Редокс-батареи: стационарная энергетика. Химик Дмитрий Конев о том, как запасать альтернативную энергию и использовать такие аккумуляторы для электростанций

Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Человечество пользуется энергией в разных формах. Для бытовых и многих других применений наиболее удобна электроэнергия, которая передается благодаря централизованным энергосетям. Однако работают они не так эффективно, как могли бы. Поэтому человечество переходит к так называемой распределенной энергетике, основным элементом которой является большой стационарный накопитель электроэнергии. Он может накопить электроэнергию в большом объеме и потом выдавать ее по мере необходимости.

Мы все прекрасно знаем, как работает аккумулятор в мобильных телефонах: он накапливает электроэнергию и возвращает. То же самое делают проточные редокс-батареи, только они в несколько тысяч раз мощнее.

Представим себе, что нам нужно запасти электроэнергию для целого дома. Тогда мы берем аккумулятор нашего мобильного телефона и умножаем его, допустим, на 1000. Соответственно, его стоимость тоже увеличится в 1000 раз. И та цена, которую мы получим за объем энергии, хранящийся в аккумуляторе и умноженный в 1000 раз, будет совершенно неприемлемой с точки зрения экономики.

Этот параметр нужно как-то оптимизировать. Нужно использовать устройство, которое будет либо работать дольше, чем аккумулятор в мобильном телефоне, либо будет сделано из более дешевых комплектующих. Поэтому для таких задач редокс-батареи подходят лучше.

Устройство редокс-батарей

Есть три типа источников энергии: портативные (для каких-то носимых устройств), мобильные (которые ездят на колесиках) и стационарные (которые накапливают большие объемы энергии и никуда не перемещаются). И в зависимости от типа меняется плотность энергии. Для портативных и мобильных приложений она очень важна, а для стационарных незначительна. У редокс-батарей, как у преимущественно стационарных накопителей, этот параметр заметно хуже, чем у тех же литийионных аккумуляторов.

Главное отличие редокс-батареи от аккумулятора в том, что аккумулятор — единый корпус, в котором сразу содержатся и вещества, рождающие электроэнергию, и электроды, с помощью которых это происходит. Проточная редокс-батарея позволяет отдельно вынести модуль, преобразующий энергию химических веществ в электроэнергию, и отдельно резервуары, в которых электроэнергия в виде химических веществ будет храниться. И то и другое можно менять по размерам независимо друг от друга. Соответственно, если нужно, чтобы у устройства, которое запасает энергию, выросла мощность, а емкость осталась на прежнем уровне или наоборот, то это возможно только в случае с проточными редокс-батареями. В них есть отдельный модуль, преобразующий энергию веществ, и отдельные резервуары, которые хранят вещества. Эти вещества находятся в жидком состоянии и подаются в блок с помощью насоса.

Схема проточной редокс-батареи // muhendisbeyindefteri.wordpress.com

Предположим, горит одна лампочка, и мы хотим, чтобы она работала от батарейки не один день, а один год. Мощность нам менять при этом не нужно. Если решать эту задачу при помощи батареек, то надо поставить много батареек, которых хватит на год. В таком случае мы увеличиваем мощность для нашей лампочки. Во-первых, нам не нужна такая мощность, во-вторых, нам придется за такую мощность больше заплатить. В редокс-батарейках же достаточно оставить тот же разрядный блок по площади и просто добавить больше жидкости.

Использование редокс-батарей

Сейчас проточные батареи очень большой мощности используются в сочетании с солнечными и ветряными электростанциями. Однако в России по практическому применению редокс-батарей мы пока отстаем, потому что можем использовать другие источники электроэнергии.

Количество стационарных редокс-батарей, используемых в разных странах // www.energystorageexchange.org/projects

Благодаря новым разработкам, которые повышают плотность хранимой энергии, редокс-батареи приближаются к использованию мобильных источников. То есть, возможно, когда-нибудь мы будем использовать редокс-батареи в автотранспорте.

Самые распространенные редокс-батареи — это ванадиевые батареи. Сейчас там используется концентрация раствора 1–2 моль/л. Эффективность таких электролитов по величине хранимой энергии на два порядка меньше, чем у жидкого топлива (бензина). Соответственно, нужно работать над тем, чтобы концентрация раствора стала не 2 моль/л, а, например, 10 моль/л. Правда, для этого придется использовать какие-то другие вещества.

Еще один фактор, который нужно оптимизировать, — это разность стандартных электродных потенциалов между восстановителем и окислителем. Потому как чем она больше, тем больше энергии мы можем сохранить при той же концентрации. Соответственно, для того, чтобы повысить эту разность потенциалов, нужно варьировать природу окислителя и природу восстановителя.

