Проточные аккумуляторы — устройство, принцип работы, перспективы использования

Проточные аккумуляторы — аккумуляторы нового типа, представляющие собой накопители электрической энергии, отличающиеся по конструкции от традиционных аккумуляторов. В проточном аккумуляторе жидкий электролит прокачивается через ядро при помощи насосов.

Принципиально электролит такой батареи представляет собой раствор металлических солей, способный переносить положительный и отрицательный заряды. В процессе прокачки электролита через разделенный мембраной резервуар, положительный и отрицательный электрод обеспечивают ионный обмен с электролитом и генерацию электричества в ходе окислительно-восстановительных реакций.

В качестве электролита для проточных аккумуляторов хорошо подходит раствор серной кислоты и ванадиевой соли , тогда как электроды изготавливаются из графита (ванадиевый проточный аккумулятор).

Суть в том, что ванадий, 23-й элемент периодической таблицы Менделеева, относится к тем немногим активным веществам, с которыми эрозию можно держать под контролем. Сегодня исследователи ищут менее дорогостоящие вещества, которые позволили бы сделать технологию проточных аккумуляторов широко доступной и недорогой.

Проточные аккумуляторы приводятся в действие минимум — двумя мощными насосами, позволяющими получать емкости 20 кВт · ч и более. Количество жизненных циклов заряда/разряда может в принципе доходить здесь до 10000, что эквивалентно 20 годам интенсивного использования таких батарей .

Одна ячейка способна производить разность потенциалов от 1,15 до 1,55 вольт . Как и в любой другой системе батарей, для получения нужного уровня напряжения на клеммах, достаточно соединить несколько таких ячеек последовательно.

Удельная энергоемкость проточного аккумулятора на основе соли ванадия составляет около 40 Вт · ч/кг, то есть аккумулятор на 20 кВт · ч будет весить полтонны, приблизительно как свинцово-кислотный аккумулятор аналогичной емкости. Но жить проточный аккумулятор будет дольше, что делает его пригодным для хранения электрической энергии в больших количествах. Однако скорость потребления энергии должна оставаться умеренной.

Электролит проточного аккумулятора физически распределен оп двум резервуарам (анодный и катодный резервуары — для анодной и катодной частей электролита), размер которых для аккумуляторов разной емкости может варьироваться. При необходимости замены ячеек на новые, допускается повторное использование электролита, что приводит к существенной экономии материалов.

Самая же уязвимая часть проточного аккумулятора — мембрана в центре ячейки, отделяющая друг от друга соответствующие полуячейки. Проблема в том, что мембрана со временем корродирует (испытывает разрушительную коррозию), поэтому к электролиту добавляют специальные примеси, замедляющие коррозию мембраны.

Итак, когда электролит через полуячейки прокачивается насосами в одном направлении — на электродах аккумулятора вырабатывается электричество, а когда аккумулятор необходимо зарядить, — направление прокачки электролита насосами изменяется на противоположное, то есть насосы при заряде и разряде качают электролит в разные стороны. Главное здесь — обеспечить необходимый объем ванадиевой соли.

Наибольшие запасы ванадия на планете принадлежат Китаю, России и ЮАР. Однако основная область его промышленного применения сегодня (90%) — изготовление сплавов на основе стали.

Тем не менее тенденция к использованию ванадия в чистой энергетике уже намечается, ведь это позволит создавать аккумуляторы большой емкости , по характеристикам превосходящие литиевые , при том вдвое более дешевые. Стандартизированные проточные аккумуляторы на мощность 250 кВт могут собираться в батареи необходимой емкости вплоть до огромных.

Самые первые проточные аккумуляторы строились по запатентованной в 1954 году технологии, где в качестве электролита выступал хлорид титана . Технология же на основе ванадиевого электролита была разработана позже — в 1986 году , в Австралийском Университете Нового Южного Уэльса, и получила название «редокс» — Reduction-Oxidation .

Россия пока лишь отрабатывает технологию проточных аккумуляторов в условиях лаборатории — исследует режимы и характеристики, изучает реальный потенциал системы.

Конечно, концепция остается стандартной: окислительно-восстановительная батарея с парой емкостей для жидкого электролита, который пропускается одновременно через положительную и отрицательную полуячейки, разделенные мембраной. При движении в одну сторону, электролит заряжается, а при движении в противоположную сторону — отдает накопленную энергию.

Объемы резервуаров варьируют, изменяя таким образом емкость аккумулятора, а для повышения токовых характеристик — увеличивают площадь мембраны между полуячейками, что позволяет повысить предельно допустимую скорость передачи энергии через батарею.

Хотя тема проточных аккумуляторов давно набирает популярность в мире, в России ей пока не очень активно занимаются, лаборатория Сколтеха, на начало 2020 года, была единственной.

Сейчас выявлен основной минус технологии — высокая стоимость ванадия — больше 60 долларов за килограмм оксида. Кроме того исследователи ищут более оптимальный материал для мембраны: этот недорогой материал должен уметь пропускать лишь определённые ионы, при этом быть химически стойким.

Справедливости ради отметим, что еще в 1996 году японцы уже использовали у себя в стране подобные проточные аккумуляторы общей мощностью более 100 кВт . Сегодня уже можно говорить о достижимых мощностях в десятки мегаватт.

По сей день такие системы применяются в Японии для стабилизации частоты переменного тока с номинальной мощностью в 60 мегаватт . Таким образом, уже сейчас перспективы проточных аккумуляторов вполне очевидны. Они хорошо подойдут для хранения электрической энергии в больших объемах, остается довести технологию до совершенства.

Смотрите также: 10 лучших технологий аккумуляторов, зарядки и хранения энергии будущего