Дослідження команди фізика Дірка Віттаута з Кельнського університету опубліковане в журналі Nature Energy. Науковці з’ясували, що деякі джерела безперебійного живлення (UPS), які використовують у лікарнях, дата-центрах і наукових установах, щохвилини проводять автоматичне тестування батарей. Під час таких перевірок виникають короткочасні стрибки споживання електроенергії.

Окремо вони настільки незначні, що практично непомітні. Однак велика кількість пристроїв, які виконують перевірки одночасно, створює синхронізоване навантаження. Воно й спричиняє регулярні коливання частоти в електромережі.

Як резервні батареї впливають на електромережі

Частота електричного струму в мережах зазвичай становить 50 або 60 Гц залежно від країни. Енергосистеми мають постійно балансувати між виробництвом і споживанням електроенергії. Коли попит перевищує пропозицію, частота знижується, а коли виробництво переважає споживання — зростає.

Зазвичай такі коливання невеликі й нерегулярні. Проте дослідники помітили, що в різних країнах вони повторюються з дивовижною точністю кожні 60 секунд. Перші свідчення цього явища з’явилися щонайменше у 2014 році в Скандинавії. Спочатку його пов’язували з роботою гідроелектростанцій, але аналогічні сигнали виявили також у континентальній Європі, Великій Британії, Австралії та США.

Щоб знайти джерело коливань, команда Віттаута проаналізувала високоточні вимірювання електроспоживання в будівлях дослідницького кампусу Forschungszentrum Jülich у Німеччині. Характерний щохвилинний сигнал виявили у чотирьох будівлях, де були встановлені системи безперебійного живлення. У приміщеннях без такого обладнання аналогічного ефекту не спостерігали.

Подальший аналіз показав, що акумулятори створювали невеликі імпульси струму з інтервалом рівно в одну хвилину. Дослідникам вдалося простежити ці коливання через внутрішню електромережу однієї з будівель аж до її підключення до громадської високовольтної мережі. Згодом виробник обладнання підтвердив, що причиною були автоматичні самоперевірки батарей.

Чому пристрої працюють синхронно

Ключ до розгадки — синхронізація внутрішніх годинників цифрових пристроїв. Вони можуть налаштовувати час за зовнішніми сигналами, тому обладнання в різних будівлях і навіть країнах здатне запускати заплановані процедури одночасно.

Поки що такі коливання не становлять безпосередньої загрози стабільності електромереж. Їхня амплітуда зазвичай вимірюється лише кількома мілігерцами. Однак дослідники попереджають, що зі збільшенням кількості систем накопичення енергії, дата-центрів та підключених до інтернету пристроїв проблема може посилитися. Крім того, власна динаміка енергосистем здатна підсилювати коливання, що потенційно збільшує зношування обладнання, зокрема турбін гідроелектростанцій.

Одним із можливих рішень науковці називають зміну програмного забезпечення: замість одночасного запуску перевірок виробникам варто передбачити невеликі випадкові затримки в розкладі роботи пристроїв. Це дозволить уникнути пікових навантажень.

Виробник однієї з досліджених систем уже випустив оновлення програмного забезпечення, яке послаблює сувору періодичність перевірок акумуляторів. Водночас механізм ще потрібно перевірити на інших об’єктах, щоб підтвердити, наскільки широко він пояснює аналогічні коливання в різних країнах. Результати дослідження свідчать, що навіть звичайні автоматичні процедури можуть впливати на великі енергосистеми, якщо тисячі пристроїв виконують їх синхронно.

Дослідники з Сідянського університету створили рідку суміш, яка реагує з металевим літієм і формує на його поверхні захисний шар. Результати роботи опублікували в журналі Science China Chemistry. Розробка може стати одним із напрямів створення безпечніших і довговічніших акумуляторів для електромобілів та систем зберігання енергії.

Чому металевий літій потребує захисту

Металевий літій вважають одним із найперспективніших матеріалів для накопичення енергії. Теоретично він здатний зберігати майже вдесятеро більше заряду на грам, ніж графіт, який використовують у звичайних літій-іонних акумуляторах. Це відкриває можливість створення легших батарей із більшою ємністю, що потенційно може збільшити запас ходу електромобілів.

