CC BY
33
УДК 620.92
Лагутенков А.А.
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Москва, Россия https://orcid.org/0000-0001-8746-0699
ЭКОНОМИКА ЗЕЛЕНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА БАЗЕ РЕДОКС ЭЛЕМЕНТОВ
Аннотация
В данной статье автором анализируются вопросы использования редокс-батарей в качестве экономически и экологически целесообразного способа хранения электроэнергии; производится обобщенное описание и характеристика редокс-батарей, выявляются эксплуатационные особенности их применения, а также обобщаются достоинства и недостатки их внедрения. В результате выяснено, что редокс-батареи не просто более экономичные и экологичные, но и более долговечные системы, позволяющие обеспечивать долговечное хранение электроэнергии; в то же время, невозможность формирования нормально функционирующих мобильных и портативных систем редокс-батарей хранения снижает перспективу их использования на современном этапе.
Ключевые слова редокс-система, редокс-батарея, «зеленая энергия».
Lagutenkov A. A.,
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,
Moscow, Russia, https://orcid.org/0000-0001-8746-0699
GREEN ENERGY ECONOMY BASED ON REDOX ELEMENTS
Abstract
In this article, the author analyzes the issues of using redox batteries as an economically and environmentally feasible way to store electricity; a generalized description and characteristics of redox batteries are made, operational features of their application are revealed, and the advantages and disadvantages of their implementation are summarized. As a result, it was found that redox batteries are not only more economical and environmentally friendly, but also more durable systems that allow long-term storage of electricity; at the same time, the impossibility of forming normally functioning mobile and portable systems of redox storage batteries reduces the prospect of their use at the present stage.
Key words: redox system, redox battery, green energy.
В современных условиях развития общества, вопросы совершенствования технологий приобретают новейший характер. В результате становления принципов социально-устойчивого развития, наука движется к полномасштабному переходу на возобновляемые источники энергии (далее ВИЭ). Одним из доказательств «положительного» потенциала становится постоянное снижение ВИЭ, причем как солнечных и ветровых, так и водородных; на протяжении семи лет, начиная с 2008 и заканчивая 2015, стоимость такого электричества снизилась на 41% для ветряных установок, на 54% для фотоэлектрических станций, на 64% для бытовых систем. Так, перспектива применение вышеперечисленных в качестве способа выработки энергии увеличивается, в том числе относительно углеродных и атомных источников
[15].
Помимо прочего, на современном этапе, станции, функционирующие по принципу ВИЭ, вырабатывают только 4% от всего потребляемого электричества. Перспектива роста - это высокие объемы финансирования; уже к 2020 году в ВИЭ было инвестировано более 10 млрд. ЫБО; тогда как к 2030 году планируется увеличение выработки электроэнергии до четверти от общего объема [8].
В то же время, необходимо заметить, что центральной современной проблемой применения ВИЭ становится нестабильность вырабатываемой энергии и зависимость от ряда факторов; в качестве примера, эффективность ветряных установок без наличия ветра стремится к нулю - соответственно, зависимость от таковой может привести к потере доступа к электричеству в определенных случаях [9]. Решение данной проблемы - это воссоздание специальных систем хранения электричества, позволяющих использовать его в период отсутствия выработки от ВИЭ [7].
В таком случае, зачастую, используется несколько основных вариантов хранения электроэнергии (рис. 1):
Способы хранения электроэнергии и их сравнительная характеристика
Энергетическая система Количество зарядно-рнрялныи циклов Срок службы-, лет Стоимость кВт* ч (uSo)
Свинцовые □ ккунуляор ш 200-400 J-S 100-500
Литий-ионниг V ЛИТИЙ-поличелныв акн/нулчторы 600-4 МО 5-8 7D0-5000
UFiPoJ н U4T1S012 ДО МО 150-200
- 1-2 юоо
Суперкокдвш: aTüp^i (кониигсры) з1 млк 16ODO-J50OO
ПрсточчыС fortpOt >200000 >20 1Ü0-7M
Рисунок 1 - Наиболее распространенные способы хранения электроэнергии и их сравнительная характеристика [6].
В текущих условиях, наиболее перспективными системами хранения остаются литиево-железно-фосфорные и литиево-титанатные аккумуляторы для использования в транспорте и бытовых устройствах и редокс-батареи для применения в промышленности. По нашему мнению, наиболее перспективным способом хранения энергии сегодня являются именно редокс-батареи.
