На сегодняшний день аккумуляторы электрической энергии изготавливаются по самым разным технологиям и принципам. В основном это конструкции, энергия в которых накапливается за счет химического изменения анода и катода. Но существует еще один тип накопителей, в которых ни анод, ни катод в процессе не участвуют. Это, так называемые проточные аккумуляторы (ПА).
Принцип и конструкция
ПА состоит из двух емкостей и активной камеры – так называемого ядра. В емкостях находятся два различных по составу электролита (растворы металлических солей), которые прокачиваются при помощи насосов через ядро. Ядро представляет собой камеру с ионопроводящей перегородкой. Электролиты при прохождении через ядро не смешиваются, а ионы, свободно проникая через перегородку, создают разность потенциалов на электродах. Если подключить к электродам нагрузку, через нее потечет электрический ток.
Схема, поясняющая конструкцию проточного аккумулятора
Важно! Основное отличие проточной батареи от обычной состоит в том, что в первой энергия при зарядке накапливается в электролите, в то время как во второй – в электродах. При генерации тока и зарядке ПА именно в электролите происходит окислительно-восстановительная реакция.
На сегодняшний день наиболее подходящим электролитом является раствор ванадиевой соли в серной кислоте. Электроды – графит. Ванадий выбран в частности потому, что он относится к тем немногим веществам, с которыми эрозию мембраны – основную головную боль конструкторов – можно держать под контролем. Сегодня ведутся активные поиски менее дорогостоящего металла, который позволит сделать проточные накопители энергии общедоступными.
Справедливости ради необходимо отметить, что ванадий – не единственный элемент, использующийся в проточных аккумуляторах. Используются и другие составы электролитов.
Характеристики и возможности
Согласно уравнению Нернста ЭДС ванадиевого проточного элемента в практических конструкциях составляет 1.15-1.55 В, а с другими электролитами может достигать 2.5 В. Электрическая емкость ПА зависит от объема электролита, а мощность — от площади мембраны. Для увеличения выходного напряжения и емкости ячейки соединяют последовательно и параллельно. Количество циклов заряд/разряд может достигать 10 000, Что эквивалентно 20 годам активного использования. Удельная энергоемкость ванадиевого аккумулятора составляет 40 Вт·ч/кг.
На заметку. То есть батарея емкостью 20 кВт·ч будет весить около пятисот килограмм. Примерно столько же весит свинцово-кислотная АКБ той же емкости, но она имеет более скромный ресурс.
Теперь поговорим о достоинствах и недостатках проточных аккумуляторов.
К достоинствам можно отнести:
- Независимое масштабирование энергии (резервуаров) и мощности (ядра), что позволяет оптимизировать стоимость, вес и т.д. под конкретные задачи.
- Длительный срок службы, большое количество циклов заряд/разряд.
- Нет необходимости в использовании балансиров при последовательном соединении ячеек.
- Быстрая «перезагрузка». При необходимости электролит с разряженного аккумулятора можно слить и заменить новым, а отработанный поставить на зарядку.
- Отсутствие вредных выбросов.
- Отсутствует саморазряд при отключенной нагрузке и насосах.
Есть у ПА и недостатки:
- Невысокая мгновенно отдаваемая мощность. Для увеличения ее необходимо существенно увеличить площадь диафрагмы, что не всегда рентабельно и удобно.
- Низкая скорость зарядки. Проблема частично решается быстрой сменой электролита.
- Относительно дорогие из-за ванадия, входящего в состав электролита.
Любопытно. Старейшим проточным аккумулятором, согласно патенту Джона Дойла US224404, поданному 29 сентября 1879 года, является бромно–цинковый. Именно он был продемонстрирован в 1970-х годах (через 100 лет!) в качестве источника питания для электромобиля.
Перспективы
На сегодняшний день проточные аккумуляторы существуют не только в теории и на испытательных стендах. Еще в 1996 году японцы использовали у себя в стране подобные проточные аккумуляторы общей мощностью более 100 кВт. Такие же системы с номинальной мощностью в 60 мегаватт применяются в Японии для стабилизации частоты переменного тока и по сей день.
В Даляне (Китай) в 2022 году вступил в строй проточный накопитель емкостью 400 МВт·ч с выходной мощностью 100 МВт. На сегодняшний день он считается крупнейшей в мире проточной батареей и первым в Китае крупномасштабным демонстрационным проектом по хранению химической энергии.
Что касается России, то хотя тема проточных аккумуляторов давно набирает популярность в мире, у нас в стране ей пока не очень активно занимаются. На начало 2020 года лаборатория Сколтеха вообще была единственной. Тем не менее, технология отрабатывается, а отрасль начинает развиваться и у нас.
Таким образом, уже сейчас перспективы проточных аккумуляторов вполне очевидны. Они хорошо подойдут для хранения электрической энергии в больших объемах, остается довести технологию до совершенства.