Однак використання металевого літію пов’язане з низкою проблем. Зокрема, під час заряджання на його поверхні можуть утворюватися дендрити — голкоподібні структури, здатні порушувати роботу акумулятора. Крім того, літій може нестабільно взаємодіяти з твердими електролітами, що ускладнює розробку таких батарей.

Щоб розв’язати ці проблеми, команда під керівництвом професорів Сіву Лі, Вейвея Ву та Чуань Ю розробила суміш на основі кремнійвмісного полімеру й хлориду індію. Після нанесення на літій вона утворює гнучку захисну плівку завтовшки лише 12 мікрометрів.

До її складу входять фторид літію та наночастинки сплаву літію з індієм. Полімерна основа допомагає витримувати механічні навантаження, які виникають під час розширення та стискання літію. Фторид літію перешкоджає перенесенню електронів і зародженню дендритів, а наночастинки сплаву сприяють рівномірному осадженню іонів літію замість утворення небезпечних виступів.

Результати лабораторних випробувань

Покриті літієві електроди витримували критичну густину струму 3,5 мА/см². Для необробленого літію цей показник становив лише 0,8 мА/см² — тобто результат покращився більш ніж учетверо.

Дослідники також перевірили матеріал у повноцінних акумуляторних елементах. Вони містили катод на основі оксиду нікелю, кобальту й марганцю та твердий сульфідний електроліт.

Початкова питома ємність таких батарей становила 129,8 мА·год/г. Після 300 циклів заряджання та розряджання за режиму 0,5C вони зберегли 82,3% початкового показника. Для порівняння, акумулятори з необробленим літієм після такої ж кількості циклів зберегли лише 43%.

Спектроскопія та електронна мікроскопія підтвердили склад захисного шару. Зображення також показали щільне й однорідне покриття без помітних тріщин або проміжків.

Чи можна буде застосовувати технологію у виробництві

Одна з потенційних переваг розробки — відносно простий спосіб нанесення. Оскільки захисний шар утворюється внаслідок реакції рідкої суміші з літієм, технологія може бути сумісною з наявним промисловим обладнанням для нанесення покриттів. Це потенційно дасть змогу обійтися без дорогих вакуумних процесів.

Водночас використання індію може стати окремим питанням для подальшого масштабування. Тому дослідники планують перевірити, чи можна замінити його доступнішими металами, зокрема оловом або цинком.

Поки що результати отримані лише в лабораторних умовах, а комерційну ефективність технології ще не доведено. Проте дослідження демонструє можливий спосіб зробити металевий літій стабільнішим і продовжити термін служби твердотільних акумуляторів — одного з перспективних напрямів розвитку систем зберігання енергії.

Для реалізації проєкту Deep Fission уклала комерційну угоду з Great Plains Development Authority. Вона переводить попередній лист про наміри в межі обов’язкового контракту на постачання електроенергії.

Ядерні реактори під землею

Проєкт передбачає використання власної розробки Deep Fission під назвою Gravity. За принципом роботи це реактор із водою під тиском — тип ядерної установки, який широко застосовується в атомній енергетиці. Для роботи реактор використовуватиме стандартне низькозбагачене уранове паливо. Головна відмінність полягає не стільки в самому типі реактора, скільки в місці його розташування.

Замість великих споруд на поверхні інженери планують встановити реакторне обладнання в глибоких свердловинах. Такий підхід потенційно дасть змогу зменшити потребу в частині традиційних наземних конструкцій і використати геологічну товщу як елемент загальної архітектури установки.

У звичайних водо-водяних реакторах системи охолодження працюють під високим тиском, а конструкція станції передбачає спеціальні системи безпеки та захисні споруди. У випадку Gravity інженерам потрібно забезпечити надійну роботу реактора в підземному середовищі, контроль температури й тиску, а також можливість обслуговування обладнання.

Водночас розміщення реактора під землею саме по собі не доводить, що установка буде безпечнішою або дешевшою за традиційні атомні станції. Це залежатиме від конструкції, результатів випробувань, регуляторного погодження та фактичних витрат на будівництво й експлуатацію.

