Хабрахабр

Новый материал для топливных элементов позволяет создавать долгосрочные «энергетические ячейки»

Но они достаточно быстро разряжаются, так что это краткосрочное решение — накопить энергию «впрок» не получится. Литиевые батареи — отличное решение для хранения энергии, генерируемой солнечными батареями или иными источниками «зеленого» электричества. Кроме того, для хранения реально больших объемов энергии нужны очень массивные хранилища (одно такое построил Илон Маск в Австралии).

Правда, в последнее время становятся популярнее топливные элементы, которые вырабатывают энергию из, например, водорода. Специалисты ищут подходящее решение уже многие годы, но пока что ничего радикального создать не удалось. В принципе, весьма неплохо. На днях стало известно о новом виде топливных ячеек, которые работают сразу в двух направлениях — они могут вырабатывать электричество из метана или водорода, или же потреблять энергию и производить метан или водород.
КПД ячейки довольно высокий: если потратить определенный объем энергии на выработку метана или водорода, а затем пустить все в обратном направлении, то получить можно 75% потраченного ранее электричества.

Ограничения

Батареи, как уже говорилось выше, не слишком хороши для долгосрочных запасов электричества. Другие и недостатки — медленная скорость подзарядки плюс дороговизна. Неплохим выходом могут служить проточные аккумуляторы, которые используются все шире.

Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Проточный (редокс) аккумулятор – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества.

Но проточные аккумуляторные не такие эффективные, как традиционные батареи, а электролит, который в них используется обычно токсичен или же вызывает коррозию (а иногда и то, и другое).

Но здесь все не так просто, обычные схемы преобразования энергии в топливо достаточно энергозатратные, так что КПД системы никогда не будет высоким. Альтернатива, позволяющая хранить энергию в течение долгого времени — превращать излишки электричества в топливо. Кроме того, катализаторы для проведения реакции обычно дорогие.

В принципе, они не являются чем-то новым. Способ сократить расходы — использовать обратимый (реверсивный) топливный элемент. Работая в обратном направлении, они вырабатывают топливо, потребляя электричество. При работе в прямом направлении топливные элементы берут водород или метан в качестве топлива и вырабатывают электричество.

Как раз реверсивные топливные элементы — идеальный вариант для долгосрочного хранения энергии, а также для получения метана или водорода там, где они нужны.

Потому, что в теории все выглядит отлично, но на практике возникают непреодолимые сложности. Почему же они еще не используются повсеместно? Во-вторых, они производят смесь водорода и воды, а не чистый водород (в большинстве случаев). Во-первых, многие такие элементы нуждаются в высокой температуре для работы. В-четвертых, катализатор в большинстве существующих элементов быстро разрушается. В-третьих, КПД цикла ну очень невелик.

Выход из положения

Его предложили исследователи из Колорадской горной школы. Они изучили возможности обратимых протонно-керамических электрохимических элементов. При выработке энергии они весьма эффективны, плюс они не нуждаются в очень уж высокой температуре — достаточно источников отработанного тепла от промышленных процессов или традиционного производства электроэнергии.

Для их работы нужна температура в 500 градусов Цельсия, что не проблема, плюс в производство вовлекается около 97% энергии, которая была подведена к системе. Ученые усовершенствовали технологию, предложив в качестве материала для электродов Ba/Ce/Zr/Y/Yb и Ba/Co/Zr/Y. Вырабатывают они водород, в первом случае, или метан, во втором. При этом ячейки работают на воде или воде и углекислом газе.

Не так хорошо, как у батарей, но для большинства целей и этого вполне достаточно. КПД системы составляет около 75%. После 1200 часов испытаний оказалось, что материал практически не деградировал. При этом электроды не разрушаются.

Тот же иттербий стоит примерно $14 000 за килограмм, так что создание действительно значительных по размеру топливных элементов может оказаться весьма дорогим удовольствием. Правда, остается еще одна проблема — дороговизна исходных материалов, которые используются для создания электродов.

Но, возможно, разработчики смогут решить и эту проблему — во всяком случае, работа в этом направлении уже ведется.


Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть