Железно: как стартап из Бостона разработал новый способ длительного хранения энергии

В борьбе за устранение нагревающих планету выбросов углерода ключевой технологией стали перезаряжаемые литийионные аккумуляторы. С ними электромобили в состоянии преодолевать на одном заряде свыше 480 км. В них можно сберегать достаточно энергии, чтобы долгие часы питать миллионы домов. 

Однако если устройства некачественные, они могут также перегреваться и провоцировать пожары с токсичными химическими выбросами. Данные аккумуляторы не всегда отличаются надежностью и в случае с электромобилями не обеспечивают заявляемую некоторыми производителями дальность хода. Также они дорогие: судя по данным аналитического агентства Trading Economics, карбонат лития стоит более $37 600 за т. К тому же они удерживают энергию только несколько часов, а не дней. Так что в облачную и безветренную погоду масштабировать возобновляемые источники крайне затруднительно.

Вот почему бывший вице-президент подразделения Tesla по стационарным энергоустановкам Матео Харамильо сосредоточился на изготовлении аккумуляторов из железа ― распространенного и дешевого материала, который стоит всего $115 за т. 46-летний предприниматель утверждает, что его бостонский стартап под названием Form Energy разработал железно-воздушные аккумуляторы, в которых электроэнергию можно хранить не менее 100 часов, то есть гораздо дольше, нежели четыре-шесть часов в крупногабаритных литийионных сборках.

«В мире есть железо, потом все остальное, различие на целый порядок величин, ― рассказывает Харамильо Forbes USA. ― Наличие аккумулятора на основе железа означает, что масштабировать эксплуатацию можно сколько угодно. Ограничений по исходному материалу нет».

Аккумуляторы от Form Energy — на основе железных анодов. Чтобы вывести разработку на коммерческий рынок, фирма привлекла свыше $810 млн от таких инвесторов, как Breakthrough Energy Ventures Билла Гейтса, TPG и Energy Impact Partners. Но Харамильо поясняет, что в ближайшее десятилетие литийионные носители будут по-прежнему дешеветь, и заместить их не стремится. Он намерен конкурировать с газовыми генераторами, от которых электросеть питается во время повышенной нагрузки, например в продолжительные периоды сильной жары.

Харамильо нацелился на сектор мирового энергосберегательного рынка, обороты которого в прошлом году составляли $430 млрд, и, по оценке аналитического агентства Global Market Insights, через 10 лет могут достичь $1,7 трлн. Помимо аккумуляторов отрасль также включает энергию гидроэлектростанций и прочие технологии, не связанные с аккумуляторами. По мнению исследователей, стоимость модернизации американской энергосистемы, чтобы в ближайшие годы и десятилетия она обеспечивала большую долю электричества из возобновляемых источников и располагала куда более внушительным резервом для его хранения, колеблется от $5 трлн до $21 трлн.

Чтобы достичь поставленной цели, сейчас Form Energy строит свою первую фабрику стоимостью $760 млн на месте старого сталелитейного завода в Уиртоне, что в штате Западная Виргиния. У местных властей на стимулирование подобных проектов выделено до $290 млн. К 2025 году компания рассчитывает начать поставки железно-воздушных модулей отраслевым клиентам в лице Xcel Energy и Georgia Power.

Электричество про запас

Стремясь к 2035-му дойти до 100%-ной отметки в производстве чистой энергии, бизнес активно строит во многих штатах солнечные электростанции и ставит ветряные турбины. Но солнце светит не всегда, ветер тоже не дует постоянно, а потому возникает необходимость хранить энергию и штатно питать сеть, когда электричества генерируется меньше.

Аккумуляторы ― не единственная альтернатива, зато их можно применять везде. Этого нельзя сказать об относительно более дешевых вариантах вроде гидроэлектроэнергии или хранения сжатого воздуха. В первом случае вода за счет избыточного электричества перекачивается в резервуар на более высоком уровне и затем спускается в более низкое хранилище, вращая турбины, а во втором ― избыточная энергия идет на сжатие воздуха и его закачку в пустые газовые резервуары и другие подземные пустоты, откуда он потом выпускается и тоже питает турбины. На сегодняшний день самым популярным способом сбережения энергии являются литийионные аккумуляторы.

По оценкам Управления энергетической информации, в конце 2022 года Соединенные Штаты располагали крупногабаритными аккумуляторами на 22,4 ГВт·ч. Мощности почти полностью состояли из литийионных носителей, и больше всего их приходилось на масштабные установки в Калифорнии и Техасе. Этой энергии хватит на то, чтобы питать приблизительно 20 млн домов. К периодам жаркой погоды в текущем году эти два штата подготовлены лучше остальных именно благодаря быстрому наращиванию объемов резервного аккумуляторного хранилища.

«Просто литийионные аккумуляторы легко закупать и устанавливать. Это решение на сегодня, но не уверен, что оно будет актуально в будущем, ― отмечает эксперт Майкл Уэббер, преподаватель Техасского университета в Остине. ― Трудность, которую мы в настоящее время готовимся решать, ― это безветренные облачные дни». Сам он называет это «проблемой 5–11 дней».

Уэббер также является техническим директором в фирме Energy Impact Partners, которая вкладывается в Form Energy. Он заявляет, что большинство энергетических предприятий пользуется оптимизированными аккумуляторами, работающими на полную мощь с 16:00 до 20:00, когда возрастает нагрузка в сети, а выработка из возобновляемых источников сокращается. В данном случае литийионные носители справляются хорошо, поскольку хранящуюся энергию можно быстро доставить потребителю. Тем не менее сети требуется также вариант хранения на более продолжительный срок.

«Я бы сравнил это с мышцами организма: одни сокращаются быстро, другие ― медленно. Первые задействуются во время забега, а другие отвечают за выносливость. Литийионные носители ― это как быстросокращающиеся мышцы. Они важны для быстроты реакции, но на определенном этапе вы выдохнетесь и придется переключаться на другие мышцы, и это совсем другое дело», ― рассуждает эксперт.

Аккумуляторы против природного газа

Система Form Energy рассчитана на конкуренцию с генераторами природного газа, которые отлично подходят для того, чтобы увеличивать объемы выработки электричества на покрытие ежедневной потребности, и сейчас являются для этого основным решением. А если энергии нужно больше? Тогда нужно жечь больше газа. Чтобы добиться поставленной цели, фирма Харамильо должна предложить безопасную и недорогую систему, которая не только сможет ликвидировать выбросы углерода, но и будет в состоянии конкурировать по стоимости с газовыми установками.

Компания стремится поставлять аккумуляторные модули по $20 за кВт·ч ― цифра близка к стоимости эксплуатации систем на основе природного газа (кроме затрат порядка $300 млн на их сооружение). Для сравнения, сейчас литийионные аккумуляторы стоят примерно $150 за кВт·ч, хотя к концу текущего десятилетия цены могут упасть на 50% или даже больше.

Хэлли Чизман, директор программы в Агентстве передовых исследований в области энергетики (ARPA-E), которое выдает федеральные гранты на перспективные технологии по хранению энергии, полагает, что аккумуляторная система длительной эксплуатации по $20 за кВт·ч будет для энергетических предприятий весьма привлекательным предложением. В 2019 году Form Energy получили $2,9 млн на проектирование водно-серной системы сбережения электроэнергии (в 2021-м от технологии решили отказаться).

Но многое зависит еще и от того, надолго ли аккумуляторов нового типа будет хватать. В компании считают, что фирменными установками можно будет пользоваться 10 лет, а Харамильо уверен, что срок их службы потенциально можно довести и до 20.