Навіщо промисловому парку 2000 МВт

Great Plains Industrial Park розташований на території площею близько 14 000 акрів — приблизно 57 квадратних кілометрів. Раніше ця територія використовувалася як військовий склад боєприпасів, а тепер її розвивають як промисловий майданчик.

Місцева влада розраховує, що гарантоване постачання електроенергії з низькими викидами вуглецю допоможе залучити підприємства, для яких стабільна енергетика є важливою умовою роботи. За словами директора парку Бреда Рімса, доступна й надійна електроенергія є одним із чинників, що впливають на рішення компаній про розміщення виробництва в південно-східному Канзасі.

Заявлена потужність до 2000 МВт є значною для одного промислового майданчика. Проте це максимальний обсяг, передбачений проєктом, а не підтвердження того, що така потужність уже доступна або буде введена в експлуатацію найближчим часом.

Що ще потрібно для реалізації проєкту

Угода створює комерційну основу для співпраці, але не означає, що підземні реактори вже побудовані або готові виробляти електроенергію. Для переходу до практичної реалізації необхідні інженерні роботи, фінансування, відповідні дозволи та підтвердження безпеки технології.

Якщо Deep Fission зможе довести життєздатність своєї конструкції, проєкт може стати прикладом альтернативного підходу до розміщення ядерних енергетичних установок. Поки що, однак, його масштаб і незвична конструкція залишаються амбітним планом, практичну ефективність якого ще належить підтвердити.

Секрет — у залізі, нікелі та вуглеці

Цинк-повітряні батареї давно привертають увагу дослідників завдяки високій потенційній енергетичній щільності та доступності матеріалів. Їх використовують, зокрема, у слухових апаратах, але створити надійну перезаряджувану версію виявилося складно: хімічні реакції всередині елемента важко контролювати протягом багатьох циклів.

Команда під керівництвом професора Йорга Шнайдера запропонувала гібридний каталізатор на основі заліза, нікелю та вуглецю. Його структура складається з крихітних частинок фериту нікелю, оточених вуглецевим матеріалом, легованим азотом і фосфором.

Таке покриття полегшує перенесення електронів і речовин, створює більше активних ділянок для реакцій та допомагає захистити частинки каталізатора від руйнування й злипання. Завдяки цьому хімічні процеси в батареї відбуваються стабільніше.

Потужність майже вдвічі вища за контрольний показник

Під час випробувань повноцінного цинк-повітряного елемента максимальна питома потужність сягнула 54 мВт/см². Для порівняння, у дослідженні показник стандартних каталізаторів на основі платини та рутенію становив 28 мВт/см².

А в тесті з багаторазовим заряджанням і розряджанням батарея пропрацювала понад 300 годин. Важливу роль відіграв контроль так званої потрійної межі — зони, де взаємодіють каталізатор, рідкий електроліт і кисень із повітря.

Втім, 300 годин у лабораторному випробуванні — це не гарантія такого самого ресурсу в комерційній батареї. Технологію ще потрібно перевірити в триваліших тестах і за реальних умов експлуатації.

Чим вони кращі за літій-іонні акумулятори?

Цинк, залізо та вуглець доступні й відносно недорогі матеріали. Крім того, цинк-повітряні системи можуть використовувати водні електроліти, які не горять, що зменшує ризик пожеж, пов’язаних із перегріванням батарей.

Найперспективнішим застосуванням можуть стати стаціонарні системи накопичення енергії — наприклад, для зберігання електрики від сонячних і вітрових електростанцій. Водночас помірна питома потужність поки обмежує використання цієї технології там, де потрібні швидке заряджання та висока віддача енергії.

Якщо дослідникам вдасться масштабувати розробку й підтвердити її довговічність, цинк-повітряні батареї можуть стати доступнішим і безпечнішим доповненням до сучасних систем зберігання енергії.

Компанія Anker оголосила про вихід SOLIX S5000 на американський ринок. Продажі мають розпочатися 27 жовтня, а рекомендована ціна становитиме $3599,99. На старті виробник пропонуватиме станцію за $2499,99 у власному магазині та на Amazon.

Також компанія заявляє про можливість отримати пакет знижок вартістю $1799 після реєстрації для раннього доступу. Умови цієї пропозиції варто перевіряти окремо перед покупкою.

