Техніка

Космічні батарейки: нове – це добре забуте старе, добре, довговічне

Компанії та наукові установи по всьому світу працюють над новими акумуляторними батареями, сподіваючись отримати безпечні, довговічні і недорогі рішення для енергетики. Нещодавно виявилася хороша альтернатива розповсюдженим ионолитиевым акумуляторам. Що дивно, це не новачок, а система, яка довела свою надійність в жорстких умовах експлуатації протягом десятиліть.

У космічних місіях НАСА широко використовуються нікель-водневі акумуляторні батареї. Вони встановлені, зокрема, на космічному телескопі Hubble, на марсіанському всюдиході Curiosity і на Міжнародній космічній станції. «Ці батареї розроблені для експлуатації у важких умовах на штучних супутниках, де вони повинні витримувати дуже високі і дуже низькі температури, працюючи без обмежень по кількості циклів заряду-розряду і без необхідності в якому-небудь обслуговуванні», – розповів Йорг Хайнеман, керівник каліфорнійської компанії EnerVenue, взялася за комерціалізацію нової технології.

З небес на землюНа орбітальних апаратах, які щодня роблять кілька обертів навколо Землі, сонячні батареї регулярно потрапляють в тінь і система живлення апаратури переключається на акумулятори. В таких умовах космічні нікель-водневі елементи успішно витримують від 30 до 100 тисяч циклів заряду-розряду без помітної деградації характеристик. Для порівняння: кращі ионолитиевые акумулятори розраховані лише на 3000 циклів.

Нікель-водневі акумулятори не містять токсичних хімічних елементів і на відміну від ионолитиевых не схильні до ризику загоряння. Немає небезпеки та їх надмірного розігріву, характерною для ионолитиевой технології. А космічний діапазон робочих температур від -40 до +60 °C, більш ніж достатній для експлуатації на землі.

«Ми розуміємо, що за сонячною та вітровою енергетикою майбутнє, але для завершення ВДЕ-революції не вистачає невибагливих довговічних акумуляторів. Батареї, розроблені у 1980-х для використання в космосі, божевільно дорогі, – пояснює Хайнеман. – Через використання платини в якості каталізатора і ручної збірки вони обходилися приблизно в двадцять тисяч доларів за кіловат-годину, а тому ринок ігнорував їх, незважаючи на видатні технічні характеристики.

Початкова ціна була настільки висока, що експерти не сподівалися на здешевлення акумуляторів, навіть якщо налагодити їх великосерійне виробництво».Пора розсекретити«Космічні» нікель-водневі акумулятори опинилися в тіні ще й тому, що вчені та інженери, що розробляли їх у 1980-х, вийшли на пенсію. А нове покоління конструкторів не знайома з технологією, коли створеної за секретними проектами.

Три роки тому вчені з Стенфорда заново оцінили перспективи цих акумуляторів і запропонували для них новий вид електрохімічного процесу, в рамках якого дорогі метали можна замінити більш дешевими і тим самим різко знизити ціни на продукцію. Розроблена в Стенфорді електрохімічна модель дозволяє використовувати тільки широко поширені в земній корі елементи, що видобуваються в багатьох країнах.Далі інженери компанії EnerVenue переробили конструкцію акумуляторів в розрахунку на їхнє великомасштабне виробництво.

Вийшли дуже прості по пристрою елементи, які повинні бути конкурентоспроможними по відношенню до ионолитиевым. Тим більше що будучи встановлені де-небудь на об’єкті, батареї EnerVenue не зажадають постійних витрат на технічне обслуговування.«Феноменальний успіх ионолитиевых акумуляторів частково пояснюється їх гнучкістю.

Ви можете розрядити смартфон за лічені години, переглядаючи відео, а потім швидко зарядити його, а можете перевести пристрій в режим економії енергії, так що акумулятор протягне кілька днів, – зазначив Хайнеман. – Наша батарея теж здатна швидко заряджатися, довго тримати заряд, а розряджатися повільно або швидко в залежності від потреб власника. Вона працює практично однаково у двогодинному і в дванадцятигодинний циклах, так що покупець нашої батареї не буде обмежений якимось кращим варіантом її використання.

Для інших електрохімічних систем це вкрай складно. Наприклад, у ионолитиевых акумуляторів при швидкому заряді і розряді скорочується термін служби».Зручність для потребителяСтоит зазначити, що ионолитиевые елементи мають і більш жорсткі обмеження по допустимим режимам роботи.

Для них, зокрема, неприйнятні надмірний розряд, перезаряд і перегрів. З усіх елементів, що складають батарею, необхідно постійно контролювати напругу і температуру. Страховики відмовляться страхувати промислову систему накопичення енергії, якщо не будуть упевнені, що кожен елемент у ній експлуатується з дотриманням вимог виробника.

З цієї причини промислові накопичувачі для енергетики оснащуються складними комп’ютерними системами, які не тільки контролюють, але і протоколюють стан всіх ионолитиевых елементів.Нікель-водневі елементи подібних обмежень не мають, і оператор накопичувача зможе перебудувати режим його роботи, не турбуючись про вихід за допустимі межі. Скажімо, спочатку компанія використовує накопичувач разом з сонячною електростанцією в 24-годинному циклі, а потім перенастроює його на системні послуги по стабілізації частоти в енергосистемі.

Виробництво нікель-водневих елементів в КраснодареПроизводство нікель-водневих елементів в КраснодареБлагодаря широкому діапазону робочих температур (від -40 до +60 °C) різко знижується небезпека перегріву накопичувача, можна не турбуватися, як би не знизилася ємність на холоді, і навіть виключити з конструкції систем зберігання кондиціонери, життєво необхідні для експлуатації ионолитиевых накопичувачів. І ще одна перевага: промислові системи зберігання енергії допустимо розміщувати поблизу виробничих будівель або всередині них.Версія 2.

0Каждый «космічний» елемент являє собою мініатюрний герметичний посудину, в якому передбачено простір для виділяється водню. При доопрацюванні конструкції розмір посудини був збільшений до розміру пляшки. Всі елементи спроектовані в розрахунку на роботизовану конвеєрну збірку.

Замість нікель-водневого електрохімічного процесу запропоновано марганцево-водневий. У ньому на катоді по черзі проходять реакції осадження твердого оксиду марганцю і його розкладання з утворенням рухомих іонів металу. Вода на аноді віддає кисень з вивільненням газоподібного водню, а потім відновлюється.

«Коли я прийшов в компанію, я вважав, що заміна електрохімічного процесу є певним компромісом, тобто електричні характеристики елемента будуть дещо гірше, ніж у вихідному варіанті, – продовжує Хайнеман, – і був дуже здивований тим, що характеристики тільки покращилися. Елемент можна заряджати та розряджати повільно або швидко, при цьому кількість циклів, що він витримує, не змінюється. Ми вже провели лабораторні випробування і не сумніваємося в обраній електрохімії.

Тепер наше головне завдання – налагодити дослідну лінію і потім масштабувати виробництво для зниження ціни і виводу продукції на ринок. Важливо, що процес простий і якихось особливих виробничих умов типу вакууму або чистих кімнат не вимагає. Наші батареї легко зібрати, а потім і розібрати, так що вони придатні для утилізації після закінчення строку служби».

* * *При всіх своїх достоїнствах марганцево-водневі акумулятори не зможуть похвалитися високою питомою ємністю, так що в електромобілях їх застосування малоперспективно. І тому компанія EnerVenue націлилася на ринок електроенергетики, де використовуються тільки стаціонарні системи. З часом будуть випущені накопичувачі і для індивідуального використання.

Related posts

Leave a Comment