Как накопить энергию: суперконденсаторы вместо аккумуляторов
Развитие цивилизации сопровождается ростом производства и потребления энергии. Такой рост не только требует увеличения экономических затрат, он ещё оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Желательно, чтобы энергия обходилась нам дешевле, а вреда от её производства и потребления было бы меньше. Отсюда растущий интерес к возобновляемым источникам энергии. Это солнечное излучение, ветер, волны и морские приливы. Логика прозрачна: например, солнечный свет всё равно падает на Землю и ею поглощается, так почему бы не использовать этот бесплатный поток энергии, который достигает 1 кВт/м2?
Однако время суток, когда поступление возобновляемой энергии максимально, может не совпадать с временем, когда энергия нужнее всего. И ветер дует, когда хочет, и погода бывает пасмурная. Поэтому производимую таким способом энергию надо запасать, чтобы её можно было использовать, когда это потребуется.
Есть много методов накопления энергии, которые отличаются типом запасаемой энергии (механическая, тепловая, электрическая), ёмкостью, мощностью, надёжностью хранения, стоимостью устройств. Важнейшие параметры — удельная энергия, то есть сколько энергии можно запасти в устройстве на единицу его массы или объёма, и удельная мощность — то есть насколько быстро эту энергию можно загрузить и извлечь. Данная статья посвящена суперконденсаторам — относительно новым устройствам накопления электрической энергии. Но для сравнения немного скажем о других видах энергии.
Накопители механической и тепловой энергии
Простейший накопитель механической энергии — это груз массой M, поднимаемый на некоторую высоту H. В этом случае количество запасаемой энергии E вблизи поверхности Земли приблизительно выражается формулой Е = MgH, где g — ускорение свободного падения. Простые вычисления показывают, что величина энергии, запасаемой при использовании механического накопителя, не столь велика: если груз массой 100 т поднимается на высоту 100 м, величина накапливаемой энергии составляет примерно 9,8 · 107 Дж ≈ 30 кВт·ч, чего едва хватит на суточное потребление нескольких квартир. Кроме того, для накопления и выделения энергии требуется значительное время. Тем не менее попытки придумать эффективный накопитель механической энергии известны. Например, предлагается закачивать воду в озеро, расположенное выше турбин, а потом сливать эту воду вниз через них.
Что касается накопителей тепловой энергии, то они используют материалы, в которых тепловая энергия запасается в результате фазового перехода. Так, у обыкновенной воды при её превращении в лёд выделяется энергия 334 кДж/кг, и столько же энергии требуется для таяния льда. Поэтому для накопления энергии в 30 кВт·ч необходимо примерно 300 кг воды. Мы видим, что накопители тепловой энергии в сотни раз эффективнее, чем накопители механической энергии такой же массы. Однако использование воды и льда для накопления тепловой энергии неудобно, поскольку процессы будут идти при 0°С. Для практического использования желательны более высокие температуры.
Довольно удобен парафин с теплотой фазового перехода около 200 кДж/кг. Температура его фазового перехода зависит от конкретного сорта молекул парафина и лежит в пределах 45—65°С. Но недостаток парафина — низкая теплопроводность, поэтому обмен энергией между аккумулятором тепла и его источником или потребителем идёт медленно. Для увеличения теплопроводности к парафину добавляют частицы материала, имеющего высокую теплопроводность, например, углеродные нанотрубки и графен. Разработка материалов с повышенной теплопроводностью для накопителей тепловой энергии ведётся во многих лабораториях мира.
Накопители электрической энергии
Для накопления электрической энергии используют электрические конденсаторы, суперконденсаторы, гальванические элементы (батарейки), аккумуляторы и топливные элементы. Последние три вида накопителей относятся к электрохимическим устройствам, преобразующим химическую энергию реакций в электрическую энергию. Батарейки — одноразовые устройства, аккумуляторы — многоразовые, перезаряжаемые, а топливные элементы — устройства, в которые непрерывно подаются топливо и окислитель для выработки электричества. Все эти устройства отличаются друг от друга характеристиками и, соответственно, областями применения. Для сравнения устройств по соотношению удельной энергии и удельной мощности используют так называемый график Рагона. Из него видно, что суперконденсаторы по этим параметрам занимают промежуточное положение между обычными конденсаторами и накопителями энергии, работающими на основе химических превращений.
Среди последних наиболее распространённый в настоящее время тип устройств — это литий-ионные аккумуляторы. Они служат источником энергии в смартфонах, планшетах, ноутбуках и других гаджетах, которыми пользуются многие жители планеты. Однако ограниченные запасы лития на Земле заставляют задуматься о разработке альтернативных источников питания. Желательно, чтобы они не уступали по своим характеристикам литий-ионным аккумуляторам. Такими альтернативными источниками могут стать суперконденсаторы.
Напомним, что такое обычный конденсатор. В классическом и простейшем варианте это два плоских электрода площадью S, разделённые расстоянием d, на которые подаётся электрическое напряжение U. Запасаемая энергия E выражается как E = CU2/2. В этой формуле С — ёмкость конденсатора, которая определяется как С = εε0S/d, где ε — диэлектрическая постоянная материала, разделяющего электроды, ε0 — диэлектрическая постоянная. Как видно, увеличение ёмкости конденсатора и, соответственно, запасаемой энергии происходит при уменьшении межэлектродного расстояния и возрастании площади электродов (отношения S/d). При замыкании электрической цепи через нагрузку с сопротивлением R конденсатор разряжается за время порядка RC с выделением мощности порядка P = U2/4R. Здесь R — полное сопротивление цепи.
Суперконденсаторы с двойным слоем
Развитие идеи о накоплении электрической энергии в электрических конденсаторах привело к созданию суперконденсаторов. В 1957 году Говард Е. Беккер, сотрудник компании General Electric, основанной знаменитым изобретателем Томасом Эдисоном, разработал и запатентовал первое электрохимическое конденсаторное устройство. Это были два электрода, погружённые в ёмкость с серной кислотой. Хотя конструкция оказалась непрактичной и не нашла применения, подход Беккера привлёк к себе внимание других исследователей. Ныне это считается исходной точкой в истории создания электрохимических конденсаторов с высокой ёмкостью. Обратите внимание, что это не гальванический элемент — здесь электроды одинаковые. Их материал необычный и явно неслучайный — пористый графит с высокой площадью поверхности, которая включает внутренние поверхности многочисленных пустот (пор).