Резерв на будущее
Как развиваются технологии хранения энергии
Только произвести энергию недостаточно, ее запасы еще нужно где-то хранить. Ученые стремятся создать все более совершенные аккумуляторы и за последние годы придумали немало интересных разработок. «РБК Тренды» ознакомились с некоторыми из них.
Рынок сохранения энергии активно растет и продолжит развиваться в ближайшие годы. Это подтверждают данные экономического агентства BloombergNEF (BNEF): мировой рынок накопления энергии вырос почти втрое в 2023 году, а к 2030 году будет расти ежегодными темпами в 21%.
Без эффективных решений для хранения энергии невозможно представить развитие технологий, на которые сегодня возлагаются большие надежды, — от электромобилей до систем искусственного интеллекта и космических исследований.
Последние 30 лет весь мир пользуется литий-ионными аккумуляторами. И хотя они по-прежнему остаются лидерами рынка, у этой технологии достаточно минусов, которые вынуждают ученых искать альтернативу: высокая пожароопасность, чувствительность к температурам, довольно высокая скорость саморазряда (потеря 3–5% заряда в месяц).
Главная задача ученых сейчас — создавать аккумуляторы, которые смогут хранить больше энергии, работать дольше, будут более дешевыми в производстве и, как следствие, более доступными. Еще один важный запрос общества, с оглядкой на который ведутся все научные разработки, — это запрос на зеленую и возобновляемую энергию.
Громкие эксперименты в отрасли
Альтернативные батареи и никакого лития
Последние годы отмечены резким ростом интереса к альтернативным типам батарей на рынке хранения энергии, что делает их перспективными кандидатами на роль ключевых решений для устойчивой энергетики. Среди наиболее обсуждаемых технологий — натриево-ионные (Sodiumion), калий-натриевые (K-Na/S) и твердотельные батареи, каждая из которых обещает преодолеть проблемы традиционных литий-ионных систем по производительности и экологичности.
Натриево-ионные батареи — одна из наиболее перспективных альтернатив литий-ионным аккумуляторам. Благодаря замене дорогостоящего лития на более доступный и дешевый натрий эти батареи могут значительно сократить производственные затраты, сохраняя высокую эффективность.
В последние годы исследования существенно продвинулись в вопросах повышения долговечности и стабильности таких батарей. Важным достижением стало использование новых материалов для анода и катода.
Анод и катод — это два электрода, между которыми происходит обмен ионами натрия во время зарядки и разрядки. Анодные материалы накапливают заряженные частицы (ионы натрия) во время зарядки, а катодные материалы высвобождают их, обеспечивая движение тока.
Разработка новых анодных и катодных материалов позволяет повысить плотность энергии, то есть количество энергии, которое батарея может удерживать при своем весе или объеме, а также продлить срок службы натриево-ионных батарей, делая их более привлекательными для массового применения.
Даже компании, ранее производившие преимущественно литий-ионные батареи, начинают осваивать технологию натриево-ионных аккумуляторов. Одна из таких компаний — Northvolt. Первое поколение натриево-ионных элементов Northvolt предназначено в первую очередь для хранения энергии, а последующие поколения, обеспечивающие более высокую плотность энергии, открывают возможности для создания экономически эффективных решений в области электромобилей.
Калий-натриевые батареи (K-Na/S) — еще одна инновационная концепция, сочетающая в себе преимущества натрия и калия. Калий, имея более высокую подвижность по сравнению с ионами лития, способствует более быстрой и эффективной передаче заряда, что позволяет повысить плотность энергии. Это делает такие батареи мощным и экономически выгодным решением.
K-Na/S-системы могут не только конкурировать с традиционными литий-ионными батареями, но и превосходить их по ряду показателей. Например, калий-натриевые батареи обладают более высокой температурной стабильностью и долговечностью. Кроме того, благодаря широкой доступности и низкой стоимости калия и натрия они потенциально более устойчивы с точки зрения экологичности. Нужно принять в расчет и то, что запасы лития ограничены. K-Na/S-системы могут значительно снизить зависимость от редких и дорогостоящих материалов, что делает их перспективным решением для устойчивой энергетики.
Например, активной разработкой калий-натриевых батарей занимаются инженеры Колумбийского университета (США). В 2024 году они опубликовали статью о своей разработке — новом электролите.
Обычно калий-натриевые батареи требуют высоких температур для работы, что делает их дорогими и сложными в эксплуатации. Однако новый электролит позволяет таким батареям работать при температуре около 75 °C — это намного ниже, чем в предыдущих разработках. Кроме того, электролит помогает растворять твердые соединения, которые обычно образуются при разряде батареи и снижают ее эффективность. Благодаря этому батареи с новым электролитом могут достигать почти максимальной теоретической емкости и иметь более долгий срок службы.
Исследование ученых Колумбийского университета может стать шагом вперед в создании доступных и эффективных альтернатив литий-ионным батареям.
Твердотельные батареи также считаются одной из самых перспективных разработок в области энергосистем. Их ключевым отличием является замена жидкого электролита твердым, что значительно повышает безопасность и плотность энергии. Такие разработки ведутся в Центре исследований и инноваций в области аккумуляторов австралийского Университета Дикина — там проводят эксперименты с твердотельными батареями, которые обещают повысить безопасность и эффективность аккумуляторов для электромобилей.
Текущие испытания направлены на оптимизацию производственного процесса и оценку жизнеспособности таких батарей для массового производства. Одни из последних опытных образцов лаборатории напоминают тонкие гибкие пакеты серебристого цвета. Они не имеют жесткого корпуса и выглядят как небольшие аккуратные пакеты с металлическими контактами на одном конце. Такой внешний вид снижает вес батарей и делает их перспективными для использования в различных компактных устройствах.
Кроме того, твердотельные батареи могут быть адаптированы для работы с различными химическими составами, включая Na-Ion и K-Na/S, что открывает возможности для создания еще более совершенных типов аккумуляторов.
Биобатареи и энергичная работа бактерий
Биобатареи — это инновационное направление в энергетике, где для производства электричества используются микроорганизмы и биологические материалы, такие как микробы или растительные экстракты. Эти батареи функционируют на основе микробных топливных элементов, в которых бактерии перерабатывают углеродсодержащие соединения, выделяя электроны, которые затем могут быть использованы для создания электрического тока.
Принцип работы биобатарей связан с метаболизмом бактерий. Когда микроорганизмы расщепляют органические вещества, образуются электроны и протоны. Протоны перемещаются через специальный солевой мост от анода к катоду, электроны проходят через внешнюю цепь, генерируя электричество. Этот процесс позволяет биобатареям использовать отходы, такие как пищевая или сельскохозяйственная биомасса, для выработки энергии, одновременно способствуя утилизации этих отходов.
Биобатареи обладают экологическими преимуществами: они не содержат токсичных компонентов, легко утилизируются и биоразлагаемы. Например, прототип биобатареи, созданный исследователями из Бингемтонского университета (США), представляет собой устройство размером 30×30×3,2 мм, способное работать несколько недель. Это устройство может быть легко интегрировано в различные системы, где нужны автономные и безопасные источники питания, и подходит для одноразового использования в таких областях, как мониторинг окружающей среды.
Эти батареи можно комбинировать для получения большей мощности. Например, 24 биобатареи, соединенные последовательно и параллельно, успешно запитали Bluetooth-термометр, передающий данные на расстояние до 10 м. Хотя биобатареи уступают литиевым по мощности, они имеют значительное преимущество в безопасности для экосистемы: после использования такие устройства можно обработать этанолом для разложения большинства материалов, что делает их особенно полезными для одноразовых устройств и экологически чистых применений.
Тепловые аккумуляторы
В 2024 году Массачусетский технологический институт (MIT) включил тепловые аккумуляторы в список прорывных технологий, которые могут существенно повлиять на будущее.
Хотя технология тепловых аккумуляторов существует уже давно, сейчас она приобрела особую актуальность в связи с трендом на декарбонизацию промышленности — сокращение выбросов углекислого газа и других парниковых газов для снижения климатического воздействия. Для этого индустриальный сектор переходит на возобновляемые источники энергии, модернизирует оборудование для повышения энергоэффективности и использует альтернативные технологии хранения энергии, в том числе тепловые аккумуляторы.
Тепловой аккумулятор работает по следующей схеме. Электричество, генерируемое от возобновляемых источников такими устройствами, как солнечные панели и ветровые турбины, поступает в систему и используется для нагрева специальных накопительных материалов — особых кирпичей. Тысячи тонн такого кирпича нагреваются непосредственно за счет этого теплового излучения и сохраняют энергию в течение нескольких часов или дней с очень низкими потерями (менее 1% в день). Когда тепло требуется потребителю, оно передается через теплообменники, преобразуется в пар или подается в виде тепла, что позволяет использовать энергию по запросу.
Хотя тепловые аккумуляторы и не совсем то, о чем обычно думают, когда речь заходит о батареях, эта технология заслуживает внимания в контексте хранения энергии. Она позволяет эффективно аккумулировать избыточную энергию, полученную от возобновляемых источников, и использовать ее по запросу, что особенно важно для промышленности в условиях декарбонизации. Тепловые аккумуляторы — это перспективное направление, которое может сыграть значительную роль в переходе на экологичные и устойчивые технологии хранения энергии.
Перспективы рынка аккумуляторов
Рост интереса к технологиям хранения энергии создает благоприятные условия для динамичного развития рынка аккумуляторов. По данным исследовательского агентства Statista, объем рынка вырастет более чем в четыре раза между 2021 и 2030 годами — с $112 млрд до почти $424 млрд.
Основной вклад в этот рост будет вносить сегмент литий-ионных аккумуляторов, так как они остаются доминирующими в таких сферах, как электромобили, электроника и промышленные системы хранения энергии. Тем не менее интерес к альтернативным технологиям также увеличивается, особенно в контексте применения для крупномасштабного хранения энергии от возобновляемых источников.
Так что в ближайшие годы ученым и исследователям будет чем заняться в этой сфере: инновации и усиление спроса на экологически чистые и энергоэффективные решения создают устойчивые перспективы для развития рынка хранения энергии. Это, в свою очередь, способствует переходу к низкоуглеродной экономике и расширению применения возобновляемых источников.