Функционирование редокс-батареи основано на принципе топливной ячейки, истоки концепции которой исходят к концу 17-го века; причем важно уточнить, что до конца 20-го века, проточные элементы не рассматривались в качестве способа хранения электроэнергии. В процессе масштабирования энергосистем, человечество столкнулось с возможностью эффективной модификации современного оборудования посредством редокс-батарей. В то же время, важно понимать, что такие батареи имеют и ряд недостатков, а именно: низкая плотность хранимой энергии, низкая скорость заряда, а также относительно увеличенная стоимость производства за счет повышенных затрат из-за достаточно больших мембран.
Особую значимость редокс-батареи приобрели именно в период поиска способов регулирования пиковых нагрузок по потреблению электроэнергии в промышленности; с развитием ВИЭ, исследования в области редокс-батарей расширились.
В качестве основных возможностей таких батарей можно выделить:
• возможность накопления большого количества электроэнергии с компенсацией колебаний выработки энергии от ВИЭ;
• возможность снижения пиковых нагрузках при применении в промышленности;
• возможность обеспечения электроэнергией крупных домохозяйств;
• возможность применения в виде электрических установок в транспортных средствах [12].
Функционирование проточных редокс-батарей (рис. 2) действует принципу аналогично заряду
аккумулятора автомобиля, телефона или любого другого устройства - он накапливает энергию и предоставляет возможность хранения с последующим извлечением без потерь; главная их особенность -оптимизация под хранение достаточно большого объема электроэнергии [11].
Типы редокс-батарей
мобильная стационарная
Рисунок 2 - Типы редокс-батарей
В зависимости от представленного типа, в редокс-батарее изменяется плотность энергии - в случае стационарной батареи, плотность энергии низкая, тогда как для портативных устройств она высокая, что объясняется предельными возможностями накопления (чем выше плотность, тем выше напряжение, а также возможность хранения) [14].
Сравнивая редокс-батарею с привычными аккумуляторами, необходимо подчеркнуть, что последние, в отличие от редокс-батареи - это цельные блоки, внутри которых содержатся электроды и определенные вещества, позволяющие вырабатывать электроэнергию; в редокс-батареях же выработка электроэнергии происходит за счет вынесения соответствующего модуля и резервуара сохранения. В связи с этим, редокс-батарея позволяет нарастить мощность, сохраняя ту же емкость [13].
Главная возможность использования редокс-батареи - это долгосрочный накопительный эффект, позволяющий рассчитать емкость блока с химическими элементами (разрядный блок с жидкостью) без необходимости его периодической замены (как это происходит с аккумуляторами, помещаемыми в устройства (например, батарейками)). В связи с этим, использование редокс-батареи рассматривается нами в качестве достаточно экологичного и экономичного способа хранения электроэнергии, в сравнение с другими типами хранящих устройств, что позволяет значительно расширить спектр их применения [1].
Сегодня редокс-батареи используются вкупе с солнечными и ветряными электростанциями; в отечественной практике данный вид батарей является малораспространенным, поскольку доля таких ВИЭ в РФ имеет достаточно малые значения.
Современные темпы развития технологий показывают, что становится возможным увеличение плотности редокс-батарей, а как следствие, увеличивается вероятность применения мобильных редокс-батарей с расширением спектра устройств, в которые они встраиваются [1]. Сегодня самыми распространенными среди редокс-батарей являются ванадиевые батареи, внутренняя концентрация вещества в которых составляет 1-2 моль/л, однако величина хранимой энергии в таких батареях не достигает даже значений жидкого топлива; одним из вариантов преодоления данного фактора является повышение концентрации раствора, что требует применения других средств [4]. В тоже время, большая часть ванадиевых батарей имеет небольшой удельный объем с невозможностью мобильного использования, поскольку водный электролит достаточно сильно увеличивает вес самой батареи [2]. В рамках исследований Массачусетского университета подчеркивается возможность замены ванадия в одном из корпусов на органическое вещество хинон, которое позволяет увеличить экологичность и
одновременно снизить стоимость подобной батареи.
В ванадиевой батарее используется раствор солей ванадия (находящихся в жидкой фазе); некоторые системы, такие как Premium Power и ZBB, в процессе подзарядки выделяют газообразный бром, являющийся достаточно токсичным. В связи с этим, в таких системах применяется специальный механизм металлоорганического соединения выделяющихся газов с их специально организованным хранением.
