Впервые коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор был представлен компанией Sony в 1991 году. С тех пор этот способ остаётся одной из лидирующих технологий хранения электрической энергии. Однако у таких аккумуляторов есть несколько недостатков, например, относительно небольшой ресурс — количество циклов, которые они могут отработать, воспламеняемость и высокая токсичность. Более того их сложно и дорого перерабатывать, к тому же это опасно для экологии. Решением проблемы могут стать новые проточные аккумуляторы на основе переходного металла ванадия или ванадиевые проточные аккумуляторы (ВПА). Такой аккумулятор работает в пять - шесть раз дольше, но пока не готов заменить батарею в вашем телефоне, зато может обеспечивать энергией целые посёлки, заводы, шахты и даже морские буровые платформы. Подробнее о ванадиевом проточном аккумуляторе расскажет генеральный директор стартапа FlowBat, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Михаил Пугач.
Стоит напомнить, как работают литий-ионные системы, занимающие по данным Statista 90% всего рынка хранения энергии. В основе лежат химические реакции окисления и восстановления, протекающие на электродах: аноде (отвечает за восстановление – получение электронов) и катоде (отвечает за окисление – отдачу электронов). В ВПА электрохимические реакции проходят не в твёрдых электродах, а в жидких электролитах. Такая конфигурация помогает хранить энергию практически бесконечно и без потерь.
Чтобы сделать из ванадия батарею, учёные растворяют его в серной кислоте, получая соль ванадия. Работает такой источник энергии с помощью перекачивания полученного раствора из резервуаров через электрохимическую ячейку. Важно, что оба эти элемента размещаются раздельно. В такой конфигурации можно достаточно легко подобрать необходимую конфигурацию аккумулятора: нужно больше мощности – добавляем больше ячеек; требуется увеличить ёмкость – устанавливаем дополнительный резервуар для электролитов.
В отличие от тех же литий-ионных собратьев жидкость в ВПА не столь токсична, а значит, не несёт сильную угрозу для окружающей среды. К тому же отработанный материал не нужно утилизировать — раствор пригоден для вторичного использования в металлургии. Добывают ванадий также металлурги, как правило, попутно с другими металлами. Много ванадия также содержится в нефти, и в отличие от лития, которого в России нет, залежи этого металла в нашей стране оцениваются в четверть от объёма мирового запаса. При этом в металлургии используется только часть добываемого ванадия — для легирования стали, другая часть просто лежит в отвалах.
Впервые ванадиевые проточные аккумуляторы были разработаны в Австралии, однако позже идея таких систем была продана в Японию и Китай, где они занимают ключевую роль в энергетике государств. И этому есть причины. ВПА решает сразу несколько важных задач, одновременно выступая в роли автономного источника тока, компенсируя кратковременные импульсы и долгосрочные проблемы в генерации, характерные для возобновляемых источников. Также, выступая в качестве энергетического хаба, системы на основе ванадия могут агрегировать энергию от разных источников и в нужное время распределять её в электрической сети.
Несмотря на то что технология ВПА-накопителей должна стать для нашей страны стратегической, занимаются ей немногие. Однако есть и обратные примеры: Сколтех и FlowBat проводят передовые исследования в этой области и уже разработали две цифровые платформы: ВПА-симулятор и систему мониторинга и управления ВПА. Также совместными усилиями учёные и инженеры спроектировали и сконструировали опытную установку на основе ванадиевых проточных аккумуляторов. Сейчас исследователи работают над ВПА-системой для массового потребителя. Именно в этом заключается одна из ключевых причин, почему накопителям на основе ванадия трудно конкурировать с популярными твердотельными аналогами. Однако, система ВПА гораздо проще и дешевле в эксплуатации — ей не нужны сложные контроллеры и системы пожаротушения, а без замены внутренних компонентов она может проработать до 20 лет.
Читайте также:
поймать свет внутри дома: на что способны солнечные батареи внутридомового использования
как технологии помогают экономить электроэнергию и распределять нагрузку на сеть