Вдохновленная задачей Министерства энергетики резко снизить стоимость хранения возобновляемой энергии в сети и одновременно улавливать ее в большем объеме, группа ученых из Массачусетского технологического института разработала батарею, работающую на основе серы, воздуха, вода и соль - все легкодоступные материалы - которые почти в 100 раз дешевле в производстве, чем батареи, представленные в настоящее время на рынке, и могут хранить в два раза больше энергии, чем свинцово-кислотные батареи. Изобретатели представляют свой прототип 11 октября в журнале Joule.
"Становится все более очевидным, что для того, чтобы возобновляемая энергия стала основной частью, если не всей, нашей системы производства электроэнергии, она должна соответствовать выходному спросу, который у нас есть как у общества", - говорит старший автор Йет-Минг Чан из отдела материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «Мы думаем, что эта работа помогает нам двигаться в правильном направлении и вселяет больше надежды на то, что это возможно, но нам нужно продвигать ее вперед очень быстро, потому что у нас не так много времени».
Одним из критических замечаний в отношении возобновляемых источников энергии является ее изменчивость. Например, бывают периоды, когда облако скрывается перед солнцем или когда стихает ветер, поэтому возможность запасать энергию на время простоя имеет важное значение для непрерывного потока энергии. На данный момент сопряжение накопления энергии с возобновляемой генерацией находится в зачаточном состоянии - это происходит, но от общего количества вырабатываемой солнечной и ветровой энергии фактически сохраняется очень небольшой процент, при этом стоимость хранения энергии является одной из величайшие преграды.
При бывшем министре энергетики Стивене Чу Объединенный центр исследований в области хранения энергии Министерства энергетики поставил цель «5-5-5» (что означает 5-кратное снижение затрат, 5-кратное увеличение плотности энергии, выполнено за 5 лет) для сетевого хранения. В ответ группа Чанга сосредоточилась на первой части проблемы, исследуя, как создать единицу хранения с низким показателем стоимости сохраненной энергии (доллары США за киловатт-час, $/кВтч), исходя из стоимости энергоносителя. катод, анод и электролиты батареи. Текущие затраты на химические вещества часто колеблются от 10 до 100 долларов за кВтч, поскольку материалы для аккумуляторов часто приходится добывать и доставлять по всему миру.
Chiang и его коллеги особенно интересовались потенциалом серы - широко распространенного неметалла, являющегося продуктом использования природного газа - в качестве основного компонента легкой и недорогой аккумуляторной батареи. Все батареи состоят из положительного анода, отрицательного катода и электролита для переноса заряда, и исследовательская группа хотела выяснить, как сера может быть катодом, а вода - электролитом.
«Мы начали поиски положительного электрода, который также имел бы исключительно низкую стоимость и мог бы использоваться с серой в качестве отрицательного электрода», - говорит Чанг. «Благодаря случайному лабораторному открытию мы выяснили, что на самом деле это может быть кислород и, следовательно, воздух. Нам нужно было добавить еще один компонент, который был носителем заряда, чтобы двигаться вперед и назад между серным и воздушным электродом, и это оказалось быть натрием». Общая химическая стоимость этой батареи составляет около 1 доллара США за кВтч.
После того, как исследователи определились с компонентами, им нужно было решить, как будет выглядеть остальная часть батареи. Поскольку все химические компоненты батареи растворены в воде, они выбрали архитектуру проточной батареи, в которой с помощью насосов и трубок электрический заряд заставляет компоненты батареи течь мимо друг друга, создавая химические вещества. реакции, которые помогают ему захватывать электроны. Одна сложность этого подхода заключается в том, что количество электрического заряда, который может быть сохранен, зависит от количества жидкости в аноде и катоде. Это означает, что батарея должна занимать больше места, чем традиционно используемая, но стоимость материалов компенсирует этот недостаток.
«Мы надеемся, что сообщество больше задумается о долговременном хранении, которое нам понадобится больше, поскольку мы достигнем более высокого проникновения возобновляемых источников энергии в энергосистему», - говорит Чанг. «Например, существуют сезонные колебания, и нам нужно выяснить, как с этим справиться. До сих пор электрохимическое хранение не было первым, о чем люди думали, чтобы приспособиться к этим сезонным колебаниям, просто потому, что стоимость его так высоко."
Исследователи планируют продолжить работу над повышением эффективности своей аккумуляторной батареи, снижением затрат на архитектуру батареи и увеличением срока ее службы - в настоящее время она может работать до 1500 часов, но это далеко не 5- 20-летний срок службы потребовался бы на практике. Они также обдумывают, как лучше всего масштабировать свой прототип и где провести коммерческое тестирование своего продукта.