Акумулятор винайдений за 120 років до свого часу

 

Фото: bbc.com

На рубежі 20-го століття Томас Едісон винайшов акумулятор з незвичайною особливістю виробляти водень. Тепер, через 120 років, акумулятор починає працювати.

Їдучи гравійною дорогою в Вест-Орандж, штат Нью-Джерсі, електромобіль мчав пішоходами, деякі явно здивовані просторим салоном автомобіля. Він рухався вдвічі швидше, ніж звичайні транспортні засоби, які він обганяв, піднявши пил, який, можливо, лоскотав носи коням, які неухильно тягнули екіпажі по вулиці.Пише ВВС.

Це був початок 1900-х років, і водієм саме цього автомобіля був Томас Едісон. Хоча електромобілі не були новинкою в околицях, більшість з них покладалися на важкі та громіздкі свинцево-кислотні акумулятори. Едісон оснастив свою машину новим типом акумулятора, який, як він сподівався, незабаром почне живити транспортні засоби по всій країні: нікель-залізний акумулятор. Спираючись на роботу шведського винахідника Ернста Вальдемара Юнгнера, який вперше запатентував нікель-залізну батарею в 1899 році, Едісон намагався вдосконалити акумулятор для використання в автомобілях.

Едісон стверджував, що нікель-залізна батарея була неймовірно стійкою і могла заряджатися вдвічі швидше, ніж свинцево-кислотні. Він навіть уклав угоду з Ford Motors щодо виробництва цього нібито більш ефективного електромобіля.

Але нікель-залізна батарея справді мала деякі зламки, які потрібно усунути. Він був більшим за більш широко використовувані свинцево-кислотні акумулятори і дорожчим. Крім того, коли його заряджали, він виділяв водень, що вважалося неприємністю і могло бути небезпечним.

Більше ніж через століття інженери виявили нікель-залізну батарею як щось на кшталт необробленого алмазу.

На жаль, до того часу, коли у Едісона був більш досконалий прототип, електромобілі були на виході на користь транспортних засобів, що працюють на викопному паливі, які могли долати більші відстані, перш ніж їм знадобиться дозаправка або підзарядка. Угода Едісона з Ford Motors відпала, хоча його акумулятор продовжував використовуватися в певних нішах, таких як залізнична сигналізація, де її громіздкі розміри не були перешкодою.

Але більше ніж через століття інженери знову відкрили нікель-залізну батарею як щось на кшталт необробленого алмазу. Зараз це досліджується як відповідь на постійну проблему для відновлюваної енергії: згладжування непостійного характеру чистих джерел енергії, таких як вітер і сонце. І водень, який колись вважався тривожним побічним продуктом, може виявитися однією з найкорисніших речей цих батарей.

До середини 2010-х років дослідницька група з Делфтського технологічного університету в Нідерландах знайшла використання нікель-залізної батареї на основі виробленого водню . Коли електрика проходить через батарею під час її підзарядки, вона зазнає хімічної реакції, яка виділяє водень і кисень. Команда визнала, що реакція нагадує реакцію, яка використовується для виділення водню з води, відому як електроліз. 

«Мені здавалося, що хімія була та ж, — каже Фокко Малдер, керівник дослідницької групи Делфтського університету. Ця реакція розщеплення води є одним із способів отримання водню для використання в якості палива, а також цілком чистого палива, за умови, що енергія, що використовується для проведення реакції, надходить з відновлюваного джерела.

Нікель-залізні батареї надзвичайно довговічні, як довів Едісон у своєму ранньому електромобілі, а деякі, як відомо, тривають більше 40 років

Хоча Малдер і його команда знали, що електроди нікель-залізної батареї здатні розщеплювати воду, вони були здивовані, побачивши, що електроди почали накопичувати більше енергії, ніж до того, як вироблявся водень. Іншими словами, він став кращим акумулятором, коли його також використовували як електролізатор. Вони також були здивовані, побачивши, наскільки добре електроди витримують електроліз, який може надмірно обтяжувати і погіршувати більш традиційні батареї. «І, звичайно, ми були досить задоволені тим, що під час усього цього енергоефективність виявилася хорошою», – каже Малдер, досягаючи рівня 80-90%.

Малдер назвав їхнє творіння «бататолізатором», і вони сподіваються, що їхнє відкриття допоможе вирішити дві основні проблеми для відновлюваної енергії: зберігання енергії та, коли батареї заповнені, виробництво чистого палива.

«Ви почуєте всі ці дискусії про батареї, з одного боку, і водень, з іншого боку», – каже Малдер. «Завжди існувала конкуренція між цими двома напрямками, але в основному вам потрібні обидва».

Відновлювана вартість

Однією з найбільших проблем відновлюваних джерел енергії, таких як вітер і сонце, є те, наскільки вони можуть бути непередбачуваними та непостійними. Наприклад, із сонячною енергією у вас є надлишок енергії, що виробляється вдень і влітку, але вночі та в зимові місяці запаси зменшуються.

