Учёные представили новую технологию хранения энергии, которая использует недорогие материалы: воду, цемент и технический углерод. Дороги и фундаменты домов теперь смогут стать источником энергии в виде углеродно-цементных суперконденсаторов.

Источник изображения: Simone Hutsch/Unsplash

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработали инновационный способ хранения энергии, используя воду, цемент и технический углерод (сажу), сообщает BBC. Как выяснилось, технология имеет потенциал для решения проблемы хранения возобновляемой энергии и снижения зависимости от природных ресурсов, таких как литий.

Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk), один из ведущих исследователей проекта, описал момент, когда впервые загорелся светодиод, подключенный к бетонному суперконденсатору, как «чудесный день». Первоначально многие не верили, что это возможно, но последовательное соединение нескольких суперконденсаторов позволило получить напряжение 3 В, достаточное для питания светодиода. Далее исследователи увеличили напряжение до 12 В и даже смогли запитать портативную игровую консоль.

Источник изображения: Damian Stefaniuk

Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ перед литийионными аккумуляторами, так как они заряжаются гораздо быстрее и не подвержены снижению ёмкости со временем. Однако, они также быстро разряжаются, что ограничивает их применение в устройствах, требующих стабильной зарядки в течение длительного времени, таких как смартфоны, ноутбуки или электромобили.

Тем не менее, исследователи видят большой потенциал в применении углеродно-цементных суперконденсаторов для хранения избыточной энергии, получаемых возобновляемыми источниками, главным образом на ветряных и солнечных электростанциях. Это позволит снизить нагрузку на электросеть в периоды, когда не дует ветер и не светит Солнце. Среди возможных вариантов применения указываются создание дорог, накапливающих солнечную энергию для беспроводной подзарядки электромобилей, и фундаментов домов, хранящих энергию для питания жилых помещений.

На данный момент, кубический метр бетонного суперконденсатора может хранить около 300 Вт·ч энергии, что достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампы в течение 30 часов. Исследователи планируют построить более объёмные версии оборудования, в том числе суперконденсатор до 45 кубических метров, способный хранить около 10 кВт·ч энергии, что достаточно для питания целого дома в течение дня.

Однако технология ещё не идеальна. Добавление большего количества технического углерода повышает ёмкость суперконденсатора, но одновременно снижает прочность бетона. Кроме того, производство цемента само по себе является источником до 8 % антропогенных выбросов CO₂ в мире. Тем не менее, исследователи работают над оптимизацией состава бетона и рассматривают возможность использования цемента с низким уровнем выбросов, производимого из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.

Майкл Шорт (Michael Short), руководитель Центра устойчивой инженерии при Университете Тиссайд в Великобритании, считает это исследование многообещающей инновацией, открывающей множество интересных возможностей использования искусственной среды в качестве носителя энергии. Однако, он также отмечает, что часто новые открытия сталкиваются с проблемами при переходе от лабораторных условий к широкому развёртыванию. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и экологически чистых решений для хранения энергии.

Китай, крупнейший в мире производитель и потребитель солнечной энергии, столкнулся с неожиданной проблемой — избытком солнечной электроэнергии, которую его энергосистема не в состоянии полностью использовать и хранить.

Источник изображения: Moritz Kindler/Unsplash

Согласно отчету агентства Reuters, опубликованному на днях, Китай установил настолько много солнечных панелей, что страна просто не в состоянии потребить или сохранить сгенерированную электроэнергию в таком количестве даже с помощью систем хранения.

Источник изображения: Reuters

Эта ситуация заставила китайские власти сократить некоторые субсидии для солнечной отрасли, что привело к замедлению темпов установки новых мощностей. Тем не менее, несмотря на это замедление, Китай по-прежнему опережает все остальные страны по объемам ввода новых мощностей солнечной генерации. Так, по состоянию на март 2024 года, установленные мощности солнечной энергетики Китая достигли 660 ГВт. Для сравнения, в США, которые занимают второе место в мире в этой сфере, на конец 2023 года работало 179 ГВт солнечных станций.

Как отмечает Businessinsider, стремительный рост солнечной энергетики является частью китайской стратегии развития «новых трех отраслей» — ветряной энергетики, солнечной энергетики и электромобилей. Однако теперь Китай столкнулся с тем, что его энергосистема не поспевает за высоким ростом генерации электроэнергии.

Эксперты предупреждают, что избыток производства солнечных панелей в Китае может привести к еще большему затовариванию мирового рынка и падению цен. Так, крупнейший китайский производитель солнечных панелей Longi Green Energy уже объявил о сокращении нескольких тысяч рабочих мест из-за перепроизводства и, соответственно, низких цен.

Чтобы справиться с ситуацией, Китайская ассоциация фотоэлектрической промышленности призывает к консолидации отрасли, ограничению внутренней конкуренции и большему контролю за мощностями. Однако пока неизвестно, будут ли предприняты конкретные шаги правительством для решения этой проблемы и если будут, то когда.

Тем временем, несмотря на внутренние трудности, Китай, вероятно, продолжит наращивать экспорт солнечных панелей. Это, в свою очередь, вызывает обеспокоенность США, ЕС и других стран, которые видят в этом угрозу для своих производителей. Запад призывает Китай сдерживать экспорт.

Управляющие крупными солнечными электростанциями по всему миру бьют тревогу. Появилось множество сообщений о случаях повреждения фотопанелей без видимых причин. Анализ ситуации по горячим следам показал, что в этом могут быть виноваты изменившиеся технологии производства панелей, что не в полной мере было учтено во время тестирования готовой продукции на производстве.

Источник изображения: PVEL

«Мы видели сообщения о разбитых без видимых причин стёклах [на панелях], поступающие из Бразилии, Чили, Австралии, США и других стран, — сказал Тристан Эрион-Лорико (Tristan Erion-Lorico), вице-президент по продажам и маркетингу лаборатории тестирования солнечного оборудования PVEL. — Это не зависело от региона, типа системы и производителя. Вот почему это так беспокоит».

Точной статистики повреждений панелей на проектах нет. По данным PVEL, речь идёт о сотнях МВт установленных мощностей. Некоторые случаи детально расследовались и даже были найдены объяснения повреждениям, в частности, доказан факт повреждения стеклянного покрытия слишком мощными роботизированными газонокосилками, которые швыряли камни в панели, но в большинстве случаев причины так и не были выявлены.

Отдельно операторы электростанций подчёркивают, что повреждённые фотопанели не подвергались воздействиям сильного ветра, дождя или града. Просто во время очередной инспекции вдруг обнаруживались новые трещины в стеклянном покрытии панелей, которых не было во время проведения предыдущих проверок.

Ранний анализ случаев растрескивания защитных стёкол фотопанелей показал, что во многих случаях прослеживается некоторая закономерность. Все они относятся к фотопанелям с двумя защитными стёклами — по одному на каждую сторону солнечного модуля. Ранее фотопанели закрывались только одним 3,2-мм защитным калёным стеклом с верхней стороны модуля, тогда как задняя часть модуля зашивалась пластиковой основой. Около 10 лет назад компании наладили выпуск фотопанелей с защитными стёклами с обеих сторон модуля, что должно было повысить их устойчивость к внешней среде и нагрузкам. Однако ради снижения массы модулей толщину защитных калёных стёкол пришлось уменьшить до 2 мм, что в конечном итоге увеличило вероятность их повреждения.

Нюанс в том, что панели с двумя стёклами проходят тестирование на соответствие отраслевым стандартам, но, конечно, не каждая из выпущенных панелей. Более того, стандарт разрешает смену поставщика защитного стекла без дополнительной сертификации. Для стекла толщиной 3,2 мм это не имело особого значения, но в случае более тонкого стекла, похоже, следовало быть разборчивее в выборе материалов.

Также специалисты отмечают, что технология закалки стекла даёт разное качество в зависимости от его толщины и присадок. Например, стекло должно быть относительно толстое, чтобы прогрев внутренней части был на заданном уровне. Для толстого стекла эти условия выдержать проще, чем для тонкого. В конечном итоге это вопрос затрат на изготовление. Если есть возможность сэкономить, то ею пользуются.

