Грузите электричество бочками

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

Проблемы со стабильностью энергоснабжения ощущают все. От скачков напряжения, особенно в пиковые периоды потребления, могут пострадать не только чувствительные приборы, такие, как компьютеры, но и другая бытовая техника. Кроме того, существует давняя проблема — неравномерность потребления электричества в зависимости от времени суток: ночью потребности в нем куда меньше, чем днем и вечером. Чтобы компенсировать все пики и провалы потребления электричества, надо иметь мощные накопительные устройства.

Нынешние аккумуляторы для этой цели не подходят: у них низкая скорость отдачи и накопления энергии, обусловленная химической природой аккумуляторов. Это означает, что накопительные приборы на их основе должны быть очень большими. Подсчитано, что энергопотребление крупной промышленной страны может исчисляться в триллионах киловатт-часов в год. А это значит, что подобные батареи, созданные, например, на литиевых элементах, должны будут стоить миллиарды долларов. Таких затрат не выдержит ни одна экономика мира. Тем более, что раз в шесть лет весь этот «литий» придётся менять из-за деградации батарей.

Исследователи из института нанотехнологий, входящего в Университет Дрекселя, решили данную проблему, применив суперконденсаторы. Их использовали два момента: во-первых, современные суперконденсаторы имеют огромную мощность, а во-вторых, они выдерживают порядка миллиона циклов зарядка-разрядка. Плохо лишь то, что устройство является относительно дорогим из-за стоимости электродов и разделителя. Именно онии составляют львиную долю общей цены устройства. При этом стоимость электролита сравнительно невелика.

Ученым пришла идея: хранить электролит не в самом конденсаторе, а вне его, и прогонять сквозь электроды во время циклов зарядки-разрядки. Когда такой суперконденсатор заряжается, незаряженная суспензия прокачивается через проточную ячейку с электродами, где электроэнергия запасается внутри твёрдых углеродных гранул, входящих в состав суспензии. 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 блокнота для записей. Чтобы собрать из таких элементов суперконденсатор, размер которого подходит для использования в общенациональной энергосистеме, понадобится множество дорогих комплектующих.

«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 углеродные шарики, может иметь любой размер. Есть у такой системы и недостатки: прокачка суспензии сквозь электроды не молниеносна. Поэтому скорость отдачи энергии в сеть будет заметно меньше, чем у обычных суперконденсаторов, но всё же выше, чем у батарей. Впрочем, ограниченная пропускная способность сети так или иначе не позволяет снимать энергию с крупных суперконденсаторов с предельной для них скоростью.

«Будучи схожим с традиционной ячейкой суперконденсатора, электрохимический потоковый конденсатор показал 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».

Изобретение потоковых суперконденсаторов для нас в Украине интересно еще и тем, что Юрий Гогоци, стоящий во главе группы исследователей — киевлянин. Он сын известного украинского ученого Георгия Гогоци, в 1984 году с отличием окончил столичный Политехнический институт, а в 1986-1990 годах был научным сотрудником в Институте проблем материаловедения (Киев). В 1990 году Юрий Георгиевич выехал на Запад. Перед тем, как стать директором Университета Дрекселя (США), Юрий Гогоци поработал в научных центрах в Германии, Японии и Норвегии.