Атомные батарейки и зарядка по Wi-Fi: будущее рынка сохранения энергии
Согласно отчету Verified Market Research, мировой рынок аккумуляторов по итогам 2019 года оценивался в $36,35 млрд. К 2027 году он может вырасти до $116 млрд. При этом объем российского сегмента рынка систем накопления энергии к 2025 году может составить $1,5-3 млрд в год. Минэнерго в своей концепции 2017 года заявляло о $8 млрд к 2025 году.
Наиболее популярными хранилищами энергии остаются литий-ионные аккумуляторы. Однако компании и исследователи находятся в поиске новых решений, которые станут более энергоемкими, дешевыми и экологичными.
Электротранспорт и бытовая техника
Продвинутый Li-Ion
В 2019 году Tesla объявила о разработке батарей, способных выдержать 1 млн миль (свыше 1,6 млн км) пути без необходимости замены. Текущие аккумуляторы нужно менять после 300 — 500 тыс. миль проделанного пути.
Речь идет о литий-ионных батареях с катодом следующего поколения и новым электролитом. Даже при температуре в 40 °C они выдерживают 4 000 циклов заряда-разряда, а с активной системой охлаждения аккумуляторы смогут выдерживать до 6 000 циклов. Пока вышли первые протестированные образцы.
Графит
В 2020 году Mercedes-Benz объявил о планах по созданию органического аккумулятора. Основой технологии станет графит с электролитом на водяном растворе. Это позволит исключить использование тяжелых и токсичных металлов, а утилизировать батареи можно будет путем компостирования. Однако в Mercedes отмечают, что начало массового производства таких аккумуляторов начнется не раньше, чем через 15 лет.
Углеродные волокна
В 2021 году группа ученых из технологического университета Чалмерса в Швеции представила аккумулятор для автомобиля из углеродного волокна. Ученым удалось добиться номинального напряжения 2,8 В, а батареи имели удельную емкость 8,55 А·ч/кг, плотность энергии 23,6 Вт·ч/кг (при 0,05 °C), удельную мощность 9,56 Вт/кг (при 3 °C) и толщину 0,27 мм. Это примерно 4 680 ячеек, которые Tesla помещает в электрокары, чтобы иметь плотность энергии 380 Вт·ч/кг.
В будущем такие аккумуляторы из композитных материалов можно будет использовать как в автомобилях, так и в самолетах, чтобы сделать их легче и экологичнее. Пока ведутся испытания прототипов разных форм-факторов.
Без кобальта
В конце 2019 года IBM представила образец аккумулятора без никеля и кобальта, из материалов, которые могут быть получены из морской воды. Он включает комбинацию катодного материала без тяжелых металлов и безопасного жидкого электролита с высокой температурой горения. Специалисты уже подсчитали, что эти материалы могут сделать аккумуляторы дешевле существующих литий-ионных и при этом будут иметь более высокие характеристики скорости зарядки и энергетической плотности, а также будут менее огнеопасными.
Авторы разработки считают, что у нее есть потенциал для внедрения в отрасль электромобилей. Для достижения заряда на уровне 80% батарее требуется менее пяти минут, она имеет энергоэффективность более 90%, а ее мощность превышает 10 000 Вт/л, что больше показателей самых мощных литий-ионных батарей. Кроме того, тесты показали, что батарея способна прослужить достаточно долго, чтобы ее можно было использовать в интеллектуальных электросетях и новой энергетической инфраструктуре.
Для будущего производства аккумуляторов IBM уже заключила коммерческое соглашение с Mercedes-Benz, поставщиком электролита Central Glass и производителем батарей Sidus.
Полимеры
В 2017 году стартап Ionic Materials презентовал полимерный аккумулятор, который в перспективе сможет заменить литий-ионные. Компания заявила, что полимерные литий-металлические аккумуляторы будут безопаснее, долговечнее и экономически выгоднее, так как процесс их производства похож на производство пластиковой упаковки.
Разработка имеет высокое относительно литий-ионных аккумуляторов напряжение (5 В). Прототип, как заявляет производитель, выдерживает до 400 циклов заряда-разряда. Компания работает над тем, чтобы увеличить этот показатель втрое.
Полимер для аккумуляторов получили из алюминия и других распространенных материалов.
На цинке
EnZinc, стартап по производству цинковых батарей, заявил в 2021 году, что нашел способ для замены лития на нетоксичный и дешевый цинк в аккумуляторах. До этого на рынке существовали только неперезаряжаемые цинковые батареи.
Уже появились первые цинковые батареи, которые можно быстро заряжать и разряжать, и которые имеют высокую емкость, 460 Вт·ч/кг (по сравнению со 120 Вт·ч/кг для больших литиевых аккумуляторов). Они выдерживают несколько тысяч циклов зарядки и разрядки. Ведутся испытания образцов.
Такие батареи могут стоить $100 за кВт·ч, что вдвое дешевле самых простых литий-ионных версий. Их можно будет масштабировать для мобильных телефонов и до транспортных систем, а также для нужд электроэнергетики.