Редокс-батареи проточного же типа - это некий симбиоз между топливом и аккумулятором, состоящий из двух частей: первая - это мембранно-электродный блок, внутри которого проистекают химические реакции (он разделен на два слоя, каждый из которых характеризуется собственной реакцией (окисление или восстановление) от поступаемого из баков топлива; второй же - это топливные баки, которые хранятся отдельно от самой батареи. Любой химический источник действует по принципу окислительно-восстановительных реакций; внутри проточной батареи, за счет наличия двух резервуаров с электролитом, происходит постоянная перекачка и окисление/восстановление электролита [3].
Одним из главных достоинств такой батареи становится её долговечность - по оценкам отдельных исследований, цикл работы такой батареи может происходить до двухсот тысяч раз, что обеспечивает её бесперебойную работу на десятки лет. Однако, батарея не может быть вечной, поскольку изнашиваются как внутренние элементы батареи, так и деградирует само топливо, снижается герметичность всей батарейной конструкции. Другим её достоинством является разделение мембранно-электродного блока от баков, что позволяет наращивать емкость, не внося изменения в мощность и изменять время цикла (и, также, наоборот, в случае увеличения мощности, могут использоваться увеличенный мембранно-электродные блоки, что, при неизменении емкости баков, приведет к снижению цикла использования батареи).
Использование редокс-батарей также предполагает учет множества факторов: необходимость оптимизации разности электродных потенциалов окислительно-восстановительной реакции; обеспечение температурной стабильности и исключение условий влияния температур ниже -30 °C [3]; обеспечение защиты от коррозии, которая способна привести батарею в непригодность [10]. В совокупности с низкой плотностью батарей, это требует существенного управления процессами их использования.
Несмотря на это, главными преимуществами редокс-батарей являются:
1. Высокий срок службы с низкой ценой энергии в рамках хранения в один жизненный цикл;
2. Независимость емкости и мощности с возможностью их изменения;
3. Высокие показатели КПД, которые также, параллельно изменению емкости и мощности, изменяются [14].
Вместе с тем, необходимо подчеркнуть, что, хотя обслуживание редокс-батарей позволяет снизить расходы, затраты на их воссоздание капитально превышают показатели обслуживания. Это объясняется тем, что редокс-батареи по собственной структуре аналогичны целому производственному цеху, в котором воссоздается система охлаждения, управления, а также устанавливаются все соответствующие компоненты. Однако, в случае беспрерывного функционирования на протяжении 20-ти лет, применение редокс-батарей становится экономически целесообразным (в сравнении с применением стандартных аккумуляторов).
В случаях истечения срока службы и приведения в негодность отдельных элементов редокс-батареи, они могут легко быть заменены на новые, что позволяет повысить срок её использования в производственном процессе. По сути, при организации должного обслуживания, её можно назвать вечной системой, в которой периодически необходимо изменять изнашиваемые компоненты для обеспечения непрерывного функционирования.
Сегодня технологии разработки редокс-батарей достигли максимальных значений в собственном
развитии - результат, создание гибридной системы с высокой плотностью энергии [5]. Главное современное ограничение - это низкая плотность, а также сложность обеспечения достаточным количеством энергии в виде резервуара, что не позволяет делать редокс-батарею мобильной или уж тем более портативной - это достаточно сильно сужает круг возможностей её использования.
Таким образом, резюмируя все вышеизложенное необходимо подчеркнуть, что сегодня редокс-батареи действительно могут рассматриваться в качестве перспективного способа долговечного хранения электроэнергии с относительно низкой ценой и сниженными показателями воздействия на окружающую среду; в то же время предельные возможности их использования сегодня малоразвиты - в большей части случаев применяются только стационарные решения, экономическая и экологическая эффективность достаточно высока (что объясняется низкой стоимостью одного цикла хранения электроэнергии, широкими эксплуатационными возможностями с периодическим обслуживанием, а также возможностью использования на протяжении долгих временных интервалов). Однако, невозможность формирования нормально функционирующих аналогичных по качеству, цене и экологичности мобильных и портативных систем хранения снижает перспективу использования редокс-батарей. Так, современная ситуация сводится к необходимости и целесообразности поиска новых способов обеспечения их мобильности и портативности, что позволит, безусловно, расширить практики их применения, а как следствие, популяризирует данную систему, что станет одним из источников повышения экологичности хранения электроэнергии.
Список использованной литературы:
1. Годяева М.В. Проточные батареи на основе органических редокс-систем для крупномасштабного хранения электрической энергии// Электрохимическая энергетика. - 2021. - № 2. - С. 23-30.
