабского труда на промыслах.
Прямо в печь
Утилизация тоже не составляет проблем. Отслужившие свой срок батареи можно в металлургических печах перерабатывать в никель и шлак, используемый в строительстве. Доктор Роланд Вайдль, глава департамента системной интеграции и передачи технологий IKTS, называет и другие достоинства cerenergy: «В отличие от литий-ионных батарей, наши не перегреваются и не могут загореться. Мы выбрали очень стабильный состав материалов». Керамическая батарея имеет хорошую теплоизоляцию, так что даже если её внутренняя температура достигает 300 °C, снаружи она остаётся холодной. Исследователи из IKTS уже создали тридцатисантиметровый цилиндрический элемент ёмкостью 100 А·ч. Это мировой рекорд для натриевых аккумуляторов.
При разработке новой батареи пришлось решить целый ряд проблем. Одна из них - способ производства керамического электролита. Обычный процесс включает прессование керамического порошка для придания изделию нужной формы, а затем обжиг в печи. Первая часть этого процесса очень дорогостоящая. Разработчики решили применить экструдер, работающий как машина для производства макарон: пастообразный материал медленно продавливается через решётку под высоким давлением. Форма отверстий в решётке определяет вид конечного продукта - в данном случае керамическую трубку. «Когда вы уже знаете, как это сделать, всё оказывается довольно просто», - говорит Вайдль с улыбкой.
После создания работающего прототипа было подано несколько заявок на патенты. Предполагается, что производить натриевые батареи будет компания Alumina Systems GmbH. Начало производства ожидается в 2022 г.
Замесить тесто
В Фраунгоферовском обществе исследуют возможность использовать для накопления энергии и другой материал, правда, не такой безопасный, как хлорид натрия или никель, - водород. Десятилетиями учёные пытаются найти эффективный способ задействовать потенциал этого поистине неисчерпаемого ресурса, который можно получать из обычной воды. Проблема, однако, в том, что водород огне- и взрывоопасен, а значит, его рискованно держать в доме или в машине.
В Фраунгоферовском институте производственных технологий и перспективных материалов (IFAM) в Дрездене доктор Ларс Рёнтц с командой инженеров, физиков и химиков работает над решением этой проблемы с 2012 года. Идея в том, чтобы связать водород в каком-либо химическом соединении, которое можно будет безопасно использовать для выработки энергии.
Продукт, который они получили и назвали "powerpaste" («энергопаста»), содержит гидрид магния (MgH2), соли металлов и нетоксичный эфир. Его можно хранить в тубе или в патроне. Когда гидрид магния взаимодействует с водой, выделяется водород. Затем газ может поступать в топливный элемент, где, соединяясь с кислородом в процессе контролируемой реакции, будет вырабатывать электричество.
У «энергопасты» в разы большая энергетическая плотность, т. е. количество энергии, приходящееся на единицу объёма или массы, чем у ионно-литиевых элементов. Это преимущество транслируется в большой пробег электроприводного авто без перезарядки. Кроме того, топливные элементы способны быстро выдавать нужную мощность при пиковых нагрузках. А когда топливо в элементе закончится, достаточно будет заменить powerpaste-патрон. В ходе электрохимической реакции внутри топливного элемента не выделяется ничего, кроме водяного пара, а утилизация использованных патронов, содержащих остатки гидрида магния, не составляет проблемы с экологической точки зрения. Это вещество можно спокойно выбрасывать в мусорный контейнер.
Хлеб и булочки
Топливный элемент - также отличное решение для стационарного резервного источника питания, подключающегося в ситуациях, когда в питающей сети пропадает напряжение. Здесь важно обеспечить как можно более массовое производство. «Конечно, мы нацеливаемся и на международные рынки», - говорит Рёнтц.
Профессор Михаэль Штельтер, заместитель директора IKTS, отвечает за стратегию исследований в области батарей. Как он поясняет, «водород может дополнять ионно-литиевые батареи на транспорте, особенно в тяжёлых грузовых автомобилях, которые должны без остановок проходить большие расстояния».
Совершат ли натриевые батареи и водородные топливные элементы переворот на рынке хранения энергии? Маловероятно, чтобы подобные устройства вытеснили вездесущие ионно-литиевые аккумуляторы, но все они могут сосуществовать и удачно дополнять друг друга в различных стационарных и мобильных решениях.
В электромобилях в обозримом будущем будут применяться в основном ионно-литиевые батареи. И здесь не остаются в стороне исследователи из Фраунгоферовского общества, в частности, из Фраунгоферовского проектного центра по хранению энергии и управлению ею (ZESS) в Брауншвейге. Эта организация объединяет такие институты, как уже упоминавшиеся IKTS и IFAM, а также Фраунгоферовский институт технологий поверхностей и тонких пленок (IST). В сотрудничестве с Брауншвейгским техническим университетом учёные из фраунгоферовских учреждений разрабатывают прототипы новых ионно-литиевых батарей. Но дополняющие их технологии тоже играют важную роль. Как поясняет Штельтер: «На планете просто нет достаточного количества лития и кобальта, чтобы их хватило и на автомобильные батареи, и на стационарные системы для хранения энергии в больших объёмах».
Читайте другие наши материалы