Звичайні батареї, наприклад літієві, можуть зберігати енергію в короткостроковому періоді, але коли вони повністю заряджені, вони повинні вивільнити будь-який надлишок, інакше вони можуть перегрітися та погіршитися . З іншого боку, нікель-залізний батолізер залишається стабільним при повному зарядженні , після чого він може перейти до виробництва водню.

«[Нікель-залізні батареї] є стійкими, вони здатні протистояти недозарядженню та перезарядженню краще, ніж інші батареї», — каже Джон Бартон, науковий співробітник Школи машинобудування, електрики та виробництва Університету Лафборо у Великобританії, який також досліджує батолізери. «З виробництвом водню battolyser додає багатоденне і навіть міжсезонне зберігання енергії».

Окрім створення водню, нікель-залізні батареї мають і інші корисні властивості, перш за все те, що вони надзвичайно мало обслуговуються. Вони надзвичайно довговічні , як довів Едісон у своєму ранньому електромобілі, а деякі, як відомо, прослужать понад 40 років. Метали, необхідні для виготовлення батареї – нікель і залізо – також є більш поширеними, ніж, скажімо, кобальт, який використовується для виготовлення звичайних батарей.

Це означає, що battolyser може виконувати ще одну можливу роль для відновлюваної енергії: допомагати їй стати більш прибутковою.

Як і будь-яка інша галузь, ціни на відновлювані джерела енергії коливаються залежно від попиту та пропозиції. У яскравий сонячний день може бути надлишок сонячної енергії, що може призвести до перенасичення та падіння ціни, за яку можна продати енергію. Проте батолізатор міг би допомогти згладити ці піки та спади.

«Коли ціни на електроенергію високі, ви можете розрядити цю батарею, але коли ціна електроенергії низька, ви можете зарядити батарею і виробляти водень», — каже Малдер.

Battolyser не самотній у цьому відношенні. Більш традиційні лужні електролізери в поєднанні з батареями також можуть виконувати цю функцію і широко поширені в промисловості, що виробляє водень . Малдер вважає, що battolyser може робити те ж саме за менші гроші і довше, завдяки довговічності системи. Це те, що вселяє надію у прихильників battolyser.

І хоча водень є безпосереднім продуктом батолізера, з нього також можна отримувати інші корисні речовини, такі як аміак або метанол, які зазвичай легше зберігати та транспортувати. «Маючи батолізатор на місці, [] завод по виробництву аміаку працював би більш постійно і [було б] потребувати менше робочої сили, знижуючи експлуатаційні витрати та витрати на технічне обслуговування, таким чином виробляючи аміак найдешевшим способом у екологічно безпечний спосіб», — говорить Ганс Врієнхоф, керівник виконавчий директор Proton Ventures, який інвестував у battolyser Малдера.

Збільшення масштабу

Зараз найбільший з існуючих батолізер має потужність 15 кВт/15 кВт·год і має достатньо ємності акумулятора та довготривалого зберігання водню, щоб забезпечити живлення 1,5 домогосподарств. На електростанції Magnum в Еемсхафені в Нідерландах розробляється більша версія батолізера 30 кВт/30 кВт год, де він забезпечить достатньо водню для задоволення потреб електростанції.

Після того, як він пройшов ретельне тестування, його мета – подальше розширення та розповсюдження батолізера серед виробників зеленої енергії, таких як сонячні та вітрові електростанції. Зрештою, прихильники battolyser сподіваються, що він досягне гігаватного масштабу, що еквівалентно потужності, що виробляється приблизно 400 вітровими турбінами загального масштабу . Хоча, а також у масштабуванні, Бартон бачить роль у менших батолізаторах, які могли б допомогти постачати енергію в міні-мережі, які використовуються віддаленими громадами, які не живуть від основних електромереж.

Може допомогти той факт, що електроди батолізера виготовлені з відносно дешевих і поширених металів. На відміну від літію, нікель і залізо не утворюють великої кількості водних відходів під час видобутку, а також не пов’язані зі значною деградацією навколишнього середовища .

Тим не менш, і Малдер, і Бартон бачать перешкоди, які необхідно подолати з точки зору ефективності та потужності. «Баттолізатор дійсно виграє від збільшення потужності в якості батареї або зменшення внутрішнього опору», – каже Бартон. Внутрішній опір - це протидія струму в акумуляторі. Чим вище внутрішній опір, тим нижче ККД. Малдер і його команда зараз працюють над цим.

Значна частина потенціалу батолізера ховається на виду з тих пір, як Томас Едісон вперше почав експериментувати зі своєю нікель-залізною батареєю на рубежі 20-го століття. Можливо, він помилявся, вважаючи, що його акумулятор витіснить інші транспортні засоби на дорозі. Але нікель-залізна батарея все ж може відігравати певну роль у заміні викопного палива в більш широких масштабах, допомагаючи прискорити перехід на відновлювані джерела енергії.