На рубеже XX века Томас Эдисон изобрел батарею с необычной способностью производить водород. Теперь, 120 лет спустя, аккумулятор вступает в свои права. Эдисон оснастил свой автомобиль аккумулятором нового типа, который, как он надеялся, вскоре будет питать автомобили по всей стране: никельжелезный аккумулятор. Основываясь на работе шведского изобретателя Эрнста Вальдемара Юнгнера, который первым запатентовал никель-железную батарею в 1899 году, Эдисон стремился усовершенствовать батарею для использования в автомобилях. Эдисон утверждал, что железоникелевый аккумулятор невероятно устойчив и может заряжаться в два раза быстрее свинцово-кислотных аккумуляторов. У него даже была сделка с Ford Motors на производство этого якобы более эффективного электромобиля.
Но с железо-никелевым аккумулятором нужно было кое-что исправить. Он был больше, чем более широко используемые свинцовокислотные батареи, и дороже. Кроме того, когда он заряжался, он выделял водород, что считалось неприятностью и могло быть опасно.
К сожалению, к тому времени, когда у Эдисона появился более совершенный прототип, электромобили постепенно уступили место автомобилям, работающим на ископаемом топливе, которые могли преодолевать большие расстояния без необходимости дозаправки или перезарядки. Сделка Эдисона с Ford Motors отошла на второй план, хотя его аккумулятор продолжал использоваться в определенных нишах, таких как железнодорожная сигнализация, где его громоздкий размер не был помехой.
Но более века спустя инженеры заново открыли для себя никель-железную батарею, как необработанный алмаз. Сейчас он исследуется как ответ на устойчивую проблему возобновляемых источников энергии: сглаживание неустойчивого характера чистых источников энергии, таких как ветер и солнце. А водород, который когда-то считался вызывающим беспокойство побочным продуктом, может оказаться одним из самых полезных свойств этих батарей.
В середине 2010-х годов исследовательская группа из Делфтского технологического университета в Нидерландах обнаружила применение никель-железной батареи на основе полученного водорода. Когда электричество проходит через аккумулятор во время зарядки, он подвергается химической реакции, в результате которой выделяются водород и кислород. Команда обнаружила, что эта реакция напоминает реакцию выделения водорода из воды, известную как электролиз.
«Мне показалось, что химия осталась прежней», — говорит Фокко Малдер, руководитель исследовательской группы Делфтского университета.
Эта реакция расщепления воды является одним из способов получения водорода для использования в качестве топлива – и совершенно чистого топлива, при условии, что энергия, используемая для запуска реакции, поступает из возобновляемого источника.
Хотя Малдер и его команда знали, что электроды никель-железной батареи способны расщеплять воду, они были удивлены, увидев, что электроды стали накапливать больше энергии, чем до производства водорода. Другими словами, он стал лучше, когда его тоже использовали в качестве электролизера. Они также были удивлены, увидев, насколько хорошо электроды выдерживают электролиз, который может привести к чрезмерным нагрузкам и ухудшению качества более традиционных батарей.
«И, конечно же, мы были довольны тем, что во время всего этого энергоэффективность оказалась хорошей», — говорит Малдер, достигнув уровня 80-90%.
Малдер назвал их творение «баттолизером», и они надеются, что их открытие поможет решить две основные проблемы для возобновляемых источников энергии: накопление энергии и производство чистого топлива, когда батареи полностью заряжены.
«Вы услышите все эти дискуссии о батареях, с одной стороны, и водороде, с другой», — говорит Малдер. «Между этими двумя направлениями всегда было своего рода соревнование, но в основном вам нужны оба».
Возобновляемая стоимость
Одна из самых больших проблем, связанных с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер и солнце, заключается в том, насколько они могут быть непредсказуемыми и непостоянными. Например, с солнечной батареей у вас есть избыток энергии, производимой в дневное и летнее время, но ночью и в зимние месяцы ее запасы сокращаются.
Обычные батареи, например, на основе лития, могут накапливать энергию в течение короткого времени, но когда они полностью заряжены, они должны выделять излишки, иначе они могут перегреться и выйти из строя. С другой стороны, никель-железный баттолизер остается стабильным при полной зарядке, и в этот момент он может перейти на производство водорода.
