Жидкие накопители
Мы много писали о различных видах накопителей электроэнергии, необходимых для сглаживания суточных колебаний нагрузки и неравномерности выработки энергии от таких возобновляемых источников, как ветровые и солнечные генераторы. Ещё один перспективный тип аккумуляторов для этих целей разработан группой учёных-исследователей с факультета материаловедения Массачусетского технологического института, которой руководит профессор Дональд Садовый в рамках проекта Liquid Metal Battery (Жидкометаллический аккумулятор, ЖМА).
в лаборатории
Проект изначально финансировали Агентство перспективных исследований Министерства энергетики США (ARPA-E) и крупнейшая французская нефтегазовая компания Total. Для его реализации была создана корпорация Liquid Metal Battery, впоследствии переименованная в Ambri, которая затем получила дополнительные инвестиции от Total, Билла Гейтса и пары инвестиционных фондов. Полученные на сегодня результаты позволяют предположить, что новая технология позволит изготавливать ёмкие и сравнительно недорогие стационарные накопители энергии промышленного масштаба, которые помогут с минимальными затратами интегрировать ВИЭ в существующие энергосистемы.
Расплавленные электроды
В обычных аккумуляторах положительный и отрицательный электроды - твёрдые, а электролит - жидкий или гелеобразный. Довольно большую часть объёма и массы обычного аккумулятора составляют элементы, не участвующие непосредственно в электрохимическом процессе, - сепараторы, поддерживающие конструкции и т. п. Идея ЖМА заключается в том, чтобы сделать жидкими все три составных части аккумулятора - оба электрода и электролит. Их отделение друг от друга (стратификация) происходит просто за счёт разницы плотностей жидкостей, как в известном коктейле «кровавая Мэри». Но, в отличие от коктейля, здесь вся система работает при температуре около 700 °C. В качестве отрицательного электрода в прототипе ЖМА используется жидкий магний, положительного - жидкая сурьма, а электролита - расплав солей MgCl2, KCl и NaCl. Всё это вместе помещается в изолирующий стакан из нитрида бора. Как вы понимаете, поверхности жидких электродов не подвержены химической коррозии, которая постепенно разрушает электроды традиционных аккумуляторов. Не приходится опасаться и нарастания на электродах изолирующей корки.
От дорогого - к дешёвому
В ранних исследованиях по созданию ЖМА в положительном электроде использовали очень дорогие металлоиды - висмут и теллур. Построенные на такой основе прототипы продемонстрировали впечатляющие значения плотности мощности, но их экономические характеристики оставляли желать лучшего. Главное отличие магниево-сурьмяного ЖМА - использование катода из гораздо шире распространённой в природе и, соответственно, значительно более дешёвой сурьмы. Магний в качестве анода был выбран, исходя из его распространённости, невысокой цены, низкой электроотрицательности и подходящего диапазона температур, в котором он находится в жидком состоянии, по отношению к таковым для сурьмы и смеси солей, используемой в качестве электролита. Смесь хлоридов калия, натрия и магния имеет достаточно низкую температуру плавления (360 °C), а KCl и NaCl обладают более высокой электрохимической стабильностью, чем MgCl2.
При разряде аккумулятора атом магния отдаёт два электрона, а получившийся положительно заряженный ион проходит через электролит, получает два электрона от сурьмы и, смешиваясь с ней, формирует сплав Mg-Sb. Свободные электроны создают электрический ток. При зарядке аккумулятора, например, от ветрового или солнечного генератора, магний отрывается от сурьмы и возвращается наверх, восстанавливая исходное состояние батареи. При прохождении тока через электроды и электролит выделяется достаточно тепла для создания высокой температуры, необходимой для их поддержания в жидком состоянии.
