Алюминий имеет плотность энергии более чем в 50 раз выше, чем ион лития, если рассматривать его как носитель энергии в батарее с окислительно-восстановительным циклом. Швейцарские ученые разрабатывают эту технологию в качестве источника возобновляемой энергии для европейской зимы.
Проблема достаточно проста: по мере того, как страны во всем мире планируют свои шаги в направлении энергии с нулевым уровнем выбросов, им необходимо иметь дело с прерывистым характером дешевой возобновляемой энергии. Ежедневно солнечная энергия собирает большую часть своей энергии в середине дня, и это требует какого-то решения для краткосрочного хранения, которое может накапливать эту энергию в той или иной форме батареи, а затем снова высвобождать ее вечером, когда все получают дома и запускает телевизоры и посудомоечные машины. Такие крупные аккумуляторные батареи уже установлены во многих областях и доказывают свою ценность.
Но прерывистость — гораздо более серьезная проблема на сезонном уровне. Чем дальше вы уходите от экватора, тем меньше солнца вы получаете в зимние месяцы. Части Скандинавии, как известно, не получают солнца в течение нескольких месяцев подряд, Миру с нулевым выбросом углерода нужен способ хранить абсолютно огромное количество избыточной возобновляемой энергии, вырабатываемой в теплые месяцы, а затем высвобождать ее в течение долгих зим. И это должно быть доступно, иначе этого не произойдет.
Солнечное излучение, падающее на землю в четырех разных швейцарских городах, по месяцам и годам, демонстрирует, насколько велики сезонные колебания в обезуглероженном будущем.
Институт солнечных технологий SPF
Исследователи из швейцарского Института солнечных технологий SPF уже много лет изучают окислительно-восстановительные циклы алюминия, и при финансовой поддержке европейской программы Horizon Europe и правительства Швейцарии они только что начали исследовательский проект под названием Reveal, в котором участвуют девять различных партнеров. из семи европейских стран, чтобы разработать то, что выглядит очень многообещающей идеей.
Как говорится в отчете группы SPF за 2020 год , один блок алюминия объемом один кубический метр (35,3 кубических фута) может химически хранить значительное количество энергии — около 23,5 мегаватт-часов, что более чем в 50 раз больше, чем хорошая литий-ионная установка. Это количество энергии может питать средний дом в США в течение 2,2 лет, по данным на 2020 год . Это по объему — по весу алюминий содержит удельную энергию 8,7 кВтч на килограмм, или примерно в 33 раза больше, чем батареи, которые Tesla использует в своей Model 3.
Однако работать с такими большими толстыми блоками не совсем практично, поэтому команда Reveal предлагает вместо этого использовать алюминиевые шарики диаметром 1 мм (0,04 дюйма). Естественно, здесь вы теряете некоторую объемную плотность, но все равно получаете более 15 МВтч на кубический метр.
Алюминий содержит феноменальное количество энергии по сравнению с батареями или водородом.
Институт солнечных технологий SPF
Введение и выведение этой энергии, конечно, гораздо сложнее. Во время «процесса зарядки» избыточная возобновляемая энергия будет использоваться для преобразования оксида алюминия или гидроксида алюминия в чистый элементарный алюминий. Это промышленный процесс электролиза, требующий температуры около 800 ° C (1472 ° F), а также новых инертных электродов, если вы хотите избежать выбросов углекислого газа, которые сопровождают современные традиционные процессы плавки алюминия.
По оценкам команды, такую алюминиевую окислительно-восстановительную систему можно будет «зарядить» с эффективностью около 65%. Все сырье здесь относительно дешевое и в изобилии.
Да, алюминий окисляется при контакте с окружающим воздухом, но это только поверхностный слой толщиной менее половины нанометра, что означает потерю химической энергии «гораздо менее 1%», когда эти крошечные 1-миллиметровые шарики хранятся на воздухе.
Чтобы разрядить алюминий, вы просто снова конвертируете его. Это можно сделать при низких температурах, используя реакции алюминия и воды при температуре менее 100 ° C (212 ° F), с образованием гидроксида алюминия вместе с чистым водородом, который можно направить прямо в батарею топливных элементов PEM для преобразования в электричество. Процесс и топливный элемент также генерируют тепло, которое можно утилизировать при температурах, необходимых для отопления помещений или горячего водоснабжения.
Входы и идеализированные выходы низкотемпературного процесса высвобождения энергии из алюминия в водород, предполагая, что эффективность топливного элемента составляет 50%.
Институт солнечных технологий SPF
Существует также высокотемпературный процесс, работающий при температуре более 200 °C (392 °F), в ходе которого алюминий взаимодействует с паром с образованием оксида алюминия, водорода и гораздо более высоких уровней тепла, более подходящих для промышленного применения.
В модели Reveal процесс загрузки будет осуществляться на центральных плавильных складах, а «заряженный» алюминий будет вывозиться навалом для «разгрузки» на месте в многоквартирных домах, промышленных объектах и даже в отдельных домах. поскольку необходимое оборудование относительно простое и не требует особого обслуживания – ну, если не считать того факта, что системы преобразования алюминия в водород на данный момент еще точно не существует.
Как только он закончится, оксиды и гидроксиды алюминия будут отправлены обратно на склад для «подзарядки». В идеале, по словам команды Reveal, этот алюминий будет бесконечно циклироваться в этом процессе, поэтому не будет никаких постоянных затрат на сырье для данной системы.
В предложенной Reveal системе алюминий будет «заряжаться» на плавильном заводе, а затем вывозиться грузовиками для обратного преобразования в тепло и электричество в многоквартирных домах, жилых домах и на промышленных объектах.
Институт солнечных технологий SPF
В отчете за февраль 2022 года команда SPF утверждает, что приведенная стоимость энергии (LCOE) составляет всего 0,09 евро (0,09 доллара США) за кВтч для такой системы хранения при подробном анализе всего жизненного цикла проекта. Это довольно примечательно, учитывая, что текущая LCOE среднего недавно профинансированного проекта «большой батареи» в 2020 году составляла около 0,15 доллара США, согласно Energy Storage News , и эти проекты продают свою энергию гораздо чаще, с ежедневными циклами зарядки и разрядки. по сравнению с сезонными циклами алюминиевого раствора.
Так что определенно кажется, что здесь есть что-то, способное заполнить дыру размером с зиму в сетях возобновляемых источников энергии. Это вряд ли произойдет в ближайшее время; Команда Reveal до лета 2026 года посвятила себя «работе над решениями для этой новой концепции хранения».
В настоящее время разрабатывается множество других концепций хранения и высвобождения окислительно-восстановительной энергии металлов — в частности, голландская пивоварня начала сжигать перерабатываемое железо в своем топливном цикле в конце 2020 года. вредные оксиды азота – проблема, которой у этих алюминиевых аккумуляторов не будет вообще. Так что проект Reveal определенно стоит посмотреть.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com