«Никель-железные батареи устойчивы к недозаряду и могут противостоять недозаряду и перезарядке лучше, чем другие батареи», — говорит Джон Бартон, научный сотрудник Школы механики, электротехники и промышленного производства Университета Лафборо в Великобритании. «При производстве водорода баттолизер добавляет многодневное и даже межсезонное накопление энергии».
Помимо создания водорода, никель-железные батареи обладают и другими полезными качествами, в первую очередь неприхотливостью в обслуживании. Они чрезвычайно долговечны, как доказал Эдисон в своем первом электромобиле, а некоторые прослужили более 40 лет. Металлы, необходимые для изготовления батареи — никель и железо — также более распространены, чем, скажем, кобальт, который используется для изготовления обычных батарей.
Это означает, что баттолизер может сыграть еще одну возможную роль для возобновляемой энергии: помочь ей стать более прибыльной.
Как и в любой другой отрасли, цены на возобновляемые источники энергии колеблются в зависимости от спроса и предложения. В яркий солнечный день может быть много энергии от солнечной энергии, что может привести к перенасыщению и падению цены, по которой энергия может быть продана. Однако баттолизер может помочь сгладить эти пики и впадины.
«Когда цены на электроэнергию высоки, вы можете разрядить эту батарею, но когда цена на электроэнергию низкая, вы можете заряжать батарею и производить водород», — говорит Малдер.
Баттолизер не одинок в этом отношении. Более традиционные щелочные электролизеры в сочетании с батареями также могут выполнять эту функцию и широко распространены в промышленности по производству водорода. Малдер считает, что баттолизер может делать то же самое за меньшие деньги и дольше, благодаря долговечности системы. Это то, что вселяет надежду у сторонников баттолизера.
И хотя водород является прямым продуктом баттолизера, из него также могут быть получены другие полезные вещества, такие как аммиак или метанол, которые обычно легче хранить и транспортировать.
«При наличии баттолизера аммиачная установка будет работать более постоянно и потребует меньше рабочей силы, что приведет к сокращению эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание, что позволит производить аммиак самым дешевым и экологически безопасным способом», — говорит Ханс Фрайенхоф, руководитель исполнительный директор Proton Ventures, который инвестировал в баттолизер Малдера.
Увеличение масштаба
На данный момент самый большой из существующих баттолизеров мощностью 15 кВт / 15 кВт-ч имеет достаточную емкость аккумулятора и долгосрочное хранение водорода для питания 1,5 домашних хозяйств. Увеличенная версия баттолизера мощностью 30 кВт / 30 кВт-ч находится в разработке на электростанции Magnum в Эмсхафене в Нидерландах, где она будет обеспечивать достаточное количество водорода для удовлетворения потребностей электростанции.
После прохождения тщательного тестирования цель состоит в том, чтобы расширить масштабы и распространить баттолизер среди производителей зеленой энергии, таких как солнечные и ветряные фермы. В конечном итоге сторонники баттолизера надеются, что он достигнет гигаваттного уровня — что эквивалентно мощности, вырабатываемой примерно 400 ветряными турбинами коммунального масштаба. Бартон видит роль не только в расширении масштабов, но и для небольших батолизеров, которые могут помочь снабжать энергией мини-сети, используемые удаленными сообществами, которые не живут в основных энергосистемах.
Может помочь тот факт, что электроды баттолизера сделаны из относительно дешевых и обычных металлов. И в отличие от лития, никель и железо при добыче не образуют большого количества отходов воды и не связаны со значительным ухудшением состояния окружающей среды.
Тем не менее, и Малдер, и Бартон видят препятствия, которые необходимо преодолеть с точки зрения эффективности и возможностей.
«Баттолизер действительно выиграет от увеличенной емкости батареи или уменьшенного внутреннего сопротивления», — говорит Бартон.
Внутреннее сопротивление — это противодействие протеканию тока в батарее. Чем выше внутреннее сопротивление, тем ниже КПД. Сейчас Малдер и его команда работают над улучшением этого.
Большая часть потенциала баттолизера скрывалась, будучи у всех на виду с тех пор, как Томас Эдисон впервые начал экспериментировать со своей никель-железной батареей на рубеже 20-го века. Возможно, он ошибался, полагая, что его батарея вытеснит другие транспортные средства на дороге. Но никель-железные батареи могут сыграть роль в замене ископаемого топлива в более широком смысле, помогая ускорить переход на возобновляемые источники энергии.