Наконец, снижение толщины стекла позволило облегчить каркас модулей, что увеличило нагрузку непосредственно на стекло. Это же касается используемых методов крепления (зажимов) фотопанелей к системам подстройки угла падения освещения и просто к стационарным стойкам. Производители панелей, со своей стороны, учитывают эти моменты (но не все), и выдают рекомендации по способам крепления и допустимым нагрузкам, но единой методики и стандарта нет. Поэтому в отрасли зреет необходимость пересмотра ряда стандартов, например, для тестирования панелей производителями и проведения новой сертификации.

В США проблему взялась решить Национальная лаборатория возобновляемой энергетики (NREL). Исследователи начали изучать случаи повреждений фотопанелей с анализа стёкол, их структуры, качества, химического состава и физических свойств. Задействовано специальное оборудование и прорабатываются научные методики, что обещает помочь с выработкой новых стандартов для проверки качества фотопанелей и их способности выдерживать механические нагрузки.

«Продукты меняются всё быстрее, и события опережать труднее, — сказала Ингрид Репинс, старший научный сотрудник группы надёжности фотоэлектрических систем NREL. — Эти треснувшие стёкла застали нас врасплох, хотя, я думаю, мы в какой-то степени знали, что в методиках тестирования были слабые места и пробелы. Теперь мы попытаемся понять первопричину и разработать тесты, чтобы подобное больше не повторилось. На данный момент у нас есть исследования, и у нас есть вопросы, но пока нет ответов».

Компания Ampace — дочернее предприятие Amperex Technology и CATL — на выставке RE+ в Лас-Вегасе представила аккумуляторную ячейку, выдерживающую 15 000 циклов заряда и разряда. Такие аккумуляторы смогут сопровождать солнечные системы выработки электричества в течение всего срока службы солнечных ферм — от 20 до 25 лет, что поможет снизить стоимость проектов и их сопровождения на 30 % и более.

Источник изображения: Ampace

Размеры ячейки Kunlun составляют 22,5 × 122,7 × 360,5 мм, а масса — около 1,8 кг. Её максимальная ёмкость достигает 100 А·ч, а номинальное напряжение — 3,2 В. Заявленный срок службы батареи достигает 20 лет или 15 000 циклов перезаряда. До 20 000 циклов батарея сохраняет около 80 % первоначальной ёмкости и более 70 % после 20 000 циклов заряда и разряда. Если характеристики батарей подтвердятся, то это в значительной степени изменит системы длительного хранения энергии и буферные накопители для получения электричества из возобновляемых источников.

«Ячейки с длительным циклом работы представляют значительную ценность для глобальных коммерческих и промышленных систем хранения энергии, а также систем хранения энергии в жилых домах, — заявила компания Ampace. — Они позволяют пользователям коммерческих и промышленных систем хранения энергии эффективно поддерживать работу фотоэлектрических систем и систем хранения энергии в одном темпе, а потребителям бытовой энергии — получить больше преимуществ в режиме выдачи пикового напряжения панелей, преодолевая традиционные ограничения по сроку службы аккумуляторов».

Компания Tesla согласилась выплатить более 6 млн долларов в рамках урегулирования коллективного иска, поданного клиентами, столкнувшимися с внезапным повышением цен на системы Solar Roof в 2021 году. Повышение цен привело к тому, что более 6300 человек расторгли свои контракты на установку солнечных панелей на кровлю с Tesla Energy.

Источник изображения: Tesla

Система Tesla Solar Roof ранее была известна как «солнечное стекло» (solarglass). Генеральный директор компании Илон Маск (Elon Musk) впервые представил эту систему в 2016 году как архитектурно привлекательную кровлю, которая генерирует энергию и выглядит так же хорошо, как черепица на доме без солнечных панелей. Позже выяснилось, что стеклянная солнечная черепица, которую он демонстрировал на презентации для акционеров, рассказывая о планируемом приобретении компанией Tesla компании SolarCity, оказалась бутафорией, а не рабочим прототипом.