2. Кулакова Т.Н. Современные электрохимические системы аккумулирования энергии// Kimya Problemleri. - 2018. - № 5. - С. 30-40.
3. Петров М. М., Модестов А. Д., Проточные редокс-батареи: место в современной структуре электроэнергетики и сравнительные характеристики основных типов// Успехи химии. - Том 90, выпуск 6.
- 2021. - С. 677-702.
4. Редокс-аккумуляторы запасают «чистую» энергию. Режим доступа: https://mastergrad.com/blogs/post/9632/ (дата посещения 31.01.2021)
5. Российские химики предложили новую конструкцию проточных батарей. Режим доступа: New-Science.ru https://new-science.ru/rossijskie-himiki-predlozhili-novuju-konstrukciju-protochnyh-batarej'/ (дата посещения 31.01.2021)
6. «Development of redox flow batteries. A historical bibliography», by Bartolozzi M., J. Power Sources. - 1989.
- V. 27. - P. 219-234.
7. «Highly water-soluble three-redox state organic dyes as bifunctional analytes», Carretero-González J., Castillo-Martínez E., Armand M., Energy & Environmental Science. 2016. Vol. 9, № 11. P. 3521-3530.
8. «Redox flow batteries for the storage of renewable energy: a review», by P. Alotto, M. Guarnieri, F. Moro // Renew. Sust. Energy Rev. - 2014. - V. 29. - P. 325-335.
9. «The Wind Turbine Failures Behind Europe's Energy Crisis Are a Warning for America», by D. Roche, 10/27/21 https://www.newsweek.com/wind-turbine-failures-europe-energy-crisis-warning-america-fossil-fuels-1643011
10.Ma T, Pan Z., Miao L., Chen C, Han M., Shang Z., Chen J.Porphyrin-based symmetric redox-flow batteries towards coldclimate energy storage // Angewandte Chemie International Edition. 2018. Vol. 130, № 12. P. 32123216.
11.Nozaki T. Redox flow battery / T. Nozaki, T. Ozawa, H. Kaneko and A. Kidoguchi // Jpn. Pat. 6124 172, 1986. 12.Obama B. The irreversible momentum of clean energy // Science. 2017. Vol. 355. P. 126-129.
13.Perry M. L., Darling R. M., Zaffou R. High Power Density Redox Flow Battery Cells // ECS Transactions. 2013. Vol. 53, № 7. P. 7-16.
14.Singh N. Levelized cost of energy and sensitivity analysis for the hydrogene-bromine flow battery / N. Singh, E. W. McFarland et al // J. Power Sources - 2015 - V. 288 - P. 187-198.
15.The irreversible momentum of clean energy, B.Obama, Jan 2017, D0l:10.1126/science.aam6284
© ^aryTeHKOB A.A., 2022
УДК 620.92
Лагутенков А.А.
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Москва, Россия, https://orcid.org/0000-0001-8746-0699
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (CSP)
Аннотация
В данной статье автором анализируются вопросы практики развития использования концентрированной солнечной энергии (CSP) как способа повышения энергоэффективности возобновляемых источников энергии. Кроме того, подчеркивается, что современная ситуация, связанная с экологией, требует отказа от «грязных» технологий с переходом на возобновляемые источники энергии. Особую перспективу здесь имеет CSP, активное развитие которого прогнозируется на 2050 год. Отмечается, что CSP являются надежными технологиями, которые обладают большим потенциалом как устойчивые источники получения энергии. В статье главным образом анализируются особенности применения CSP, а также подчеркивается перспективность данных процессов.
Ключевые слова:
ВИЭ, зеленая экономика, экология, CSP, концентрированная солнечная энергия, зеленая энергетика, солнечная энергия.
Lagutenkov A.A.,
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,
Moscow, Russia, https://orcid.org/0000-0001-8746-0699
ECONOMIC STUDY OF CONCENTRATED SOLAR POWER (CSP)
Abstract
In this article, the author analyzes the practice of developing the use of concentrated solar energy (CSP) as a way to improve the energy efficiency of renewable energy sources. In addition, it is emphasized that the current situation related to the environment requires the abandonment of "dirty" technologies with the transition to renewable energy sources. CSP has a special prospect here, the active development of which is predicted for 2050. It is noted that CSP are reliable technologies that have great potential as sustainable energy sources. The article mainly analyzes the features of the application of CSP, and also emphasizes the prospects of these processes.
Key words:
RES, green economy, ecology, CSP, concentrated solar energy, green energy, solar energy.