«Вечная атомная батарейка»
В 2020 году американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая потенциально может проработать тысячи лет. Разработка имеет специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный центр, работающий на переработанных ядерных отходах углерода-14. Бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток.
Испытания батарейки показали, что радиационный фон остается в норме, а сама она не выделяет углекислый газ. При этом ее стержень «фонит» до 28 тыс. лет, и именно столько может работать батарейка.
Nano Diamond Battery уже предложила разные форм-факторы, в том числе широко распространенные АА, AAA, 18650, CR2032 и другие.
Пока разработку будут тестировать предприятия, которые производят, обслуживают и утилизируют продукты ядерного топлива, а также компании аэрокосмической, оборонной и охранной продукции.
Над похожей батарейкой работали и специалисты из НИТУ «МИСиС». Их конструкция работает на никелевом бета-гальваническом элементе, который служит около 20 лет.
Кроме того, в МИСиС разработали термохимические ячейки, которые превращают тепло в электрическую энергию. Эти элементы можно размещать на одежде и использовать их энергию для зарядки мобильных устройств.
Альтернативная энергетика
Солнечная энергия
В мае 2012 года международная группа ученых разработала новые ультратонкие металлические электроды на золоте, которые позволят создавать прозрачные солнечные панели. Эти панели можно будет устанавливать в окнах домов и офисов. Они будут аккумулировать энергию солнечного света в течение дня.
А в 2020 году Tesla презентовала собственный инвертор солнечной энергии, который дополнит линейку домашних солнечных батарей компании. Он будет преобразовывать солнечную энергию в энергию постоянного тока, а затем — в энергию переменного тока для бытового потребления. Устройство сможет работать при температурах от минус 30 °C до 45 °C. В зависимости от числа трекеров точки максимальной мощности, оно сможет выдавать от 3,8 кВт до 7,6 кВт мощности.
Геотермальная энергия
Американский стартап UC Won в 2020 году предложил концепцию геотермального накопителя GeoTES (Geological Thermal Energy Storage) для круглосуточного использования солнечной энергии. Система объединит солнечные тепловые коллекторы с параболическими зеркалами (фокусируют лучи в одной точке), подземное хранилище тепла в осадочных породах (образуются при низких температурах и давлении) и электрогенерирующее оборудование на пару в виде трубок и турбины. При нагревании солнцем вода в трубках будет испаряться, а пар будет входить в турбину и одновременно закачиваться под землю, разогревая осадочную породу. Ночью вода под землей будет испаряться уже под воздействием разогретой породы. Получаемый пар используют для выработки электроэнергии.
Криосистемы
Стартап из Великобритании Highview Power начал работы в Манчестере по строительству комплекса CRYOBattery мощностью 50 МВт и емкостью 250 МВт·ч. Система CRYOBattery будет захватывать воздух из атмосферы в специальную емкость и сжимать его при сверхнизких температурах (минус 196 °C), чтобы превратить в жидкость. Эту жидкость поместят в баки с теплоизоляцией и низким давлением. Нагревание вернет воздух в газообразное состояние, а газ приведет в действие турбины генераторов, которые будут вырабатывать электричество.
В мае 2021 года международная группа ученых представила новые ультратонкие металлические электроды из золота, которые можно будет применять для разработки прозрачных солнечных панелей. Потенциально такие панели можно будет встраивать в окна домов и офисов, чтобы аккумулировать энергию.
Гравитация и другие необычные решения
Шотландский стартап Gravitricity в 2021 году объявил о начале пилотного проекта гравитационного накопителя энергии в Эдинбурге, крупнейшем закрытом глубоководном порту.
Будущие системы Gravitricity будут устанавливаться над 150-1500-метровыми заброшенными шахтами. Масса грузов при этом может варьироваться от 500 т до 5 тыс. т. При спуске груза будет происходить выработка электроэнергии. Она будет возвращаться в сеть в моменты пикового потребления. Приводом лебедки груза будет служить электрическая машина, способная поглощать или вырабатывать электрическую энергию при подъеме или опускании груза. Такая система позволит обеспечить 4 МВт мощности и может проработать 50 лет без потери производительности. Gravitricity собирается внедрять свою технологию в вышедших из эксплуатации шахтах по всему миру.
А ученые Массачусетского технологического института разработали батарею, которая будет питаться углекислым газом из любого источника. Она может поглощать потоки как из выхлопной трубы автомобиля, так и собирать углекислый газ из атмосферы.
Батарея состоит из ряда последовательных камер, в которых находятся электрохимические ячейки, пропускающие поток. Когда она заряжается, на поверхности электродов протекает электрохимическая реакция, а затем батарее требуется разрядка для очистки электродов. Чистый газ при этом откачивается в отдельную камеру.
Cистема может выдерживать не менее 7 тыс. циклов зарядки-разрядки с 30% потерей эффективности за это время. В будущем этот показатель может вырасти до 20–50 тыс. циклов.
Демонстрация работы батареи на углекислом газе
Между тем исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала технологию, которая с помощью крошечных интеллектуальных устройств позволит преобразовывать беспроводные радиочастоты в энергию. Таким образом, в будущем микроэлектронику можно будет запитывать с помощью сигналов Wi-Fi.