На пути к идее
Возвращаясь к самому началу исследований, отметим, что в поисках решения задачи накопления электричества Дональд Садовый обратился к технологиям, никак не связанным с ней. Даже наоборот. Его внимание привлекло производство алюминия, потребляющее электроэнергию в огромных количествах. Цех электролиза современного алюминиевого завода, где используется процесс Холла-Эру, - это помещение размерами 15 на 800 м. В нём находятся ряды электролизных ванн, очень похожих на привычную аккумуляторную батарею (АКБ), но с тремя серьёзными отличиями. АКБ работает при комнатной температуре, внутри у неё твердые электроды, а электролитом служит солевой, кислотный или щелочной раствор. Электролизёр же алюминиевого завода работает при столь высоких температурах, что полученный алюминий остаётся жидким. Электролитом служит расплавленная соль. Этим способом получают чистый металл из руды по цене чуть больше полутора долларов за килограмм, что можно считать экономическим чудом современной электрометаллургии. По словам Д. Садового, это и привлекло его внимание: «Меня захватила идея создания аккумуляторной батареи, которую легко масштабировать для промышленных целей. И у меня получилось. Я создал полностью жидкую батарею: оба электрода из жидких металлов и расплавленная соль в качестве электролита. Сверху я поместил жидкий металл низкой плотности, снизу - жидкий металл высокой плотности, а между ними - расплавленную соль. Я хорошо помню тот момент, когда в поисках пары металлов, которые бы отвечали заданным параметрам - природное изобилие, различная плотность и высокая взаимная реактивность, - я вдруг понял, что нашёл решение проблемы. Магний - для верхнего слоя. И сурьма - для нижнего».
В обоснование выбора металлов Дональд Садовый говорит: «Давайте не будем искать самое прогрессивное химическое соединение, чтобы потом мучиться проблемой снижения себестоимости нашей продукции. Давайте лучше подстроим стоимость эксплуатации нашего изобретения к ценам на рынке электроэнергии. В таком случае редкие элементы периодической таблицы Менделеева мы не можем использовать по определению. Наш аккумулятор должен состоять из элементов, которых много в природе. Если хочешь, чтобы дешевле было только даром, сделай это из дарового сырья. Лучше, если оно будет доступно тут же, по соседству. Нам нужно, чтобы эту штуку можно было выпускать с помощью простых технологий на производстве, которое не влетит в копеечку».
Больше ёмкость
Чтобы превратить теоретические и лабораторные наработки в действующий образец, Дональду Садовому потребовалось собрать команду. Вместо того чтобы привлекать опытных специалистов, он заинтересовал проблемой своего аспиранта Дэвида Брэдуэлла, обучил его, объяснил, как подойти и с какой стороны смотреть на проблему, а потом предоставил ему работать самостоятельно. Постепенно группа выросла до двух десятков человек. Сейчас в штате компании Ambri около 40 сотрудников.
компании Ambri
Первый элемент, изготовленный в лаборатории Д. Садового, имел диаметр 2 см и ёмкость 1 Вт●ч. Затем закипела работа над его совершенствованием, в первую очередь - увеличением стабильности и ёмкости. Технология показала себя надёжной и масштабируемой. Ячейка выдерживает внутреннее замыкание жидких электродов, не взрывается и не испускает газы. Вместо магния и сурьмы сегодня компания применяет другие вещества (какие именно - не раскрывает), которые позволили увеличить напряжение и ёмкость отдельных элементов. На опытном производственном участке Ambri уже выпускаются квадратные элементы размерами 10х10х5 см и ёмкостью около 50 Вт●ч. В дальнейшем намечается увеличить размеры элемента до 20х20х10 см, а ёмкость - до 200 Вт●ч. Такие элементы можно собирать в модули, а модули - в один большой аккумулятор, занимающий стандартный 12-метровый контейнер, который удобно перевозить на место установки и вводить в эксплуатацию. В компании надеются довести ёмкость контейнерного аккумулятора до 2 МВт●ч. Пока же опытный образец имеет ёмкость 20 кВт●ч, а в начале 2015 г. предполагается выпустить модуль на 35 кВт●ч. Заметим, что аккумулятор совершенно бесшумен, не загрязняет атмосферу, не содержит подвижных частей, управляется на расстоянии.
Одна из важнейших отличительных черт технологии ЖМА - её эффективность с точки зрения отдачи от капиталовложений в производство. По расчётам Ambri, завод, выпускающий ЖМА, потребует от четверти до десятой доли капиталовложений по сравнению с производствами аккумуляторов других типов. Активные компоненты жидкометаллических элементов размещаются в стальных корпусах, при этом допуски при изготовлении деталей измеряются не микронами, а миллиметрами. Элементы объединяются в модули с помощью стальных шкафов и других несложных конструктивных компонентов. Таким образом, для работы на заводе Ambri потребуются специалисты по изготовлению и сборке стальных конструкций, каких на рынке труда хватает.
Заводы по производству ЖМА можно будет открывать без чрезмерных капитальных затрат практически во всех регионах мира. По некоторым оценкам, удельная стоимость хранения электроэнергии для таких аккумуляторов должна к 2020 г. составить от трети до четверти соответствующего показателя ионно-литиевых и достичь 100 долл./кВт●ч.
Читайте другие наши материалы
