Потребность в надежных возобновляемых источниках энергии быстро растет, поскольку страны по всему миру, в том числе Швейцария, активизируют свои усилия по борьбе с изменением климата, поиску альтернатив ископаемому топливу и достижению целей перехода к энергетике, установленных их правительствами. Но возобновляемая энергия не может быть эффективно включена в электрические сети, пока не появится способ хранить ее в больших масштабах.
«Большинство форм возобновляемой энергии зависят от погодных условий, что приводит к большим колебаниям мощности, которую они поставляют», — говорит Даник Рейнард, доктор философии. студент Лаборатории физической и аналитической электрохимии (LEPA) EPFL. «Электросети не предназначены для управления такими колебаниями». В связи с чем водород, поскольку он может обеспечивать стабильную энергию независимо от погоды, в настоящее время привлекает все большее внимание.
Ученые LEPA в течение нескольких лет работали над двойной проблемой производства чистого водорода и хранения энергии . Они только что представили новую систему, которая объединяет обычную проточную окислительно-восстановительную батарею — в настоящее время один из самых многообещающих методов для крупномасштабного стационарного накопления энергии — с каталитическими реакторами, которые производят чистый водород из жидкости, протекающей через батарею. Система LEPA так же эффективна, как и обычные, но предлагает большую гибкость и емкость для хранения энергии. Она также производит чистый водород по более низкой цене. Исследование ученых опубликовано в Cell Reports Physical Science .
Проточные окислительно-восстановительные батареи наиболее перспективны для хранения энергии
Проточные окислительно-восстановительные батареи состоят из двух резервуаров, разделенных электрохимическим элементом. Две жидкости электролита с высокой проводимостью — одна с положительным зарядом , другая с отрицательным зарядом — циркулируют через резервуары и проходят мимо элемента, вызывая химическую реакцию, в которой происходит обмен электронами. Эти батареи хранят энергию в электрохимической форме, как и литий-ионные батареи, используемые в смартфонах, но с гораздо более длительным сроком службы и с гибкими возможностями генерации и хранения энергии, что означает, что они могут быстро реагировать на колебания в энергоснабжении и спросе.
Для создания своей системы ученые LEPA взяли обычную проточную окислительно-восстановительную батарею и улучшили ее, добавив два каталитических реактора. Эти реакторы производят водород из жидкости, циркулирующей по резервуарам. «Водород образуется в результате каталитического процесса, в котором энергия батареи используется для разделения молекул воды на два компонента, водород и кислород», — говорит Рейнард. «Но этот водород можно считать чистым, только если энергия, используемая для зарядки аккумуляторов, является возобновляемой».
Чистый водород с увеличенной и гибкой емкостью
Технология LEPA предлагает несколько преимуществ как для производства водорода, так и для хранения энергии . Обычные проточные окислительно-восстановительные батареи после полной зарядки не могут хранить больше энергии. «Однако в нашей системе, как только батарея полностью заряжена, она может разряжать жидкость во внешние реакторы. Они, в свою очередь, генерируют водород, который можно хранить и использовать позже, освобождая место для хранения в самой батарее», — говорит Рейнард.
Водород, производимый системой LEPA, является чистым, его нужно только высушить и сжать для оптимального хранения. Эта система также более безопасна, чем обычные, потому что она генерирует кислород и водород отдельно, а не одновременно, поэтому риск взрыва меньше.
Будущее зарядных станций для водородных автомобилей?
Технология LEPA может быть особенно полезна в транспортном направлении. По мере того, как все больше и больше водителей внедряют электромобили, спрос на электричество и чистый водород будет расти. Зарядка этих транспортных средств оказывает давление на электросети и создает всплески нагрузки, которые операторам сетей трудно спланировать. «Согласно данным Федерального управления энергетики Швейцарии за 2020 год, на транспортный сектор приходится около 33% потребления энергии в Швейцарии», — говорит Рейнард. «Наши батареи, помимо производства водорода, могут также служить буферами для сглаживания пиков этого спроса».
Дополнительная информация: Даник Рейнард и др., Комбинированное производство водорода и хранение электроэнергии с использованием двухпоточной ванадий-марганцевой окислительно-восстановительной батареи, Cell Reports Physical Science (2021). DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100556
Фотография демонстратора Electromobilis, установленного в Мартиньи. Предоставлено: LEPA, 2016.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК