Будучыня будзе працаваць на батарэях

Усярэдзіне гонкі з высокімі стаўкамі стварыць лепшае прыстасаванне для захоўвання энергіі.

Грыст / Амелія Бейтс

Аўтар: Амелія Уры

Акумулятар можа стаць найменш сэксуальным творам, які калі-небудзь вынайдзены. Недахоп гламуру асабліва прыкметны на ніжніх паверхах матэрыялазнаўчага аддзела MIT, дзе адна лабараторыя, прысвечаная будаўніцтву і выпрабаванню чарговага зменлівага ў свеце прылады захоўвання энергіі, можа быць лёгка прынята за шафу для захоўвання.

На заднім цесным пакоі Дональд Садауэй, серабрысты электрахімік у аздабленні з чорным паласатым касцюмам і дарагім абуткам, перакопвае пластыкавую ванначку з дэталяў, як дзіця ў пошуках канкрэтнага Лега. Ён усталёўвае на стол пару прадметаў, кожны аб памеры і форме банкі з супам з усёй уласцівай драматургічнай вазе.

Нездарма гэта так цяжка прымусіць каго-небудзь усхваляваць батарэі. Але гэтыя папяровыя вагі - яно, батарэі - могуць стаць тэхналогіяй, якая рэвалюцыянізуе нашу энергетычную сістэму.

Таму што батарэі не проста сумныя. Шчыра кажучы, яны нейкія смакталі. У лепшым выпадку батарэі, якія сілкуюць наша паўсядзённае жыццё, проста непрыкметныя - рэзервуары сілкавання, якія лёгка зліваюцца, запакаваны ў смартфоны, камп'ютэры і машыны. У горшым выпадку яны дарагія, цяжкія, гаручыя, складана іх правільна выкідваць, і схільныя да гібелі на холадзе альбо прасочвання агрэсіўнай вадкасці. Нават калі прылады, якія яны працуюць, становяцца зграбшымі і разумнейшымі, акумулятары ўсё яшчэ чакаюць наступнага абнаўлення. Кампутарныя працэсары, прыблізна падвойваюць сваю магутнасць раз у два гады; батарэі могуць выпрабаваць толькі некалькі працэнтных пунктаў паляпшэння за столькі ж разоў.

Раннія ўзоры батарэйнай батарэі Sadoway. Жорст / Амелія Уры

Магчыма, самая вялікая праблема літый-іённых батарэй заключаецца ў тым, што яны зношваюцца. Падумайце пра свой акумулятар тэлефона пасля таго, як за некалькі гадоў ён расходваўся да 1 працэнта, а потым зараджаўся да 100. Такая глыбокая разрадка і падзарадка патрабуюць фізічнага ўздзеяння і з часам страцяць працу акумулятара.

Такім чынам, мы пратэрмінаваны па новай батарэі, і даследчыкі па ўсім свеце імчацца, каб атрымаць нам адзін, канкуруючыя падыходы і тэхналогіі змагаюцца за першае месца. Некаторыя з іх ідэй падобныя на тое, што мы ніколі не падключалі да сеткі - усё роўна не зусім сэксуальна, але, безумоўна, дзіўна. Вадкія батарэі. Акумулятары з расплаўленага металу, якія працуюць так жа горача, як аўтамабільны рухавік. Батарэі, сакрэтным інгрэдыентам якіх з'яўляецца марская вада.

Усё гэта частка новай касмічнай гонкі - калі менш яркая, чым, ведаеце, космас.

Грыст / Амелія Бейтс

Проста дадайце батарэі

У добрай батарэі ёсць некалькі рэчаў, але дзве неабходныя: яна павінна быць надзейнай, і яна павінна быць таннай.

"Самая вялікая праблема ўсё яшчэ застаецца ў кошце", - кажа Эрык Ролфінг, намеснік дырэктара па тэхналогіі ARPA-E, аддзел Міністэрства энергетыкі, які вызначае і фінансуе перадавыя даследаванні і распрацоўкі. У даследаванні Nature ў 2012 годзе ўстаноўлена, што сярэднестатыстычны амерыканец гатовы плаціць прыблізна 13 долараў штомесяц, каб гарантаваць, што ўвесь электразабеспячэнне ў ЗША працуе на аднаўляльных крыніцах. Такім чынам, батарэі не могуць дадаць шмат рахункаў за электрычнасць.

Для камунальных службаў гэта азначае забеспячэнне назапашвання энергіі на ўзроўні сеткі, якое абыдзецца ім менш за 100 долараў за кілават-гадзіну. З моманту заснавання прэзідэнтам Абамы ў 2009 годзе ARPA-E накіравала 85 мільёнаў долараў на распрацоўку новых батарэй, якія могуць дасягнуць гэтай мэты.

"Людзі называюць нас вар'ятамі", - кажа Ролфінг. Гэтае даследаванне было недарэчна нізкім для галіны, якая яшчэ не бачыла блізкага боку ў памеры 700 долараў за кілават-гадзіну, калі яны пачыналі працу, згодна з адным з даследаванняў электраакумулятараў, апублікаваным у Nature. Але, нягледзячы на ​​тое, што яшчэ не дасягнута, 100 долараў за кВт.гадз з'яўляецца стандартнай мэтай для ўсёй галіны, кажа Ролфінг. Апусціцеся ніжэй, здаецца, і вы можаце не толькі канкураваць - вы можаце перамагчы.

Bloomberg New Energy Finance

І вось, што лепш выйграць батарэю: больш чыстая, надзейная сістэма харчавання, якая не разлічвае на выкапнёвыя віды паліва і больш трывалая ў загрузцы.

Кожны раз, калі вы перагортваеце выключальнік святла, вы націскаеце на гіганцкую нябачную павуціну, электрычную сетку. Дзесьці, на другім канцы высакавольтных ліній электраперадачы, якія пераносяць электраэнергію да вашага дома, ёсць электрастанцыя (хутчэй за ўсё, спальванне вугалю ці, усё часцей, прыродны газ), якая выкідвае электрычнасць, каб замяніць электроны, якія вы і ўсе астатнія зліваеце ў гэтым момант.

Колькасць энергіі ў нашай сетцы ў любы момант старанна падтрымліваецца - занадта шмат ці занадта мала, і ўсё пачынае ламацца. Аператары сеткі вырабляюць дбайныя назіранні і прагнозы, каб вызначыць, колькі электрастанцый павінна вырабляць па хвілінах, гадзінах за гадзінай. Але часам яны памыляюцца, і расліна павінна спяшацца, каб палепшыць сітуацыю.

На наш шчасце, гэта вялікая ўзаемазвязаная сістэма, таму мы рэдка заўважаем змены ў якасці або колькасці электраэнергіі. Уявіце розніцу паміж тым, як трапіць у вядро вады і ступіць у акіян. У невялікай сістэме любое змяненне балансу паміж попытам і прапановай відавочнае - вядро перапаўняе. Але паколькі сетка такая вялікая - падобная да акіяна - ваганні, як правіла, незаўважныя. Толькі калі нешта ідзе не так, мы заўважаем, таму што гаснуць агеньчыкі.

Аднаўляльныя крыніцы энергіі менш паслухмяныя, чым электрастанцыі, якія працуюць на вуглях і газах - вы не можаце проста запусціць сонечную ферму, калі попыт раптам аслабее. Пік сонечнай энергіі днём змяняецца, калі хмары рухаюцца па сонцы і знікаюць ноччу, у той час як энергія ветру яшчэ менш прадказальная. Занадта шмат такога перарывістасці ў сетцы можа зрабіць яго больш цяжкім балансам попыту і прапановы, што можа прывесці да большага адключэння.

Захаванне энергіі - гэта ахоўны клапан. Калі вы змаглі дзесьці скінуць лішнюю энергію, то чэрпайце яе, калі харчаванне зноў паменшыцца, вы зможаце зарабіць значна больш рэчы з аднаўляльнай энергіяй, нават калі сонца не свеціць і вецер не дзьме. Больш за тое, сама сетка становіцца больш стабільнай і эфектыўнай, бо акумулятары дазваляюць супольнасцям і рэгіёнам самастойна кіраваць харчаваннем. Наша старэчая і перанаселеная энергетычная інфраструктура пайшла б значна далей. Замест таго, каб усталёўваць новыя лініі электраперадач у месцах, дзе існуючыя лініі амаль не маюць магутнасці, вы можаце падсіліць электраэнергію ў час непрацоўных пікаў і скласці яе ў батарэі, пакуль вам гэта не спатрэбіцца.

Проста так, вядро можа паводзіць сябе нашмат больш, як акіян. Гэта будзе азначаць - прынамсі тэарэтычна - больш размеркаванае выраб і захоўванне электраэнергіі, больш аднаўляльных крыніц энергіі і меншая залежнасць ад гіганцкіх электрастанцый, якія працуюць на выкапні.

Такім чынам, таму гэтая рэч з акумулятарам - гэта вялікая здзелка.

Жорст / Амелія Уры

Падагрэў

"Акумулятар будзе рабіць для ланцуга паставак электраэнергіі тое, што халадзільнік зрабіў для нашай сеткі харчавання", - гаворыць Садоуэй са свайго офіса ў Масачусецкім тэхналагічным інстытуце, куды больш прасторны, чым у батарэі.

Гэтыя каністры, якія ён мне паказаў, былі раннімі прататыпамі клетак для "вадкага металічнага акумулятара", якія ён пачаў даследаваць дзесяць гадоў таму.

"Я пачаў працаваць на акумулятарах толькі таму, што звар'яцеў ад машын", - кажа мне Садоуэй. (Ягоны рабочы стол - старадаўняя спартыўная машына, якую ён прадаў некалькі гадоў таму. Ён трымае здымак так, як запомніцца сямейнаму гадаванцу.) У 2005 годзе ён зрабіў тэст-драйв на раннім электрамабілі Ford і закахаўся. "Я зразумеў, што адзіная прычына, калі ў нас няма электрамабіляў, - гэта тое, што ў нас няма акумулятараў".

Так Садоуэй пачаў думаць. У яго быў досвед працы з дапрацоўкай алюмінія, і ён задаўся пытаннем, ці можа гэта быць узор для новага, неправаслаўнага віду акумулятара. Выплаўка алюмінія - гэта танны, энергаёмісты працэс, з дапамогай якога вычышчаны метал выкідваецца з руды. Але калі гэты аднабаковы працэс удалося падвоіць і перавязаць на сябе, магчыма, велізарная колькасць энергіі, якая паступае ў расплаўлены метал, можа быць захавана там.

У чымсьці гэта вар'яцка - расплаўлены акумулятар павінен працаваць каля 880 градусаў F, толькі крыху прахалодней камеры згарання аўтамабіля. Але гэта таксама дзіўна простая канцэпцыя, прынамсі электрахіміку. Аказваецца, сабраць клетку з вадкага металічнага акумулятара проста так проста, як апусціць металічную заглушку, складзеную з двух сплаваў рознай шчыльнасці, у посуд і насыпаць крыху солі. Калі ячэйка падключаецца, два металы плавяцца і дзеляцца на два пласта аўтаматычна, як алей для салаты, які плавае на воцаце. Расплаўленая соль утварае пласт паміж імі, праводзячы электроны туды і назад.

Але нават з перспектыўным пачаткам распрацоўкі новай батарэі - гэта глазурава павольны працэс, кажа Садауэй. Ранняе фінансаванне ARPA-E і французскага нафтавага гіганта Total дапамагло яму здабыць ідэю, але правядзенне даследаванняў на працягу многіх гадоў, неабходных для стварэння любой новай тэхналогіі, дарагое. Венчурныя капіталісты саромеюцца рэалізацыі інжынерных праектаў, калі існуе вельмі шмат стартапаў праграмнага забеспячэння, якія абяцаюць хуткую прыбытак.

"У любой індустрыі, якая займае капітал, прамысловасць стаіць на шляху інавацый", - заявіў Садауэй.

Ён кажа, што дзеючыя кампаніі-акумулятары занадта шмат уклалі ў статус-кво, каб дапамагчы яму, - кажа ён. Ён адзначае, што літый-іён па-за межамі створанай галіны акумулятараў таго часу. наступная батарэя павінна будзе зрабіць тое ж самае.

Расплаўлены металічны акумулятар ужо даўно перабраўся з падвальнага памяшкання. У 2010 годзе Садауэй запусціў акумулятарную кампанію Ambri з некалькімі сваімі былымі студэнтамі, затым перавёз штаб-кватэру ў вытворчы цэх за 30 міль на захад ад Кембрыджа ў горад Марлбаро. Зараз у "Амбры" працуе каля 40 чалавек і ён займаецца стварэннем прататыпа акумулятараў з сотні расплаўленых металічных элементаў.

Садоуэй кажа, што Амбры прайшло менш за год ад разгортвання сваіх першых камерцыйных мадэляў. Да гэтага часу ўсе прыкметы спадзяваліся. На вытворчым прадпрыемстве некаторыя выпрабавальныя клеткі працавалі і працуюць ужо амаль чатыры гады, не выяўляючы прыкмет зносу. Зборка акумулятараў, якая складаецца з 432 асобных элементаў, стала больш складанай. Але пасля таго, як прасаваць некаторыя назойлівыя праблемы з цеплавымі ўшчыльняльнікамі, акумулятарныя батарэі могуць дасягнуць самастойнай працоўнай тэмпературы, дастаткова гарачай для зарадкі і разраду без лішняга ўводу энергіі. Цяпер Амбры знаходзіцца ў цэнтры прыцягнення чарговага раунда фінансавання, дастатковага для дасягнення гатовага рынкавага рэжыму вытворчасці.

Калі я выходзіў з дзвярэй, я кажу, што пры ўсёй складанасці і затрымцы, падобна, гэты акумулятар сапраўды можа быць блізкім. "Я спадзяюся, што так", - адказаў Садауэй, выглядаючы амаль разгублена. "Магчыма, гэта ўсё. Я хацеў бы гэта ўбачыць. "

Грыст / Амелія Бейтс

Поле шматлюднае

Расплаўлены металічны акумулятар - не адзіная апаратная батарэя. Гэта нават не відавочны пярэдні бег. Іншыя тэхналогіі ідуць насустрач, спакойна і без фанфараў, ад "жалезных батарэй" да цынкавых і літый-паветраных гатункаў.

Як і праект Sadoway, многія з гэтых неправераных тэхналогій першапачаткова фінансуюцца грантамі ARPA-E. "Гэта вельмі раннія стадыі, высокарызычныя тэхналогіі", - кажа намеснік дырэктара агенцтва Ролфінг. "Мы робім шмат удараў па варотах".

Адным з асабліва перспектыўных канкурэнтаў у барацьбе з батарэямі з'яўляецца пітсбургская кампанія Aquion, заснавальнік якой, прафесар Карнегі Меллон Джэй Уітакрэ, створаны ў 2008 годзе для распрацоўкі самай таннай і надзейнай батарэі.

У выніку нешта размоўна называюць "акумулятарам з марской вадой". Выглядае, больш-менш, як бункер для гумак, поўны марской вады. Усе матэрыялы, якія ўваходзяць у батарэі Aquion, маюць багатыя і лёгка атрымліваюцца элементы: ад солі да нержавеючай сталі да бавоўны. Больш за тое, ні адзін з гэтых матэрыялаў не нясе рызыкі літый-іённай батарэі.

"Наша хімія вельмі простая", - заявіў Мэт Мэраун, віцэ-прэзідэнт кампаніі "Акіён" па кіраванні прадуктам. "У нашай батарэі няма нічога гаручага, таксічнага або з'едлівага".

Энергія Акіёна

Гэта таксама тупа лёгка сабраць. "Наша асноўная частка вытворчага зборачнага абсталявання выходзіць з галіны харчовай упакоўкі", - кажа Марун. "Гэта просты робат, які можна знайсці ў Nabisco, кладучы крекеры ў блістара."

Акцыённыя батарэі былі на рынку амаль тры гады, усталяваныя як у дамах, так і ў камунальных аб'ектах. У цэлым Aquion мае 35 мегават-гадзін захоўвання, разгорнутых па ўсім свеце ў 250 розных установах. Адзін на Гаваях працуе і працуе два гады; У мінулым годзе паўтара месяца батарэя плюс сонечная сістэма працавала некалькімі будынкамі, не паўстаючы на ​​дызельным генератары.

"Мы павінны атрымаць больш гэтых рэчаў на поле", кажа Ролфінг. "Зараз, калі я ўтыліта або аператар сеткі і хачу набыць сховішча, хачу купіць тое, што ідзе з 20-гадовай гарантыяй. Тэхналогіі, пра якія мы гаворым, яшчэ не знаходзяцца.

Але яны набліжаюцца. Іншы праект, які фінансуецца ARPA-E, "Сістэмы захоўвання энергіі", альбо ESS, абвясціў у лістападзе мінулага года, што ён устанавіць адну з сваіх батарэек з жалезамі ў рамках эксперыменту мікрасетак армейскага корпуса інжынераў на ваеннай базе ў Місуры. ESS таксама ўсталяваў батарэі, каб дапамагчы зарадзіць арганічную вінакурню па-за сеткай у даліне Напа - у гэтым пытанні, як і Aquion. Па меры таго, як усё больш і больш гэтых аднаразовых эксперыментаў аказваюцца паспяховымі - і ўсё больш новых відаў батарэй даказваюць сваю каштоўнасць - магчымасць энергетычнай сістэмы з харчаваннем ад батарэі становіцца крыху бліжэйшай.

Але ці будуць калі-небудзь батарэі, халаднавата? Гэта больш складанае пытанне. Мэт Марун Aquion працуе ў гэтай галіне з 2002 года, неўзабаве пасля заканчэння каледжа. На канферэнцыях Maroon часта быў самым маладым чалавекам у пакоі да 30 гадоў. Ён быў упэўнены, што на працягу ўсёй кар'еры ён не стане "батарэяй".

Праз пятнаццаць гадоў ён усё яшчэ хлопец - але ён ужо не самы малады чалавек у пакоі. Больш студэнтаў пачынаюць захапляцца акумулятарамі, і людзі пачынаюць заўважаць.

"Гэта ўсё яшчэ не так крута, як працаваць у Apple," кажа ён. "Але я думаю, што людзі ўсведамляюць яго значэнне, і гэта робіць яго крутым".

"Ці я спадзяюся, што", смяецца ён. "У мяне ёсць 9-гадовая дачка. Таму я хацеў бы папрацаваць над тым, што калі-небудзь здаецца ёй крутым. Гэта мая канчатковая мэта ”.

Першапачаткова апублікавана на grist.org 21 лютага 2017. Хочаце, каб Grist у паштовай скрыні? Падпішыцеся на рассылку.