Американские ученые разработали систему для хранения энергии в национальной энергетической сети

После Конференции оон по устойчивому развитию РИО+20 многие промышленно развитые страны стали уделять особое внимание экологически устойчивому развитию, одной из главных составляющих которого является эффективное использование возобновляемых источников энергии, то есть способность хранить энергию и расходовать ее по необходимости.

Группа исследователей из университета имени Э.Дрекселя взялась за решение этой задачи и разработала новый метод быстрого и эффективного аккумулирования больших объемов энергии.

Проблема хранения возобновляемой энергии

Проблема хранения электроэнергии является основным препятствием на пути к более широкому использованию возобновляемых источников – в частности, солнечных и ветряных. Поскольку эти источники отличаются сравнительной нестабильностью, необходимость хранения производимой ими электроэнергии является ключевым фактором в повышении их устойчивости и надежности.

Существующая электроэнергетическая система США используется преимущественно для распределения энергоресурсов и обладает недостаточными возможностями накопления избыточной энергии и ее быстрой передачи.

Группа исследователей из университета Дрекселя планирует интегрировать в общенациональную сеть электрохимическую систему хранения, в основе которой лежит принцип работы жидких кислотных возобновляемых батарей и конденсаторов большой мощности.

Существующие технологии

Батареи хранят большие объемы энергии, но высвобождают ее довольно медленно и имеют ограниченный срок службы по сравнению со своими «конкурентами» - электрохимическими конденсаторами, которые чаще называют «суперконденсаторами» или «ультраконденсаторами».

Традиционные суперконденсаторы обеспечивают высокую выходную мощность при минимальном уменьшении производительности на протяжении миллиона циклов зарядки-разрядки. Конденсатор может быстро накапливать и высвобождать энергию, но лишь в небольших количествах по сравнению с батареями.

Трудность использования аккумуляторов или суперконденсаторов в государственной сети заключается в том, что объемы хранимой энергии напрямую зависят от размера используемой батареи или конденсатора.

Ультраконденсаторы, как и ионно-литиевые батареи, производятся сравнительно малых размеров – от монеты до банки содовой. Чтобы сконструировать аккумулятор или суперконденсатор, размер которого подходит для использования в общенациональной энергосистеме, понадобится большое количество дорогих комплектующих – таких, как металлические токоприемники и полимерные разделители.

«Использование тысяч стандартных небольших устройств для создания крупномасштабной стационарной системы хранения требует слишком больших финансовых затрат, - отмечает Юрий Гогоци, директор Института нанотехнологий при университете Дрекселя и ведущий ученый проекта. – Система жидких электрохимических конденсаторов, мощность которых зависит лишь от размера резервуара, является рентабельной и масштабируемой».

Решение проблемы хранения энергии в национальной сети

В ходе испытаний ученые разработали технологию, которая использует сильные стороны аккумуляторов и суперконденсаторов и при этом решает проблему масштабируемости. Электрохимический потоковый конденсатор состоит из электрохимической ячейки, соединенной с двумя внешними резервуарами электролита. Другими словами, дизайн нового устройства напоминает конструкцию возобновляемых жидких кислотных батарей, используемых в электромобилях.

Эта технология уникальна, поскольку ее основу составляет взвесь частиц углерода в жидкости электролита, которая образует суспензию, способную переносить электрический заряд.

Незаряженная суспензия прокачивается через проточную ячейку, где энергия передается углеродным частицам.  Заряженная суспензия может храниться в резервуарах вплоть до момента, когда возникнет необходимость в энергии – тогда весь процесс происходит в обратном направлении.

Главное достоинство электрохимических потоковых конденсаторов заключается в том, что их конструкция позволяет хранить большие объемы энергии и использовать их в промышленных масштабах, но при этом делает возможным быстрое распределение электричества в моменты пикового потребления.

«Используя суспензию из углеродных частиц в качестве активного материала суперконденсаторов, мы можем воспроизвести системную архитектуру возобновляемых жидких кислотных батарей и таким образом решить проблему стоимости и масштабируемости», - заявляет Гогоци.

В системах жидких батарей, как и в потоковых электрохимических конденсаторах, энергоемкость определяется размерами резервуаров, в которых хранится заряженный материал. Если требуется большая емкость, резервуар может быть просто увеличен. Кроме того, выходная мощность системы регулируется размерами электрохимической ячейки, то есть большие ячейки производят больше энергии.

«Конструкция возобновляемых жидких кислотных батарей отлично подходит для использования в национальной сети, поскольку позволяет  выбирать подходящий размер резервуаров, - объясняет доктор Е.С. Кумбур, директор Лаборатории электрохимических энергетических систем при университете Дрекселя. – Низкая скорость реакции также является распространенной проблемой для систем хранения энергии. Использование свойства быстрой зарядки и разрядки суперконденсаторов в устройствах с такой структурой является значительным шагом на пути к эффективному хранению энергии, получаемой из возобновляемых источников, и ее быстрому распределению в случае необходимости».

Кроме того, такой дизайн обеспечивает сравнительно долгий срок эксплуатации по сравнению с используемыми сейчас возобновляемыми жидкими кислотными батареями. По заявлению ученых, электрохимический потоковый конденсатор может функционировать с высокой мощностью в течение ста тысяч циклов зарядки-разрядки.

«Эта технология позволяет решить проблемы высокой стоимости и недолговечности электрохимических устройств для хранения энергии, которые мы используем сейчас», - заявляет доктор Кумбур.

«Мы считаем, что данная технология будет иметь большое значение для сектора альтернативной энергетики, - утверждает доктор Фолкер Прессер, который был старшим преподавателем на факультете материаловедения и машиностроения на момент начала исследовательских работ. – Более того, она может повысить производительность существующих источников энергии и обеспечить стабильность электроэнергетической системы».

Концепция инновационной технологии была недавно опубликована в специальном выпуске журнала «AdvancedEnergyMaterials», посвященного аккумуляторам нового поколения. В данный момент ученые продолжают разрабатывать новые составы суспензии на основе различных углеродных наноматериалов и электролитов, а также оптимизировать конструкцию потоковых электрохимических конденсаторов.Исследователи также  конструируют опытный образец, чтобы продемонстрировать принцип работы новой системы. 

«Будучи схожим с традиционной ячейкой суперконденсатора, электрохимический  потоковый конденсатор продемонстрировал весьма многообещающую производительность, - отмечает профессор Гогоци. – Однако нам предстоит существенно увеличить удельную энергию на единицу объема суспензии при помощи недорогих углеродных или соляных растворов, чтобы технология была рентабельной».

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/Drexel_Engineers_Develop_New_Technology_for_Grid_Level_Electrical_Energy_Storage_999.html