«Аккумуляторы, особенно перезаряжаемые, ― в значительной степени термодинамически неустойчивые системы. Если сложить их вместе, то они начинают деградировать, ― рассуждает специалист Роберт Костецки, директор отдела накопителей энергии Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. ― Насколько хорошо можно контролировать процесс деградации вне зависимости от конкретного химического состава? Возможно, они сделаны из дешевых компонентов, но если элементы деградируют слишком быстро, то итоговая стоимость окажется астрономической».

Железо и воздух

Железно-воздушные аккумуляторы оказались гораздо дешевле из-за особенностей функционирования и применения недорогих материалов. «По сути, это аккумулятор на базе ржавчины: железо в качестве анода и воздух в качестве катода, ― говорит Чизман из Агентства передовых исследований в области энергетики. ― В плане исходной стоимости трудно представить два материала дешевле железа и воздуха».

Аккумулятор работает следующим образом: пористая железная пластина погружается в водный раствор электролита, и начинается электрохимический цикл, который в компании называют «обратимым» ржавлением. По мере генерирования электричества аккумулятор поглощает кислород из воздуха и окисляет железо ржавчиной. Во время зарядки поступающий электрический ток превращает ржавчину обратно в железо, а аккумулятор выделяет кислород. Однако само железо никуда не расходуется, так что аккумуляторы получаются очень долговечными.

Подобные железно-воздушные батареи можно делать такими же небольшими как литийионные носители, но поскольку они рассчитаны на стационарное применение, а не использование в автомобилях, то размер имеет куда меньшее значение. Аккумуляторная сборка от Form Energy, оснащенная множеством отдельных элементов, будет помещаться в 12-метровый контейнер и содержать 5 МВт электроэнергии, которых хватит на питание 3750 домов. Риск возникновения пожара крайне низок, поэтому сборки можно ставить вплотную друг к другу или даже одна на одну.

Железо–воздух ― лишь одно из многих возможных сочетаний, которое ученые и стартапы рассматривают для удержания электричества на продолжительные периоды времени. Существует также вариант технологии проточных батарей, в которых химические компоненты растворяются в жидкости и перекачиваются через разные стороны мембраны (в них, например, используется ванадий), а еще есть железные проточные батареи, которые выпускает конкурирующая с Form Energy фирма ESS. Перспективным направлением разработок являются и аккумуляторы на основе натрия и цинка. В настоящее время инженеры всех этих проектов утверждают, что их комплекты могут сберегать энергию приблизительно 12 часов. Это куда меньше, чем 100 часов, которые обещают Form Energy.

Однако Костецки из лаборатории в Беркли считает, что сделать это при низких затратах будет непросто, ведь в реальных условиях период эксплуатации пока не определялся.

Тейлор Келли, старший технический руководитель Института электроэнергетических исследований (EPRI), заявляет, что модифицированные литийионные батареи тоже имеют потенциал сбережения энергии на более долгий срок, нежели версии, доступные на рынке сегодня.

«Так сложилось, что литийионных аккумуляторов хватает на четыре часа, а значит, столько в них и закладывают», ― говорит Келли. Но она также добавляет, что в ходе недавней телефонной конференции Калифорнийской энергетической комиссии по 10-часовым системам хранения энергии «верх одержали литийионные батареи, поэтому мы видим, что они в состоянии обеспечивать более продолжительную работу».

С учетом получаемого финансирования и перехода за последние 18 месяцев к коммерческому производству Харамильо считает, что Form Energy имеет все шансы выйти на рынок долгоиграющих разработок от конкурентов и вырваться вперед. Но Костецки пока не может точно сказать, какая из них окажется наилучшим вариантом.

«Мы не знаем наверняка, пусть и радует то, что люди двигают прогресс и начинают работать над устранением недочетов в плане химии и процесса изготовления, ― заключает эксперт. ― Но возможно ли реализовать это в тераваттном разряде? Нам пока неизвестно».

Перевод Антона Бундина