Качайте электричество насосами

Основной недостаток таких источников возобновляемой энергии, как солнечная и ветровая, - это невозможность регулировать их мощность для подстройки под нужды потребителей. На гидроэлектростанциях поток воды, поступающий на каждую турбину, регулируют с помощью заслонок. Мощность паровых турбогенераторов на ТЭС подстраивают, меняя расход пара с помощью клапанов. Над скоростью ветра и облачностью, к сожалению, мы не властны, хотя и способны их предсказывать. В итоге при применении солнечных и ветровых станций возникает неуправляемый дисбаланс между выработкой и потреблением, что затрудняет включение этих станций в существующие электрические сети.

Проблему призваны решить буферные системы для сохранения энергии, среди которых одними из самых многообещающих считаются проточные ванадиевые окислительно-восстановительные аккумуляторы.

Ванадий - это пластичный металл серебристо-серого цвета с атомным номером 23. Ванадий получают в основном как побочный продукт при добыче и обогащении железной руды. До недавних пор ванадий использовался преимущественно в качестве легирующих добавок в производстве нержавеющих и инструментальных сталей. Сегодня он начинает применяться в альтернативной энергетике.

В потоке энергии

В традиционных аккумуляторах при наращивании массы вещества, служащего для хранения энергии, увеличивается и вес всех сопутствующих компонентов - электродов, корпуса, мембран и так далее. В проточных аккумуляторах хранилище энергии отделено от узла, в котором вырабатывается электрический ток (см. схему). Подобную конструкцию аккумулятора ещё в 1954 г. запатентовал немец Вальтер Канго. Он предлагал использовать электролит на основе хлорида титана. Применение ванадия было предложено исследователями из NASA в 1978 г., а уже в 1980-х гг. в Университете Нового Южного Уэльса (Австралия) состоялась демонстрация первого действующего ванадиевого проточного аккумулятора.

Хранилищем в ванадиевых аккумуляторах служит пара баков с электролитом на основе серной кислоты. Насосы прокачивают этот электролит через зарядно-генерирующий блок, по принципу действия напоминающий топливный элемент. В такой системе увеличению электрической ёмкости нет предела - наращивай лишь объёмы баков и наполняющей их жидкости. Удобно и то, что аккумулятор можно оставлять разряженным на продолжительное время, не опасаясь его деградации. В случае если содержимое баков смешается, ничего страшного не произойдёт.

Приключения электронов

Основа работы ванадиевого аккумулятора - это способность металла существовать в растворе в четырёх окисленных состояниях. Один бак ванадиевого проточного аккумулятора заполнен сернокислотным раствором, содержащим заряженные ионы VO₂⁺ и VO²⁺, в другом находится сернокислотный раствор с ионами V³⁺ и V²⁺. Зарядно-генерирующий блок представляет собой камеру с двумя электродами, разделённую на две части прозрачной для протонов мембранной перегородкой. По ходу зарядки аккумулятора на мембране протекает окислительная химическая реакция. При этом от анода зарядно-генерирующего блока отбираются электроны, в результате чего в его анодной части происходит превращение ионов VO²⁺ в ионы VO₂⁺. В катодной части поступающие электроны превращают ионы V³⁺ в ионы V²⁺. При разрядке аккумулятора идут обратные реакции, интенсивность которых зависит от скорости потока жидкости, то есть подачи насосов. При этом между электродами возникает разность потенциалов порядка 1,41 В (без нагрузки при температуре 25˚C).

Для увеличения рабочего напряжения аккумулятора используют многокамерные зарядно-генерирующие блоки (включённые последовательно) с системой последовательной прокачки электролита. И поскольку серная кислота - вещество химически агрессивное, применяются пластиковые трубы и баки.

В проточном аккумуляторе хранилище энергии отделено от генератора

Преимущества ванадиевого проточного аккумулятора: малый саморазряд, способность выдерживать большие электрические перегрузки (до 400% в течение 10 с) и быстро реагировать (не дольше миллисекунды) на резкие изменения нагрузки. Недостатки - сложность конструкции и наличие химически агрессивного электролита, что затрудняет применение подобных аккумуляторов на транспорте.

В настоящее время ванадиевые проточные аккумуляторы производят такие компании, как Ashlawn Energy (США), Renewable Energy Dynamics (Ирландия), Cellstrom (Австрия), Cellennium (Таиланд) и Prudent Energy (США и КНР).

Наиболее мощная на сегодня система бесперебойного питания (1,5 МВт) на основе ванадиевого проточного аккумулятора установлена на полупроводниковом заводе в Японии. На острове Хоккайдо в рамках ветропарка Tomari Wind Hills установлена 275-киловаттная ванадиевая система балансировки мощности. На Королевском острове в Тасмании в ветропарке Huxley Hill используется ванадиевый аккумулятор мощностью 200 кВт и ёмкостью 800 кВт●ч. В США, в шт. Юта, смонтирована система балансировки нагрузки мощностью 250 кВт, способная накапливать до 2 МВт●ч энергии.

На пути к совершенству

Несмотря на то, что ванадиевый проточный аккумулятор был придуман более 20 лет назад, его совершенствование идёт и поныне. Во-первых, учёные работают над составом электролита для повышения энергетической плотности. По этому показателю выпускаемые ныне ванадиевые проточные аккумуляторы существенно уступают свинцово-кислотным и ионно-литиевым (25 Вт●ч/кг против 30-40 и 80-200 Вт●ч/кг).

Недавно в журнале Advanced Energy Materials были опубликованы результаты исследования учёных из лаборатории Министерства энергетики США, которые обнаружили, что при добавлении соляной кислоты в пропорции 2,4:1 к серной кислоте ёмкость аккумулятора выросла на 70%, а диапазон рабочих температур расширился с 10...40˚C до -5...+50˚C. Энергетическая эффективность аккумулятора (доля запасённой энергии по отношению к затраченной при заряде) при комнатной температуре осталась на прежнем уровне - порядка 87%.

Во-вторых, проводятся исследования в сфере нанотехнологий. Группа учёных из Массачусетского технологического института намерена взять всё лучшее из традиционных и проточных аккумуляторов. Для этого традиционный электролит был заменён на суспензию с твёрдыми частицами LiCoO₂ и углерода, внешне похожую на чернила. Наночастицы углерода обеспечивают отличную текучесть, а частицы LiCoO₂ - высокую электрическую ёмкость. Учёные надеются, что полученный литиево-кобальтовый проточный аккумулятор будет на порядок более ёмким, чем ванадиевый.