Готовимся к жатве: современным ветряным мельницам нужны хорошие жернова

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".

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.

Батарея из керамических элементов cerenergy

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.

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.

Powerpaste по энергетической плотности превосходит бензин

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.

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».

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.