Современный мир стоит на пороге энергетической революции, которая направлена на активное внедрение возобновляемых источников энергии. Солнечная и ветровая энергетика стремительно развиваются, но для их эффективной интеграции в энергосистемы необходимы инновационные технологии хранения энергии. Одним из наиболее перспективных решений на сегодняшний день являются проточные батареи, которые способны кардинально изменить подход к накоплению и распределению электроэнергии. Проточные батареи отличаются от традиционных литий-ионных аккумуляторов тем, что энергия в них хранится не в твердых электродах, а в жидких электролитах, находящихся в специальных резервуарах. Такой подход позволяет значительно увеличить время работы батареи и регулировать как мощность, так и общую емкость системы по мере необходимости.
Например, если требуется больше хранилища, достаточно увеличить объем электролита, не меняя при этом саму конструкцию батареи. Одним из ключевых достоинств проточных батарей является их способность обеспечивать длительное хранение энергии, что крайне важно для возобновляемых источников, таких как солнечные и ветровые установки, которые характеризуются переменной выработкой электроэнергии в зависимости от погодных условий и времени суток. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые могут сохранять энергию на протяжении 4-6 часов, проточные батареи способны эффективно работать до 12 часов и более, что делает их идеальным решением для балансировки энергосетей и сокращения зависимости от ископаемого топлива. Пионерами в разработке одной из популярных разновидностей проточных батарей – ванадиевых батарей – стали исследователи из Австралии, возглавляемые Марией Скиллас-Казакос в 1980-х годах. Ванадий имеет уникальное свойство существовать в нескольких степенях окисления в растворе, что позволяет использовать один элемент в обеих половинах батареи, минимизируя проблемы с загрязнением и увеличивая срок службы электролита практически до бесконечности.
За последние десятилетия ванадиевые батареи прошли путь от лабораторных исследований до коммерческого производства в Японии, Китае и Европе. Крупнейшие проекты с использованием ванадиевых проточных батарей уже реализуются в таких странах, как Китай, где открылись масштабные объекты, в том числе самая большая в мире ванадиевая батарея с мощностью 175 МВт и емкостью 700 МВт·ч в городе Далянь. Подобные установки способны обеспечивать устойчивое энергоснабжение больших регионов и служат примером успешного применения современных технологий накопления энергии. В Австралии на рынке проточных батарей тоже происходят важные события. В 2023 году в Южной Австралии была установлена первая мегаваттная ванадиевая проточная батарея, интегрированная с солнечной электростанцией для хранения избыточной энергии и подачи ее в сеть в периоды высокого спроса.
Развитие в этом направлении поддерживается национальной стратегией по развитию батарейных технологий, куда входит финансирование объемом в 500 миллионов долларов на расширение производства как литий-ионных, так и проточных батарей. Одной из главных проблем коммерциализации является обеспечение стабильных поставок ванадия, металл которого подвержен значительным колебаниям цен из-за конкуренции со сталелитейной промышленностью. Однако государственные инвестиции в добычу и переработку критически важных минеральных ресурсов в Австралии стимулируют создание новых шахт и производственных мощностей по выпуску ванадиевого электролита. В частности, производственные предприятия, расположенные в Таунсвилле, уже выпускают ванадиевый электролит, тем самым усиливая позиции страны как потенциального мирового лидера по производству и экспорту этого сырья. Помимо ванадиевых, перспективными для коммерческого применения считаются проточные батареи на основе железа и цинка.
Железные батареи разрабатываются с использованием доступных и недорогих материалов, таких как железо, соль и вода. Это позволяет снизить стоимость производства и избежать зависимости от редких металлов. Однако технологические вызовы, связанные с коррозией и стабильностью электролитов, требуют дальнейших исследований и полевых испытаний, чтобы сделать эти батареи жизнеспособными на практике. Цинково-бромные проточные батареи обладают высокой электрической мощностью и эффективностью, но сталкиваются с проблемой образования дендритов – древовидных отложений, вызывающих короткие замыкания. Решение этой задачи является ключевым этапом для внедрения этой технологии в масштабные энергосистемы.
Развитие проточных батарей неразрывно связано с вопросами финансирования и поддержки со стороны государства и частных инвесторов. На сегодняшний день многие ведущие программы ориентированы в основном на литий-ионные технологии, которые доминируют на рынке из-за масштабного производства и широкого применения в электронике и транспорте. Вместе с тем, чтобы ускорить массовое внедрение проточных батарей и сделать их конкурентоспособными, необходимы значительные инвестиции в научные исследования, обновление производственных мощностей и создание автоматизированных линий сборки. Автоматизация производства способна снизить транспортные и трудозатраты, а также повысить качество и конкурентоспособность готовой продукции на мировом рынке. Австралийские исследовательские коллективы, возглавляемые теми, кто стоит у истоков технологий проточных батарей, активно работают над оптимизацией технологий и внедрением инновационных решений, способных сделать страну одним из мировых лидеров в этой области в ближайшем будущем.
Рост спроса на аккумуляторы в транспортном и энергетическом секторах обусловлен глобальным переходом к электрофикации. Электромобили требуют эффективных и недорогих батарей, а для стабильного обеспечения сетей возобновляемой энергией необходимы долгосрочные и масштабируемые технологии хранения. В этом контексте проточные батареи занимают особое место благодаря своей гибкости, экологической безопасности и потенциалу к значительному снижению стоимости хранения электроэнергии с увеличением емкости. Если обеспечить достаточное финансирование и стратегическую поддержку, проточные батареи могут стать краеугольным камнем устойчивой энергетики в Австралии и по всему миру. Они будут способствовать снижению выбросов углерода, обеспечат надежное энергоснабжение и помогут интегрировать возобновляемые источники энергии в электрические сети.
Развитие этих технологий откроет новые возможности для экономического роста, создания рабочих мест и усиления позиций стран-производителей на международной арене. В итоге, будущее возобновляемой энергетики тесно связано с развитием и доступностью инновационных технологий хранения энергии. Проточные батареи, благодаря своим уникальным свойствам и перспективам масштабирования, способны стать неотъемлемой частью новой энергетической структуры, обеспечивающей чистую, доступную и надежную энергию для всех.
