Расплавленный аккумулятор спасёт зелёное электричество
Узнаваемый изобретательский приём – перевоплотить недочёт конструкции в преимущество, вынудить мешающее свойство совокупности трудиться на пользу дела. В этом случае подобный фокус разрешил выстроить экзотический электрохимический аккумулятор, что не опасается огромной нагрузки и в котором попросту нечему ломаться.
Дональд Сэдовей (Donald Sadoway) и его коллеги из Массачусетского технологического университета(MIT) придумали уникальный метод аккумулирования электроэнергии, что разрешит весям и городам трудиться от солнца ночью либо от ветра в штиль.
Имеющихся вариантов для того чтобы хранения не так уж и большое количество. Первое, что приходит на ум, — гидроаккумулирующая электростанция (о ней мы говорили среди другого в этом материале). Несложная и система , владеющая множеством преимуществ.
Недочёт по солидному счёту один, но значительный, — не во всякой местности такую выстроишь, да и занимать она будет громадную площадь.
Постоянные читатели «Мембраны» смогут припомнить одно примечательное изобретение доктора наук Сэдовея – способ производства стали электролизом. Вот и в новом проекте американец воспользовался собственными знаниями в области электрохимии (кадр с сайта technologyreview.com).
Ещё возможно переплавлять энергию ветра в водород. Не для применения в качестве горючего (в машинах), а лишь как временное хранилище электричества. Такая совокупность возможно в полной мере действенной с позиций энергетики, но, увы, она весьма дорога.
Относительно свежая мысль запасания «ветра» в огромных холодильниках, наоборот, практически не требует капитальных затрат. Так что может отыскать некое использование. Но чуть ли — как единственное либо хотя бы основное средство хранения энергии.
Перспективны и супермаховики. Да, мы знаем, говорят об этом много лет. Но лишь сейчас начали появляться вправду работоспособные проекты, демонстрирующие возможности стационарных маховичных накопителей на практике (об одном из них мы говорили детально).
И ещё имеется всякие уникальности, типа закачки сжатого воздуха в подземные полости.
Гидроаккумулирующая электростанция по внешнему виду возможно неотличима от простой ГЭС, стоящей на реке, быть может воображать собой таковой вот необыкновенный резервуар, как станция Taum Sauk в Миссури. В любом случае – это большие объёмы и большая территория строительства (фотографии с сайта ameren.com).
Каждый метод оптимален по-своему, и ни один не есть совершенным. Сэдовей же предлагает: давайте возвратимся к химическим аккумуляторная батареям. Лишь необыкновенным – расплавленным.
Вообще-то так именуемые тёплые аккумуляторная батареи изобретены не день назад. Существует множество их разновидностей, владеющих завидными удельными показателями. Лишь вот рабочая температура в много градусов накладывает ограничения на условия применения, да и в плане долговечности создаёт неприятности.
Мы говорим, например, о таких известных разработках, как серно-натриевые батареи (NaS battery) и родственные им аккумуляторная батареи типа ZEBRA. Первые нашли использование именно в качестве стационарных хранилищ промышленного электричества (но число таких станций возможно пересчитать по пальцам), а вторые — в ряде мелкосерийных электромобилей.
17 больших блоков серно-натриевых тёплых батарей развивают мощность 34 мегаватта. В низком строении на заднем замысле расположены преобразователи переменного/постоянного тока, через каковые данный супераккумулятор подключён к сети. Этот комплекс – часть новой ветровой фермы Futamata, трудящейся в японской префектуре Aomori, а тёплые батареи значительно сглаживают неравномерность выработки электричества от ветряков, покрывая дневной пик потребления и накапливая энергию ночью (фото с сайта techon.nikkeibp.co.jp).
И те и другие виды владеют рядом врождённых недочётов, сдерживающих их распространение. А вот новый аккумулятор, прототип которого уже создан в массачусетском университете, обязан появляться в три раза дешевле лучших сегодняшних батарей, намного долговечнее всех других и, основное, – значительно замечательнее, радуются изобретатели.
Таковой аккумулятор размером с мусорный бак на 150 литров,рассуждает Сэдовей, имел возможность бы стать непременным элементом «зелёного» дома, снабжая все его потребности в энергии кроме того на пике потребления, а подзаряжался бы он от солнечных панелей и переменчивых ветряков. Основное же – большие собрания аккумуляторная батарей нового типа имели возможность бы запасать огромные количества энергии от других станций, питая целые посёлки а также города.
Так, прогнозирует американский учёный, новая накапливающая станция мощностью в 13 гигаватт (другими словами — на мегаполис) заняла бы площадь всего в 60 тысяч квадратных метров.
