Щелочной аккумулятор для возобновляемых источников энергии
Исследователи из США разработали щелочной потоковый аккумулятор, который, как они надеются, поможет решить достаточно сложную проблему запасания энергии, вырабатывающейся источниками возобновляемой энергии – ветряными и солнечными электростанциями.
Производительность нового источника питания сравнима с производительностью современных коммерческих потоковых источников, однако в данном устройстве используются дешевые и нетоксичные органические молекулы, что отличает их в выгодную сторону от обычных поточных аккумуляторов.
Новый потоковый источник питания может запасать энергию от возобновляемых источников, используя дешевые органические соединения. (Рисунок из Science, 2015, DOI: 10.1126/science.aab3033)
Доля солнечных и ветровых электростанций в выработке энергии постоянно растет, однако проблема, которую нужно решать, заключается в необходимости синхронизации потребления энергии и ее выработки, которая для возобновляемых источников энергии может зависеть от сезонных факторов. Одним из способов решения такой проблемы является долгосрочное хранение электроэнергии, а решить эту проблему могут аккумуляторы. В настоящий момент на рынке существует большое количество аккумуляторов, от литий-ионных до свинцово-сернокислотных, которые отличаются высокой стоимостью, небезопасны для применения в промышленных масштабах, а также не в состоянии хранить энергию в течение длительного времени. Таким образом, необходима разработка альтернативных способов запасания энергии.
Роберт Савинелл (Robert Savinell) из Университета Западного Резерва, специалист по электрохимическим устройствам запасания энергии, не принимавший участие в исследовании, отмечает, что потоковые аккумуляторы отличаются от обычных источников питания.
Руководитель исследования Майкл Маршак (Michael Marshak) заявляет, что потоковая батарея близка по строению к топливной ячейке, в которой потоки газообразных водорода и кислорода попадают в устройство конверсии энергии, где два электрода разделены мембраной. Разница между двумя устройствами заключается в том, что в случае потоковой батареи мембрана разделяет положительно и отрицательно заряженные электролиты, которые подаются в аккумулятор через раздельные резервуары. Отрицательно заряженный электролит отдает электроны, которые проходят по внешней электрической схеме, комбинируясь с катионами из положительно заряженного электролита, свободно диссоциирующими через мембрану. Этот процесс представляет собой зарядку, после которой электролиты можно хранить во внешних резервуарах. Поскольку течение жидких систем через батарею можно осуществлять в любом направлении, в ходе разрядки/питания батарей электрического устройства электролиты могут быть просто поданы в направлении обратном тому, в котором они подавались при зарядке.
Маршак считает, что такое устройство потоковых аккумуляторов делает их масштабируемыми и адаптабельными под решение каких-либо определенных задач, тем более что время работы такого источника питания только удлиняется с увеличением размеров внешнего резервуара для электролита, и для запасания большого количества энергии нет необходимости в большом количестве аккумуляторов – достаточно только одного, но большого.
Однако в существующих в настоящее время на рынке потоковых аккумуляторах применяются дорогие и опасные электролиты. Наиболее представленный на рынке тип аккумулятора – ванадиевый аккумулятор, в котором используются ионы ванадия в сернокислотном растворе, а из-за высокой стоимости ванадия стоимость такого источника питания также весьма велика.
Маршак с коллегами решили заменить эти компоненты более дешевыми и доступными материалами, находящимися в щелочном растворе. Исследователи растворили коммерчески доступные соединения – 2,6-дигидроксиантрахинон и ферроцианид (оба они используются в качестве пищевых добавок) в двух резервуарах, содержащих одномолярный раствор гидроксида калия, и прокачивали эти растворы через потоковую ячейку, изготовленную из графитовых потоковых систем и бумажно-углеродных электродов. Полученный источник питания ведет себя подобно серно-ванадиевому аналогу, выдавая напряжение 1,2 В, которое попадает в интервал напряжений, достаточных для разговора о коммерциализации источника питания. Еще одним приятным сюрпризом для исследователей была значительная стабильность работы нового источника питания во времени – несмотря на обычное предубеждение о неустойчивости органических соединений, молекулы, выбранные исследователями для создания нового аккумулятора, демонстрируют значительную устойчивость и не стремятся разлагаться.
Источник:
