Ученые из Сколтеха представили модель, которая упрощает конструирование и эксплуатацию ванадиевых проточных аккумуляторов — промышленных накопителей энергии, которые обещают сыграть важную роль в энергетической трансформации и уже активно используются для сглаживания пиковой нагрузки на энергосеть в Китае, Германии и США. Без этой или подобной технологии невозможен массовый переход на электротранспорт и возобновляемые источники энергии. Кроме того, она сделает атомные электростанции эффективнее и безопаснее и обеспечит резерв мощности для объектов критически важной инфраструктуры.
Исследование опубликовано в Journal of Power Sources. «Проточные аккумуляторы — один из видов химических накопителей энергии. Как и в литий-ионных батареях, основные составляющие — это два электрода и электролит, то есть среда, обеспечивающая перенос ионов. Но химическая реакция, которая дает энергию, происходит не на электродах, а в жидком электролите», — рассказал первый автор исследования, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Михаил Пугач.
«В практическом смысле отличие в том, что проточные накопители гораздо более тяжелые и громоздкие, чем привычные аккумуляторы, поэтому для портативных устройств они не подходят. Зато выигрывают в емкости, долговечности и эксплуатационной гибкости — все это ценно для накопления в масштабе энергосети. Кроме того, ванадиевые накопители быстро перезаряжаются, не пожароопасны и не зависят от импортного сырья. А сам ванадий еще и легко перерабатывается», — добавил ученый.
Ванадиевые проточные накопители — наиболее развитая и широко внедренная в отрасли технология для запасания энергии в масштабе сети. Энергетические компании используют ее для сглаживания пиков спроса на электричество, которые возникают, например, когда в жаркую погоду потребители массово включают кондиционеры. Еще бо́льшая перегрузка сети может возникнуть при широком распространении электромобилей, если водители будут примерно в одно время вечером ставить их на зарядку после возвращения домой с работы.
Что касается колебаний на стороне генерации, увеличение доли возобновляемых источников энергии будет вызывать подъемы и спады мощности в зависимости от погодных и других условий — с ними тоже помогут справиться встроенные в сеть промышленные накопители. Наконец, эта технология хорошо подходит в качестве резервного источника питания для объектов, работа которых не может прерываться: АЭС, дата-центров и так далее.
«В отличие от литий-ионных аккумуляторов ванадиевые накопители могут сохранять почти неизменную емкость даже по прошествии большого количества циклов эксплуатации — при условии правильного дизайна и обслуживания. В этом смысле польза от нашей модели двойная: во-первых, она помогает изготовителю подобрать оптимальные материалы, которые повысят надежность аккумулятора и замедлят деградацию емкости. Во-вторых, модель подскажет компании, которая обслуживает накопитель, когда и как это сделать — речь идет об исправлении баланса состава электролита, который со временем нарушается», — пояснил соавтор исследования, научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Сергей Парсегов.
Таким образом, предложенная модель поможет реализовать на практике одно из преимуществ ванадиевых проточных аккумуляторов перед другими технологиями накопления энергии. По словам исследователей, сильная сторона их подхода в том, что он не требует большого количества информации о мембране того или иного накопителя. Обычно при моделировании требуется указывать конкретную технологию, габариты и материалы, используемые в системе. Представленное учеными из Сколтеха и их соавторами решение постепенно адаптируется к накопителю в ходе эксплуатации и со временем выходит на высокий уровень точности.
В основе модели лежит очень подробное описание физических процессов в устройстве. Именно оно позволяет достичь высокой точности предсказаний на основании сравнительно небольшого набора входных данных.
«Физическая модель основана на модели, которую мы с коллегами опубликовали ранее по результатам моего диссертационного исследования в Сколтехе, — поделился Пугач. — В прежней модели нужна была детальная информация о свойствах мембраны, а новой этого не нужно, потому что мы встроили дополнительные коэффициенты, которые позволяют подстраивать модель под текущее состояние мембраны».
Модель принимает ряд базовых параметров и при помощи специального алгоритма приводит параметры в соответствие с результатами измерений, полученных в ходе короткого эксперимента. Ранее в Сколтехе предложили выравнивать нагрузку на энергосеть за счет выращивания салата при искусственном освещении в часы наиболее дешевого тарифа для промышленного потребителя электроэнергии. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.