За счёт чего такие параметры? Эти батареи способны отдавать и принимать вдесятеро больший ток, чем все существующие типы химических аккумуляторная батарей, поясняет изобретатель.
Всё дело в электродах. Отыщем в памяти, создатели, например, литиево-ионных элементов когда не изощряются, дабы поднять допустимый ток, проходящий через электроды. И материалы подбирают необыкновенные, и добавки различные, а также нанотехнологии подключают.
Со свинцово-кислотными батареями дело обстоит схожим образом.
В простом аккумуляторе, к примеру в свинцово-кислотном, материалы электродов накладывают ограничения на параметры впитываемого либо отдаваемого тока. Они же во многом определяют срок работы устройства (иллюстрация Arthur Mount).
И всё равняется – через чур сильный ток может повредить устройство, попросту расплавив всю конструкцию. Сэдовей отыскал выход: пускай расплавленное состояние будет обычным для всех частей батареи. Тогда ничего в ней «нежданно» расплавиться не сможет и дело в шляпе.
В расплавленных тёплых аккумуляторная батареях типа NaS либо ZEBRA имеется кроме контактов и корпусов как минимум ещё один наиболее значимый нерасплавленный элемент — жёсткий электролит (это особая керамика, проводящая ионы Na). А в аккумуляторе Сэдовея жёстких частей во внутренностях по большому счету нет. Никаких.
В данной батарее (не считая внешнего корпуса, что разумеется) всё жидкое — и электролит, и оба электрода!
Как же они не смешиваются между собой? Гениально легко — благодаря различной плотности. Совершенно верно так же, как не смешиваются вода и масло в в далеком прошлом стоящем стакане, пока его не встряхнёшь либо не поболтаешь в нём ложкой. Но, как мы уже знаем, собственную новую батарею Дональд «сватает» энергетикам в качестве стационарного накопителя энергии.
Так что неприятности перемешивания жидкостей тут не появится.
Аккумулятор, придуманный его соратниками и Дональдом по университету, представляет собой тугоплавкий «стакан» (он же – первый выходной контакт), накрытый крышкой (это второй контакт). Между ними – диэлектрик, а около – теплоизолирующая оболочка.
На дно данной ёмкости авторы конструкции поместили сурьму (это первый электрод в совокупности), следующий слой – сульфид натрия (электролит), а на самом верху – магний (второй электрод). Всё – в расплавленном виде. Причём в электролите кроме этого растворён антимонид магния.
В таком виде аккумулятор готов к приёму тока. По мере того как устройство заправляется энергией извне, положительно заряженные ионы магния в электролите забирают электроны из сети и формируют нейтральные атомы, каковые присоединяются к верхнему электроду. Отрицательные ионы сурьмы, наоборот, отдают собственные электроны и кроме этого формируют нейтральные атомы, каковые опускаются вниз, присоединяясь к электроду из сурьмы соответственно.
Итак, при заряде прослойка электролита в жидкой батарее тает, а расплавленные электроды – растут.
Схема работы нового жидкого аккумулятора. Слева – устройство готово к приёму заряда. В центре – зарядка батареи. Справа – всецело заряженный электрохимический элемент.
Синим цветом продемонстрирован слой магния, зелёным – электролит, жёлтым – сурьма (иллюстрация Arthur Mount).
А при разряде аккумулятора всё происходит в обратном порядке: отдавая ток в нагрузку, материал электродов (в виде ионов) растворяется в электролите, формируя в том месте антимонид магния и заставляя тем самым центральный слой расти. Сами же электроды обратно уменьшаются.
Это достаточно необыкновенный принцип работы для химических аккумуляторная батарей. Но такая совокупность готова выдержать очень много циклов, она может отдавать и принимать огромные токи без повреждений. И все компоненты для того чтобы аккумулятора – недороги.
А поставить такие совокупности возможно хоть в чистом поле, хоть в городе.
Сэдовей и его сотрудники выстроили опытный образец расплавленной батареи. Её удельная ёмкость, действительно, оказалась не очень впечатляющей. Обстоятельство: экспериментаторам не удалось растворить антимонид магния в электролите в высокой концентрации.
Но это не столь уж критично – для стационарного применения масса совокупности не через чур серьёзна.
К тому же учёные считают, что все главные показатели новой батареи возможно будет серьёзно улучшить, подобрав соли и иные металлы, но сохранив всецело принцип работы для того чтобы аккумулятора.
До коммерческого варианта его возможно довести в течение пяти лет, предвещает Сэдовей. И это не столь уж большое количество, учитывая, например, что тёплые аккумуляторная батареи прошлых типов, не смотря на то, что и изобретены весьма в далеком прошлом, до сих пор настойчиво совершенствуются рядом компаний и всё ещё числятся среди экзотики.
