Побеждая капризы погоды: какими бывают накопители энергии?

Лидерство среди систем накопления энергии пока уверенно держат литий-ионные аккумуляторы. Попросту говоря, батарейки, которые есть в бытовых приборах, смартфонах и электрокарах. Для того, чтобы запасать энергию в промышленных объемах, используется та же технология, но сами батареи гораздо больше и мощнее.

В таком аккумуляторе есть два твердых электрода и раствор электролита. Работает это так: ионы лития перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду во время разряда и по обратному маршруту при зарядке. На положительном электроде применяется литий, на отрицательном — в основном графит.

В последнее время разработки ученых все активнее теснят привычные нам литий-ионные аккумуляторы. Активно используются другие материалы, которые позволяют повысить емкость батареи. Другими словами, делают так, чтобы техника или транспорт на одном заряде могли прослужить в разы дольше.

Настоящую революцию произвел открытый в 2004 году графен. Он состоит из атомов углерода, образующих двумерную кристаллическую решетку, и считается «чудо-материалом» благодаря своим свойствам. Во-первых, он отлично проводит тепло и электричество, во-вторых, он в 100 раз прочнее стали, в-третьих, графен очень легкий. Еще один плюс такого устройства заключается в том, что оно не взрывоопасно. Наконец, они обладают большей мощностью и служат куда дольше, чем литий-ионные аналоги.

В обычной батарее катод, то есть положительный электрод, состоит из твердотельных материалов, в то время как в графеновой батарее катод сделан из гибридного компонента, который содержит графен и твердотельный металл.

Наряду с графеновыми батареями ученые активно экспериментируют с металл-воздушными, литий-металлическими, литий-серными и другими устройствами.

Кроме емкости, разработчики при создании батареи нового поколения гонятся за ее «возобновляемостью». Австрийские ученые изобрели кислородно-ионную батарею, которая обладает существенными плюсами по сравнению с литий-ионными «братьями».

Самое главное преимущество кислородно-ионного аккумулятора — возможность регенерации. Если из-за побочных реакций кислород не поступает, это исправит кислород, который содержится в окружающем воздухе. И пусть устройство пока не может похвастаться такой же высокой плотностью энергии, зато его долговечность выше. Еще один неоспоримый плюс — для изготовления такой батареи не требуются редкоземельные металлы, кобальт и никель, запас которых на Земле исчерпаем. Кроме того, новая батарея не воспламеняется, в отличие от литий-ионных, которые имеют опасность возгорания.

Новый аккумулятор сделан из керамических материалов. Они абсорбируют и выделяют в два раза больше отрицательно заряженных ионов кислорода. Под действием напряжения те двигаются от одного керамического материала к другому, а потом возвращаются. Так создается электрический ток.

Успешный эксперимент по встраиванию такого аккумулятора в систему энергопотребления прошел в Финляндии. В городе Канкаанпяа на электростанции Ватаянкоски компания Polar Night Energy установила песочный аккумулятор, который хранит «лишнюю» зеленую энергию, в том числе тепло.

Выглядит он как бункер, в котором хранится около сотни тонн строительного песка. Электроэнергия, выработанную солнечными панелями и ветрогенераторами, поступает на хранение в песочную батарею и разогревает песок до 500 °С. Тот нагревает воздух, который с помощью теплообменника циркулирует внутри, и затем нагревает воду, поступающую по трубам в помещение. Главный же плюс песка в том, что он долго остывает, а значит, может длительное время хранить тепло. По словам ученых — до нескольких месяцев. Экологично, дешево и безопасно.