Исследователи из Университета Дрекселя (США) под руководством профессора Юрия Гогоци разработали электрохимический потоковый конденсатор, способный накапливать энергию с эффективностью суперконденсатора при значительно меньшей удельной стоимости.

Проблемы стабильности энергоснабжения ощущают все. Скачки потребления вечером, моргание лампочки, работающей вполнакала, пока соседская сплит-система включается и выходит на режим, легко ощутимы и в Москве, и в провинции. Но эти трудности — лишь предвестник того, что ждёт энергетику после перехода на ветер и Солнце, который Германия, например, завершит уже к 2050 году.

Нестабильность этих источников велика, и, чтобы компенсировать её, надо иметь накапливающие мощности.

Недавний отчёт Министерства энергетики США утверждает, что к тому же 2050 году в стране придётся построить накопительных мощностей ещё на 130 ГВт•ч. Однако нынешние аккумуляторы для этого не подходят: низкая скорость отдачи и забора энергии, обусловленная химической природой аккумуляторов, означает, что накапливающие мощности на их основе должны быть очень большими.

Но вот беда: сейчас даже самые эффективные по соотношению «цена — качество» аккумуляторы (литиевые) стоят несколько тысяч долларов за киловатт-час. Учитывая, что энергопотребление крупной промышленной страны может исчисляться в триллионах киловатт-часов в год, таких мощностей не выдержит ни одна экономика мира. Особенно с учётом того, что раз в шесть лет весь этот «литий» придётся менять из-за деградации батарей.

Рис. 1. Суспензия с углеродными шариками диаметром около 200 нм может быть очень быстро прокачана через центральную камеру конденсатора, отдавая или получая энергию. (Здесь и ниже иллюстрации Drexel University).

Исследователи, ведомые профессором Юрием Гогоци, решили, что для этого больше подходят суперконденсаторы, на стороне которых до миллиона (по консервативным оценкам — 100 000) циклов зарядки-разрядки, огромная скорость отдачи и забора энергии, относительная дешевизна. Плохо лишь то, что нынешние суперконденсаторы имеют очень дешёвый электролит, а само устройство является относительно дорогим из-за стоимости электродов и разделителя, доминирующих в его цене.

Для нужд большой энергетики исследователи опробовали вариант отдельного хранения текучей суспензии, наполненной частицами угля, плавающими в электролите. Когда такой суперконденсатор заряжается, незаряженная суспензия прокачивается через проточную ячейку с электродами, где электроэнергия запасается внутри твёрдых угольных гранул.

При отдаче электричества обратно в сеть заряженная суспензия подаётся из резервуаров в камеру с электродами, где, как в обычном суперконденсаторе, отдаёт накопленную энергию обратно. Обычные суперконденсаторы невелики — от монеты до банки колы. Чтобы собрать из таких элементов суперконденсатор, размер которого подходит для использования в общенациональной энергосистеме, понадобится множество дорогих комплектующих — таких как металлические токоприёмники и полимерные мембраны-разделители.

Рис. 2. При работе накопителя суспензия протекает через одну из двух камер электрохимической ячейки, отдавая или получая энергию.

«Использование тысяч небольших стандартных устройств для создания крупномасштабной стационарной системы хранения требует огромных денег, — отмечает Юрий Гогоци, директор Института нанотехнологий при Университете Дрекселя и ведущий автор исследования. — А вот система жидких электрохимических конденсаторов, мощность которых зависит лишь от размера резервуара, и рентабельна, и масштабируема».

Преимущества такой схемы в том, что размер центральной ячейки супеконденсатора может быть очень небольшим, а ёмкость при этом — весьма значительной, ведь резервуар с суспензией, содержащей угольные шарики, может иметь любой размер. Есть и недостатки: прокачка суспензии не молниеносна. Поэтому скорость отдачи энергии в сеть будет чуть меньше, чем у обычных суперконденсаторов, но всё же выше, чем у батарей, да и ограниченная пропускная способность сети не позволит снимать энергию с крупных суперконденсаторов с предельной для них скоростью.

Разумеется, значительно меньшая ёмкость суперконденсаторов в сравнении с литиевыми аккумуляторами новой конструкцией не решается. Однако авторы работы надеются изменить положение дел при доводке своего творения.

«Будучи схожим с традиционной ячейкой суперконденсатора, электрохимический потоковый конденсатор продемонстрировал весьма многообещающую производительность, — поясняет профессор Гогоци. — Но чтобы технология стала вполне рентабельной, нам предстоит существенно увеличить удельную энергию на единицу объёма суспензии при помощи недорогих углеродных или соляных растворов».

Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.