Прорыв был тихим делом, ускользнувшим от внимания многих крупных СМИ. До этого года любые исследования, связанные с этой технологией, были очень секретными; детали были скрыты от глаз общественности и хранились за закрытыми дверями. Лишь несколько недель назад мы узнали о блестящих успехах одной компании. Их объявление миру, возможно, было тонким и непритязательным, но влияние этой технологии будет огромным, она повлияет на ход развития человечества и будущее нашего общества в целом. Хотя компания, стоящая за этой инновацией, не очень известна, сейчас она в состоянии выиграть одну из самых важных технологических гонок на планете. На кону? Значительное богатство, власть и участие в решении одной из самых серьезных проблем Земли.
Название компании - Form Energy. Ее поддерживают ряд элитных инвесторов, таких как Билл Гейтс и Джефф Безос, а также многомиллиардные нефтяные компании и производители материалов. Собрав сотни миллионов долларов и усовершенствовав результаты десятилетних исследований, компания Form Energy, возможно, только что подарила миру святой грааль энергетической технологии.
Самой большой проблемой при переходе нашего общества на чистую энергию является тот факт, что солнечная и ветровая энергия прерывиста. Солнце светит только в определенное время, а ветер дует только в определенные дни. Следовательно, нам нужен способ хранения большого количества энергии для питания домов и других зданий в те бесплодные периоды времени, когда энергия ветра и солнца недоступна. До сих пор мы хранили чистую энергию в литий-ионных батареях, но этот способ хранения энергии имеет ряд недостатков.
Литий-ионные батареи могут иметь высокую плотность энергии и эффективность, но для их создания используется ряд различных элементов, включая литий, кобальт, никель и марганец, которые добываются на Земле с помощью вредных и сложных методов. Для добычи лития может потребоваться огромное количество воды, которая после завершения процесса добычи оставляет богатые литием регионы сухими. Из-за большого количества необходимых элементов стоимость литиевых батарей в конечном итоге составляет $50-80 за киловатт-час хранения. Они служат 3 000 циклов, или около 10-15 лет. В течение этого времени они также подвержены опасным эпизодам горения, когда возникающие пожары трудно потушить. Однако самым большим их недостатком является то, что они могут отдавать энергию в сеть только в течение 4 часов. Учитывая, что в сутках около 12 часов темноты, а бури могут длиться неделю, 4 часов недостаточно для удовлетворения потребностей в энергии. По этой причине наше общество пока не может полагаться на чистые источники энергии. Никогда не существовало достаточно эффективной системы хранения энергии, которая могла бы дополнить литий-ионные батареи и позволить нашему обществу полностью перейти на более чистую энергетическую инфраструктуру.
Однако этот факт может измениться.
Отчасти прелесть новой батареи Form Energy заключается в ее простоте. В ней всего два основных ингредиента, и оба они доступны: железо и воздух - отсюда и название "железо-воздушные батареи". Хотя добыча железа также приводит к загрязнению воздуха и воды, железо-воздушные батареи могут работать до 10 000 циклов против 3 000 циклов у литиевых (это равносильно 30 годам для железо-воздушных батарей по сравнению с 10 годами для литиевых). Железо также гораздо более распространено в земной коре, что делает работу с ним гораздо дешевле, чем с различными элементами, необходимыми для традиционных батарей. Стоимость каждого элемента в железо-воздушной батарее составляет всего 6 долларов США за киловатт-час хранения. Полностью сформированная система батарей будет стоить менее $20 за киловатт-час, что делает ее в целом намного дешевле литий-ионных батарей и достаточно доступной, чтобы заменить все наши электростанции, работающие на ископаемом топливе. Согласно последней оценке компании Form, стоимость их батареи составляет всего 1/10 от стоимости литиевых батарей. Но это даже не самый интересный аспект.
Их батарея - это перезаряжаемая 150-часовая система. Это означает, что они могут поставлять электроэнергию в сеть в течение более 6 дней. Наше общество наконец-то получит надежную и полностью возобновляемую электрическую сеть, что позволит нам полностью отказаться от электростанций, работающих на ископаемом топливе.
И нам не придется долго ждать, чтобы сделать это. Следующим этапом Form Energy станет переход к электростанциям масштаба энергосистемы: демонстрационная установка запланирована на 2023 год, а полностью функциональные железные батареи длительного действия войдут в сеть к 2025 году. Уже сейчас несколько коммунальных компаний ведут переговоры с Form о внедрении их новых батарей.
Возможно, это именно та инновация, которая позволит США достичь своей цели - избавиться от выбросов углекислого газа к 2035 году.
Но как именно батареям удается достичь этого невероятного результата? Это происходит благодаря так называемому обратимому ржавлению. Один большой блок батареи может содержать 10-20 стопок ячеек. Внутри этих ячеек есть 3 основные части: анод, катод и электролит. Это основные части, из которых состоит любая батарея и которые позволяют ей производить и хранить электричество. Анод в данном случае состоит из гранул железа, а катод, дышащий воздухом, расположен на другом конце. Обе эти секции погружены в электролит на водной основе, что позволяет входящему воздуху вступать в реакцию с железом. Эта реакция окисляет железо в гидроксид железа, высвобождая при этом электроны. Затем железо окисляется в ржавчину - процесс, в ходе которого высвобождается еще больше электронов, и мы получаем электричество. Все это означает, что во время разряда на катоде накапливается ржавчина, но во время фазы перезарядки электрический ток, проходящий через элементы батареи, обращает реакцию вспять и освобождает кислород из ржавчины. В результате мы снова получаем железо.
Железно-воздушные батареи не предназначены для замены литий-ионных. Есть много случаев, когда железные батареи просто не могут занять их место. Например, они слишком большие и тяжелые для использования в телефонах, компьютерах или даже электромобилях. Железные батареи должны стать завершающим звеном в переходе на чистую энергию. Если ветровая, солнечная, ядерная и геотермальная энергия может обеспечить 80% электроэнергии наряду с литий-ионными батареями, то последние 20% могут быть учтены с помощью новой усовершенствованной технологии Form Energy. Теперь у нас может быть энергосистема без выбросов углекислого газа. Аналогичным образом твердотельные батареи позволят широко внедрить электромобили и в целом снизить углеродное воздействие производства батарей.
Не существует какой-то одной единственной технологии, которая заменит ископаемое топливо. Точно так же, как ни одна страна или общество во всем мире не поможет устранить ущерб от изменения климата, именно усилия многих людей, умов и компаний приведут к лучшему будущему как для людей, так и для животных.
И, возможно, теперь у нас есть последняя часть технологии, необходимая для начала возмещения ущерба.