Клиенты Tesla Solar Roof уже подписали контракты с компанией и готовились к установке систем в своих домах, как вдруг в 2021 году они были удивлены внезапным повышением цен, которое потребовало увеличения платежей для продолжения установки. В том же году компания Tesla повышала цены на свои солнечные установки как минимум дважды, а для клиентов, заказывающих солнечные панели или черепицу, обязательным условием стало приобретение домашней системы хранения энергии Powerwall.

Повышение цен не было незначительным. Главный истец по групповому иску Мэтью Аманс (Matthew Amans) обнаружил, что цена его солнечной крыши выросла с примерно 72 000 долларов по первоначальному контракту до 146 000. По состоянию на конец июня 2023 года, внезапное изменение стоимости системы привело к расторжению контрактов на установку солнечных крыш с Tesla Energy более чем 6300 клиентами.

К началу 2023 года компания Tesla установила в США всего 3000 своих систем Solar Roof с момента презентации технологии за семь лет до этого. К первому кварталу 2023 года общий объём развёрнутых солнечных установок Tesla составил 67 МВт, что соответствует 40 % росту за год. В то же время рост продаж систем хранения энергии Tesla в первом квартале 2023 года составил 360 % по сравнению с предыдущим годом, что свидетельствует о том, что доходы энергетического подразделения Tesla в большей степени зависят от резервных батарей для домашних и коммунальных систем, чем от солнечных установок.

Бортинженеры 68 экспедиции на МКС Фрэнк Рубио (Frank Rubio) и Джош Кассада (Josh Cassada) во время 7-часового выхода в открытый космос развернули четвертую солнечную батарею iROSA для увеличения энергоснабжения станции.

Источник изображений: nasa.gov

Выход в открытый космос Рубио и Кассада начали вчера в 13:19 по Гринвичу (16:19 мск): они покинули шлюз US Quest и приступили к работе. Кассада установил опору для ног на корпусе роботизированного манипулятора Canadarm2, а Рубио подготовил кабели для последующего подключения и связки нового источника питания с силовым каналом 4A на МКС. Далее бортинженеры совместно сняли iROSA с платформы, на которой массив солнечных батарей был запущен — он прибыл на МКС 27 ноября на грузовом корабле SpaceX CRS-26 Dragon.

Когда Рубио снял последний болт, удерживавший батарею на платформе, Кассада принял её, чтобы перенести к месту установки — параллельно астронавт NASA Николь Манн (Nicole Mann) работала с манипулятором Canadarm2, а астронавт японского JAXA Коити Ваката (Koichi Wakata) координировал действия коллег. Несмотря на невесомость в условиях микрогравитации, объект массой 340 кг при движении обладал значительной инерцией.

Далее Рубио и Кассада развернули iROSA и закрепили батарею на кронштейне, который был установлен во время одного из предыдущих выходов в открытый космос. При помощи электроинструмента, разработанного специально для работы в этих условиях, Рубио затянул четыре болта с правой и левой сторон iROSA, чтобы удерживать панель в открытом состоянии.

Дождавшись, когда МКС перейдёт в «затмение», то есть окажется в тени Земли, и крылья батареи точно не будут вырабатывать электричество, астронавты подключили iROSA к силовому каналу 4A. Далее они сняли два болта, высвободив запасённую стрелами из углеродного композита потенциальную энергию, и панель самостоятельно развернулась на полную длину в 19 метров. Затем Кассада затянул два болта для придания жёсткости массиву, и установка была завершена. Предполагается, что после установки всех шести панелей iROSA электроснабжение МКС вырастет на 20–30 %.

В конце операции Кассада и Рубио произвели чистку и инвентаризацию своих инструментов и завершили выход в открытый космос в 20:27 по Гринвичу (23:27 мск), то есть через 7 часов и 8 минут. Весь комплекс работ первоначально планировали выполнить на день раньше, но его пришлось отложить из-за необходимости произвести манёвр уклонения от космического мусора — фрагмента российского разгонного блока «Фрегат-СБ».