Космические батарейки
Компании и научные учреждения по всему миру работают над новыми аккумуляторными батареями, надеясь получить безопасные, долговечные и недорогие решения для энергетики. Недавно обнаружилась хорошая альтернатива повсеместно распространённым ионолитиевым аккумуляторам. Что удивительно, это не новичок, а система, доказавшая свою надёжность в жёстких условиях эксплуатации на протяжении десятилетий.
В космических миссиях НАСА широко используются никель-водородные аккумуляторные батареи. Они установлены, в частности, на космическом телескопе Hubble, на марсианском вездеходе Curiosity и на Международной космической станции. «Эти батареи разработаны для эксплуатации в тяжелейших условиях на искусственных спутниках, где они должны выдерживать чрезвычайно высокие и очень низкие температуры, работая без ограничений по числу циклов заряда-разряда и без необходимости в каком-либо обслуживании», - рассказал Йорг Хайнеман, руководитель калифорнийской компании EnerVenue, взявшейся за коммерциализацию новой технологии.
С небес на землю
На орбитальных аппаратах, которые каждый день делают по нескольку оборотов вокруг Земли, солнечные батареи регулярно попадают в тень и система питания аппаратуры переключается на аккумуляторы. В таких условиях космические никель-водородные элементы успешно выдерживают от 30 до 100 тысяч циклов заряда-разряда без заметной деградации характеристик. Для сравнения: лучшие ионолитиевые аккумуляторы рассчитаны лишь на 3000 циклов.
Никель-водородные аккумуляторы не содержат токсичных химических элементов и в отличие от ионолитиевых не подвержены риску возгорания. Нет опасности и их чрезмерного разогрева, характерной для ионолитиевой технологии. А космический диапазон рабочих температур, от -40 до +60 °C, более чем достаточен для эксплуатации на земле.
«Мы понимаем, что за солнечной и ветровой энергетикой будущее, но для завершения ВИЭ-революции не хватает неприхотливых долговечных аккумуляторов. Батареи, разработанные в 1980-х для использования в космосе, сумасшедше дорогие, - объясняет Хайнеман. - Из-за использования платины в качестве катализатора и ручной сборки они обходились примерно в двадцать тысяч долларов за киловатт-час, а потому рынок игнорировал их, несмотря на выдающиеся технические характеристики. Начальная цена была настолько высока, что эксперты не надеялись на удешевление аккумуляторов, даже если наладить их крупносерийное производство».
Пора рассекретить
«Космические» никель-водородные аккумуляторы оказались в тени ещё и потому, что учёные и инженеры, которые разрабатывали их в 1980-х, вышли на пенсию. А новое поколение конструкторов не знакомо с технологией, когда-то созданной по секретным проектам.
Три года назад учёные из Стэнфорда заново оценили перспективы этих аккумуляторов и предложили для них новый вид электрохимического процесса, в рамках которого дорогостоящие металлы можно заменить более дешёвыми и тем самым резко снизить цены на продукцию. Разработанная в Стэнфорде электрохимическая модель позволяет использовать только широко распространённые в земной коре элементы, добываемые во многих странах.
Далее инженеры компании EnerVenue переработали конструкцию аккумуляторов в расчёте на их крупномасштабное производство. Получились очень простые по устройству элементы, которые должны быть конкурентоспособными по отношению к ионолитиевым. Тем более что будучи установлены где-либо на объекте, батареи EnerVenue не потребуют постоянных затрат на техническое обслуживание.
«Феноменальный успех ионолитиевых аккумуляторов частично объясняется их гибкостью. Вы можете разрядить смартфон за считанные часы, просматривая видео, а затем быстро зарядить его, а можете перевести устройство в режим экономии энергии, так что аккумулятор протянет несколько дней, - отметил Хайнеман. - Наша батарея тоже способна быстро заряжаться, долго держать заряд, а разряжаться медленно или быстро в зависимости от потребностей владельца. Она работает практически одинаково в двухчасовом и в двенадцатичасовом циклах, так что покупатель нашей батареи не будет ограничен каким-то предпочтительным вариантом её использования. Для других электрохимических систем это крайне сложно. Например, у ионолитиевых аккумуляторов при быстром заряде и разряде сокращается срок службы».
Удобство для потребителя
Стоит отметить, что ионолитиевые элементы имеют и более жёсткие ограничения по допустимым режимам работы. Для них, в частности, неприемлемы чрезмерный разряд, перезаряд и перегрев. По всем элементам, составляющим батарею, необходимо постоянно контролировать напряжение и температуру. Страховщики откажутся страховать промышленную систему накопления энергии, если не будут уверены, что каждый элемент в ней эксплуатируется с соблюдением требований производителя. По этой причине промышленные накопители для энергетики оснащаются сложными компьютерными системами, которые не только контролируют, но и протоколируют состояние всех ионолитиевых элементов.
Никель-водородные элементы подобных ограничений не имеют, и оператор накопителя сможет перестроить режим его работы, не беспокоясь о выходе за допустимые пределы. Скажем, сначала компания использует накопитель вместе с солнечной электростанцией в 24-часовом цикле, а затем перенастраивает его на системные услуги по стабилизации частоты в энергосети.
Благодаря широкому диапазону рабочих температур (от -40 до +60 °C) резко снижается опасность перегрева накопителя, можно не беспокоиться, как бы не снизилась ёмкость на холоде, и даже исключить из конструкции систем хранения кондиционеры, жизненно необходимые для эксплуатации ионолитиевых накопителей. И ещё одно преимущество: промышленные системы хранения энергии допустимо размещать вблизи производственных зданий или внутри них.
Версия 2.0
Каждый «космический» элемент представляет собой миниатюрный герметичный сосуд, в котором предусмотрено пространство для выделяющегося водорода. При доработке конструкции размер сосуда был увеличен до размера бутылки. Все элементы спроектированы в расчёте на роботизированную конвейерную сборку.
Взамен никель-водородного электрохимического процесса предложен марганцево-водородный. В нём на катоде поочерёдно проходят реакции осаждения твёрдого оксида марганца и его разложения с образованием подвижных ионов металла. Вода на аноде отдаёт кислород с высвобождением газообразного водорода, а затем восстанавливается. «Когда я пришёл в компанию, я считал, что замена электрохимического процесса является неким компромиссом, то есть электрические характеристики элемента будут несколько хуже, чем в исходном варианте, - продолжает Хайнеман, - и был очень удивлён тем, что характеристики только улучшились. Элемент можно заряжать и разряжать медленно или быстро, при этом количество циклов, которое он выдерживает, не меняется. Мы уже провели лабораторные испытания и не сомневаемся в выбранной электрохимии. Теперь наша главная задача - отладить опытную линию и затем масштабировать производство для снижения цены и вывода продукции на рынок. Важно, что процесс простой и каких-то особых производственных условий типа вакуума или чистых комнат не требует. Наши батареи легко собрать, а потом и разобрать, так что они пригодны для утилизации по окончании срока службы».
* * *
При всех своих достоинствах марганцево-водородные аккумуляторы не смогут похвастаться высокой удельной ёмкостью, так что в электромобилях их применение малоперспективно. И поэтому компания EnerVenue нацелилась на рынок электроэнергетики, где используются только стационарные системы. Со временем будут выпущены накопители и для индивидуального использования.
Читайте другие наши материалы