Еще очень важный параметр — температурная стабильность. Концентрированных растворов, которые при температуре от +40 до -60 °C никак не меняют свою форму, очень мало. В стационарном хранении энергии эта проблема решается автоматически, потому что стационарный накопитель электроэнергии — это здание. В помещениях можно предусмотреть систему регуляции температуры. Однако для перехода к мобильным приложениям, конечно, температурный диапазон у редокс-батарей будет играть большую роль, и пока он не так хорош, как нам хотелось бы. Сейчас такие батареи выдерживают температуру не ниже -30 °C.

Деградация редокс-батарей

Деградация редокс-батарей обусловлена тем, что элементы, из которых они сделаны, могут коррозировать. Жидкий электроактивный компонент в процессе заряжения и разряда батарейки не претерпевает изменений, способных вывести батарею из строя. Единственное, что может произойти, — это так называемая разбалансировка. Потому что в процессе функционирования растворы окислителя и восстановителя разделены мембраной. И рано или поздно компоненты одного электролита проникают в другой. Когда глубина смешения этих электролитов становится достаточно большой, необходимо снова собрать жидкости в одном баке и заново разделить.

У аккумуляторов с твердотельным компонентом это, конечно, не так. Именно поэтому редокс-батареи в стационарном хранении энергии по экономическим показателям выходят на лидирующую позицию. Срок службы ванадиевой редокс-батареи составляет десятки лет — это десятки тысяч циклов заряда-разряда. Сами циклы можно варьировать: если сделать большой бак и маленький разрядный блок, то один цикл займет очень большое время; если же, наоборот, бак будет маленьким, а разрядный блок большим, то цикл будет всего несколько часов или минут.

Преимущества редокс-батарей

Первое преимущество — независимое варьирование мощности и емкости. Второе — долгий срок службы, так как нет физических основ деградации материалов. Непосредственно из этого вытекают их экономические характеристики, потому что срок службы очень большой. Один из основных экономических показателей — стоимость на жизненном цикле. Соответственно, чем больше жизненный цикл, тем меньше получается стоимость энергии, хранимой в течение жизненного цикла. КПД редокс-батарей достаточно высок, около 70–80%. Его тоже можно варьировать в зависимости от нужд.

Недостатки редокс-батарей

Основной недостаток редокс-батарей — низкая плотность хранимой энергии. Если этот параметр преодолеть, проточные редокс-батареи будут выгоднее аккумуляторов с твердотельными электроактивными компонентами.

Есть параметры, по которым редокс-батареи отстают от аккумуляторов, и параметры, по которым они обгоняют аккумуляторы. Но в совокупности факторов, экологических и экономических, проточные редокс-батареи побеждают остальные системы хранения энергии.

Затраты на обслуживание у редокс-батарей довольно низкие, а вот капитальные затраты больше, чем у аккумуляторов. На самом деле проточные редокс-батареи, упрощенно говоря, все-таки не коробка с содержимым, а своего рода заводской цех. То есть в одном углу стоит бачок, в другом — насос, в третьем — разрядный блок. Есть система охлаждения, есть система управления. Но из-за того, что организованная система сможет работать 20 лет и обслуживать ее практически не придется, достигается экономическое преимущество по сравнению с аккумуляторами.

У редокс-батареи рано или поздно кончится срок службы составных элементов, но все эти проблемы легко решаются. Если резервуар начнет коррозировать, мы просто его заменим. Если испортится разрядный блок, мы заменим модуль разрядного блока. Если выйдет из строя насос, то заменим насос. Маловероятно, что вся редокс-батарея сразу выйдет из строя — именно потому, что основная вырабатывающая электроэнергию система ванадиевой редокс-батареи находится в растворенном виде. У других редокс-батарей может выйти из строя электролит. Такой принцип хранения электроэнергии.

В каком-то смысле это вечный аккумулятор, запчасти которого будут периодически ломаться. Скажем, насос — это движущаяся часть, и нужно будет предусмотреть его ежегодную замену. Резервуар будет коррозировать и нуждаться в замене примерно раз в 10 лет. Разрядный блок — самая технологически сложная часть батареи, его тоже нужно будет заменять с какой-то периодичностью. Но ситуации, когда одна редокс-батарея вышла из строя, ее выбросили и построили другую редокс-батарею рядом, никогда не возникнет.

Проточные редокс-батареи в том виде, который описан выше, сегодня почти достигли своего максимума, потому что есть физические ограничения на плотность хранимой энергии: мы не можем бесконечно увеличивать концентрацию растворов — они просто перестанут быть жидкими. И набор веществ, которые содержат в себе достаточно много энергии, тоже невелик. Сейчас из редокс-батарей разрабатывают так называемые гибриды: литийионная половина — та, что основана на интеркаляции лития в углеродный материал, — берется от аккумулятора; другая половина — окислитель, имеющий жидкую форму и подающийся по принципу, по которому работают редокс-батареи. Такой гибрид будет иметь довольно высокую плотность энергии.