В последние десятилетия стоимость ветровой и солнечной энергии резко упала. Это одна из причин, по которой Министерство энергетики США прогнозирует, что возобновляемые источники энергии будут самым быстрорастущим источником энергии в США до 2050 года .
Однако хранить энергию по-прежнему относительно дорого . А поскольку возобновляемые источники энергии не доступны все время -это бывает , когда ветер дует или светит солнце-хранилище имеет важное значение.
Типичная проточная батарея состоит из двух резервуаров с жидкостью, которые прокачиваются через мембрану, удерживаемую между двумя электродами. Предоставлено: Ци и Кениг, 2017 г. , CC BY.
В качестве исследователя в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии я работаю с федеральным правительством и частным сектором над разработкой технологий хранения возобновляемой энергии. В недавнем отчете исследователи NREL подсчитали, что существует потенциал для увеличения емкости хранения возобновляемой энергии в США на целых 3000% к 2050 году .
Вот три новые технологии, которые могут помочь в этом.
Более длительные сборы
От щелочных батарей для небольшой электроники до литий-ионных батарей для автомобилей и ноутбуков большинство людей уже используют батареи во многих аспектах своей повседневной жизни. Но есть еще много возможностей для роста.
Например, батареи большой емкости с длительным временем разряда — до 10 часов — могут быть полезны для хранения солнечной энергии в ночное время или увеличения дальности действия электромобилей. Сейчас таких батарей очень мало. Однако, согласно последним прогнозам , к 2050 году, вероятно, будет установлено более 100 гигаватт этих батарей. Для сравнения, это в 50 раз превышает генерирующую мощность плотины Гувера . Это может серьезно повлиять на жизнеспособность возобновляемых источников энергии.
Одно из самых больших препятствий — ограниченные запасы лития и кобальта, которые в настоящее время необходимы для создания легких и мощных батарей. По некоторым оценкам , около 10% мировых запасов лития и почти все мировые запасы кобальта будут исчерпаны к 2050 году.
Кроме того, почти 70% мирового кобальта добывается в Конго в условиях, которые давно задокументированы как бесчеловечные .
Ученые работают над разработкой методов утилизации литиевых и кобальтовых батарей , а также над созданием батарей на основе других материалов. Tesla планирует производить батареи без кобальта в течение следующих нескольких лет. Другие стремятся заменить литий натрием , который по своим свойствам очень похож на литий, но его гораздо больше.
Батареи работают, создавая химическую реакцию, в результате которой возникает электрический ток.
Более безопасные батареи
Другой приоритет — сделать батареи более безопасными. Одной из областей, требующих улучшения, являются электролиты — среда, часто жидкая, которая позволяет электрическому заряду течь от анода или отрицательной клеммы батареи к катоду или положительной клемме.
Когда батарея используется, заряженные частицы в электролите перемещаются, чтобы уравновесить заряд электричества, вытекающего из батареи. Электролиты часто содержат легковоспламеняющиеся материалы. В случае утечки аккумулятор может перегреться и загореться или расплавиться.
Ученые разрабатывают твердые электролиты , которые сделают батареи более прочными. Частицам гораздо труднее перемещаться через твердые тела, чем через жидкости, но обнадеживающие результаты лабораторных исследований позволяют предположить, что эти батареи могут быть готовы к использованию в электромобилях в ближайшие годы, а их коммерциализация должна начаться уже в 2026 году.
В то время как твердотельные батареи хорошо подходят для бытовой электроники и электромобилей, для крупномасштабного хранения энергии ученые разрабатывают полностью жидкостные конструкции, называемые проточными батареями .
В этих устройствах и электролит, и электроды являются жидкостями. Это обеспечивает сверхбыструю зарядку и упрощает изготовление действительно больших аккумуляторов. В настоящее время эти системы очень дороги, но исследования продолжают снижать цену .
Сохранение солнечного света в виде тепла
Другие решения для хранения возобновляемой энергии в некоторых случаях стоят меньше, чем батареи. Например, концентрированные солнечные электростанции используют зеркала для концентрации солнечного света , который нагревает сотни или тысячи тонн соли до тех пор, пока она не тает. Затем эта расплавленная соль используется для привода электрогенератора, так же как уголь или ядерная энергия используются для нагрева пара и привода генератора на традиционных установках.
Эти нагретые материалы также можно хранить для выработки электроэнергии в пасмурную погоду или даже ночью. Такой подход позволяет концентрированной солнечной энергии работать круглосуточно.
Эта идея может быть адаптирована для использования с несолнечными технологиями производства электроэнергии. Например, электричество, произведенное с помощью энергии ветра, можно использовать для нагрева соли, чтобы использовать ее позже, когда нет ветра.
Проверка клапана расплавленной соли на предмет коррозии на испытательной петле для расплавленной соли Sandia. Предоставлено: Рэнди Монтойя, Sandia Labs / Flickr , CC BY-NC-ND.
Концентрация солнечной энергии по-прежнему относительно дорога. Чтобы конкурировать с другими формами производства и хранения энергии, она должена стать более эффективной. Один из способов добиться этого — повысить температуру, до которой нагревается соль, что позволит более эффективно производить электричество. К сожалению, используемые в настоящее время соли нестабильны при высоких температурах. Исследователи работают над разработкой новых солей или других материалов, которые могут выдерживать температуры до 1300 градусов по Фаренгейту (705 C).
Одна из ведущих идей о том, как достичь более высокой температуры, заключается в нагревании песка вместо соли, которая может выдерживать более высокую температуру. Затем песок будет перемещаться с помощью конвейерных лент от точки нагрева к хранилищу. Министерство энергетики недавно объявило о финансировании пилотной концентрированной солнечной электростанции на основе этой концепции.
Передовые возобновляемые виды топлива
Батареи полезны для кратковременного хранения энергии, а концентрированные солнечные электростанции могут помочь стабилизировать электрическую сеть. Однако коммунальным предприятиям также необходимо хранить много энергии в течение неопределенного времени. Это роль возобновляемых видов топлива, таких как водород и аммиак . Коммунальные предприятия будут накапливать энергию в этих видах топлива, производя их с избытком энергии , когда ветряные турбины и солнечные панели вырабатывают больше электроэнергии, чем нужно потребителям коммунальных услуг.
Водород и аммиак содержат больше энергии на килограмм, чем батареи, поэтому они работают там, где батареи этого не делают. Например, их можно использовать для перевозки тяжелых грузов и работы тяжелого оборудования , а также для ракетного топлива .
Сегодня это топливо в основном производится из природного газа или других невозобновляемых ископаемых видов топлива в результате крайне неэффективных реакций. Хотя мы думаем об этом как о зеленом топливе, сегодня большая часть водородного газа производится из природного газа.
Ученые ищут способы производства водорода и других видов топлива с использованием возобновляемой электроэнергии. Например, можно сделать водородное топливо, расщепляя молекулы воды с помощью электричества. Ключевой задачей является оптимизация процесса, чтобы сделать его эффективным и экономичным. Потенциальная выгода огромна: неиссякаемая, полностью возобновляемая энергия.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК