А дальше на батарейках

А дальше – на батарейках...

С. Мучник (Дортмунд)

О проблемах энергетики «Партнёр» пишет регулярно: №№ 7 и 10 за прошлый год, № 1 – за этот. И вывод у нас получился очень даже оптимистический: человечество надолго обеспечено всеми видами энергии. Но осталась незатронутой одна проблема – хранение добытой электроэнергии.

Электроэнергия универсальна – это и свет, и тепло, и движение. Основы электроэнергетики включают производство электроэнергии, ее передачу на расстояние и потребление. Электроэнергию удобно транспортировать от производителя к потребителю, но у нее есть и минус, да такой, что иногда нивелирует все ее достоинства – ее сложно складировать, запасать, аккумулировать. Электроэнергию надо использовать сразу по получении (производству), это – не продукт долговременного хранения, в отличие, например, от газа или угля. Для ее хранения применяют химические аккумуляторы, которые широко используют в технике – от подводных лодок до часов. Но емкость их явно недостаточна для промышленных масштабов, аккумуляторы применяют главным образом на транспортируемом (носимом) оборудовании, однако, скажем, на транспорте они широкого применения не нашли. На одной чаше весов – транспортабельность, на другой – цена, вес, малая емкость, длительная зарядка, быстрое истощение, проблемы утилизации... Для часов, фотокамеры, смартфона альтернативы нет, а вот уже ноутбук мы при первой возможности включаем в сеть. Дайте человечеству достойный аккумулятор – и случится настоящая революция в энергетике! Похоже, именно к этому мы приближаемся.

Опять Маск

Когда речь заходит об инновациях и инноваторах, то в числе первых чаще всего называется Элон Маск, многоликий инженер-предприниматель. Его любимое детище – автомобильная фирма Tesla Motors, производящая тысячи электроавтомобилей высшего качества. И до Маска было немало попыток создать электромобили с аккумулятором, но всё упиралось в недостатки аккумулятора (низкая емкость при большом весе). Автомобиль Tesla Model S способен преодолеть между подзарядками более 400 км, на него стоят в очереди десятки тысяч желающих, но... для Америки и остального мира этого мало, нужен спрос на многие десятки миллионов машин, а рассчитывать на это пока не приходится. Model S остается игрушкой для богатых и будет таковой, пока не появится новая батарея.

Сейчас Маск с участием фирмы Panasonic строит в Неваде гигантскую фабрику по выпуску литий-ионных аккумуляторов Tesla Gigafactory 1. Стоимость проекта – 5 млрд долларов. Планируется снизить стоимость батареи на 30%, при этом запас хода должен возрасти до 650 км. И давать на новые батареи 10-летнюю гарантию. Фабрика сама будет работать на солнечных элементах, а ее годовой продукции должно хватать на полмиллиона автомобилей. Этой цифры предполагается достичь в 2020 году, что составит 1300% роста по сравнению с 2014 годом, и только тогда предприятие станет прибыльным.

Но тут неугомонный Маск, которому всего 44 года, выступил 1-го мая с презентацией очередной своей идеи, тоже связанной с электроснабжением.

Вот что значит инновативное мышление: аккумуляторы еле-еле завоевывают позиции на транспорте, для стационарных устройств они не нужны (казалось бы), ведь есть же электрическая сеть – и вот на эту святая святых домашнего электроснабжения, на электросеть, Элон Маск и покусился!

Он заявил буквально, что «Система от Tesla может стать частью образа жизни, который подразумевает отказ от использования ископаемого топлива». Это чудо называется Tesla Energy и представляет собой литий-ионную аккумуляторную батарею, размещаемую в жилых домах и на фирмах для их энергообеспечения. Маск утверждает, что «...проект должен существенно изменить процесс мирового потребления энергии и энергетическую инфраструктуру». Предлагается несколько типоразмеров такой батареи для разных масштабов потребления, самая маленькая из батарей называется Powerwall, она выполнена в виде компактного контейнера шириной 15 см, который можно разместить где угодно, например, в гараже или на внешней стене дома. Такая батарея предлагается по цене 3,5 тысячи долларов и обеспечивает 10 кВтч, что достаточно для суточного обеспечения резервным электропитанием средней городской квартиры. Более дешевый вариант стоит 3 тысячи долларов при емкости в 7 кВтч. Кроме того, установка и подключение батареи может обойтись еще в 2-3 тысячи долл. Батареи Powerwall готовятся к массовому выпуску. Несмотря на немалую цену их заказано через Интернет уже более 40 тысяч, поставки начинаются этом летом. Их подзарядка будет осуществляться от солнечных батарей. Кстати, рекорд эффективности современных солнечных батарей составляет сегодня 45%. На практике, конечно, пока столько не достигается, но всё же человек уже научился весьма эффективно потреблять солнечную энергию, но... не запасать ее впрок. Вот это узкое место Маск и намерен преодолеть.

Полагают, что спрос на батареи Маска будет максимальным в южных, солнечных регионах. Первыми решатся на нововведение хозяева домов, на которых уже установлены солнечные батареи. Есть также целый ряд учреждений, перебои электроснабжения для которых являются критическими: больницы, диспетчерские на транспорте, военные учреждения, узлы связи, лифты в высотных зданиях и т.п. – все они также потенциальные покупатели Powerwall. Более того, экономию может принести уже использование этих батарей, даже заряжаемых от сети, в пиковое время, когда электроэнергия более дорогая.

Не Маском единым!

На сегодня самыми эффективными аккумуляторами являются литий-ионные, которые обладают рекордной емкостью, но весьма дорогостоящие и пожароопасные. Эти недостатки намерены устранить разработчики алюминиевого аккумулятора из Стэнфордского университета. Они должны быть лучше литиевых батарей по всем показателям, и что особенно важно, по скорости зарядки, которая будет составлять минуты вместо часов. Над проблемой алюминий-ионных аккумуляторов ученые бьются десятилетия, однако ощутимый прогресс наметился лишь в последнее время. Однa из особенностей новой батареи – огромное число циклов зарядки-разрядки, у опытных образцов это число достигло 7500, во много раз больше, чем у существующих литиевых. Она, правда, развивает небольшой потенциал, около двух вольт, но это больше, чем в стандартных батареях АА и ААА, дающих около 1,5 В.

Впрочем, и литий-ионные аккумуляторы можно будет, вероятно, заряжать во много раз быстрее. Такие методы разработал израильский стартап StoreDot (его финансирует среди прочих и Роман Абрамович), который уже продемонстрировал полную зарядку смартфона за пару минут. В следующем году они собираются показать зарядку автомобильного аккумулятора за 5 минут. Детали изобретения пока не раскрываются, известно лишь, что речь идет о глубоко модифицированном литиевом аккумуляторе.

Впрочем, уже создаются и натрий-ионные батареи (натрий – электронный аналог лития). Натриевые соли, используемые в такой батарее, существенно дешевле и безопаснее литиевых.

В малом и большом

Спрос на аккумуляторы стремительно растет, всё больше приборов и машин становятся автономными и «носят» с собой запасенную энергию для работы. Это, конечно, смартфоны и ноутбуки, камеры, бытовая техника (дрели, пылесосы, велосипеды...). Это транспортные средства, например погрузчики и электрокары (наверное, не только автор этой заметки столкнулся еще в давние времена с шустрыми болгарскими автокарами в заводских цехах), автомобили, даже летательные аппараты, от компактных дронов-квадроптеров до самых настоявших самолетов.

Фирма-производитель часов Swatch (а в ней такие знаменитости, как Breguet, Omega, Longines, Tissot и др.) объявила о создании революционного аккумулятора, который сможет запитывать «умные часы» до 6 месяцев. Это кажется невероятным, ибо такие «умные» малыши на самом деле исключительно прожорливы, – новинка, о которой мы недавно писали, Apple Watch, требует подзарядки каждый день. Возможны и не столь революционные, но, тем не менее, вполне многообещающие новации. Например, один немецкий стартап предлагает зарядное устройство, Chargedoubler, способное вдвое увеличить скорость зарядки аккумулятора смартфона.

Отсутствие надежных аккумуляторов сегодня серьезно сдерживает развитие электроэнергетики, в том числе и экологически чистой. Когда выработка электроэнергии зависит от силы ветра или от облачности, становится необходимым иметь демпфирующие устройства, выравнивающие подачу электроэнергии и увеличивающие ее в пиковые периоды.

Это – проблема регионов и целых стран, тут на батарейки не хватит никакого лития. Применяют воду: в гидроаккумуляторах ее закачивают с нижнего уровня на верхний при избытке энергии, с тем чтобы потом, в пиковый период, она стекала вниз, вращая турбины генераторов и отдавая энергию (кто ездил купаться или имел дачу на Киевском водохранилище, видел там гидроаккумулятор Киевской ГЭС). А сейчас в гидроаккумулятор Германии должна превратиться Норвегия. Между странами проляжет высоковольтный подводный кабель длиной более 600 км, по нему из Германии будет передаваться в Норвегию избыток электроэнергии, полученной главным образом на ветроэлектростанциях. Эта энергия будет запасаться в гидроаккумуляторах (гористая Норвегия имеет для этого все условия в отличие от плоский Германии) и в пиковые моменты возвращаться назад. Проект NordLink стоимостью до двух миллиардов евро будет реализован к 2020 году.