До 86 годин роботи холодильника

Головна особливість SOLIX S5000 — акумулятор ємністю 5024 Вт·год. За оцінками Anker, цього може вистачити на живлення холодильника, Wi-Fi-роутера, освітлення, кавоварки та смартфонів протягом 48 годин.

Окремі сценарії виглядають ще цікавіше:

• Холодильник — до 86 годин.
• Віконний кондиціонер — до 25 годин.
• Холодильник, роутер, освітлення та інші пристрої — до 48 годин.

Однак це розрахунки виробника, а не гарантований час роботи. Реальний результат залежатиме від споживання конкретних приладів, температури довкілля та режиму використання. До того ж ємність акумулятора не дорівнює кількості електроенергії, яку можна отримати на розетках: частина енергії втрачається під час перетворення.

Потужності вистачить навіть для енергоємної техніки

SOLIX S5000 забезпечує номінальну вихідну потужність 4500 Вт, а пікову — до 8000 Вт. Станція підтримує живлення обладнання на 120 і 240 В, що розширює перелік сумісних пристроїв.

Серед роз’ємів є:

• розетки NEMA 5-20R;
• роз’єми L14-30R і TT-30R для відповідного обладнання та техніки для автодомів;
• USB-A;
• USB-C із потужністю до 100 Вт.

Ще одна корисна функція — режим ДБЖ. У разі зникнення електроенергії станція, за даними Anker, переходить на живлення від акумулятора приблизно за 10 мілісекунд. Це може бути важливо для комп’ютерів, мережевого обладнання та інших пристроїв, чутливих до перерв у живленні.

Виробник також заявляє рівень шуму близько 30 дБ під час роботи. Споживання в режимі очікування на виході 120 В становить 8,8 Вт.

Заряджання за 99 хвилин

Попри велику ємність батареї, Anker обіцяє повне заряджання SOLIX S5000 приблизно за 99 хвилин за відповідних умов.

Максимальна потужність заряджання однієї станції становить 4300 Вт. Під час заряджання від мережі показники залежать від напруги:

• від розетки 120 В — до 1800 Вт;
• від джерела 240 В — до 4500 Вт.

Також передбачені два входи для сонячних панелей потужністю до 1000 і 2000 Вт відповідно, а ще вхід для генератора потужністю до 4500 Вт.

Це дає змогу використовувати станцію не лише вдома під час аварійних відключень, а й у місцях без стабільного електропостачання. Водночас швидкість заряджання від сонця залежатиме від погоди, освітленості та фактичної потужності панелей.

Батарея на 15 років — але є умови

Усередині SOLIX S5000 встановлені літій-залізо-фосфатні акумуляторні елементи LFP ємністю 314 А·год.

Anker заявляє ресурс до 6000 циклів заряджання й розряджання до зниження початкової ємності до 80%. За 10 000 циклів вона, за оцінкою виробника, може становити близько 60%.

Компанія також оцінює потенційний строк служби приблизно у 15 років за одного-двох циклів на день. Проте це розрахункова оцінка, а не гарантія того, що кожен пристрій прослужить саме стільки. Офіційне покриття виробника становить п’ять років. Станція має сертифікації UL 9540 і UL 9540A, пов’язані з безпекою систем накопичення енергії та оцінюванням ризиків теплового розгону акумуляторів.

Майже 44 кг: портативність із застереженням

Попри назву портативної електростанції, SOLIX S5000 не назвеш легкою. Її вага становить приблизно 44 кг, а габарити — 10,6×22×15,2 дюйма, або близько 27×56×39 см. Для переміщення передбачені вбудовані колеса та висувна ручка. За словами Anker, новинка легша за модель SOLIX F3800, хоча остання має меншу батарею ємністю 3840 Вт·год.

Якщо ж 5 кВт·год недостатньо, є можливість розширити систему додатковими акумуляторами. Виробник описує конфігурації від 5 до 30 кВт·год із використанням до п’яти додаткових батарей. Водночас ціни на такі комплекти на сторінці продукту поки не вказані.

Чи з’явиться Anker SOLIX S5000 в Україні?

Поки що Anker оголосила про продажі лише у США. Інформації про вихід SOLIX S5000 в Україні чи інших країнах немає.

За характеристиками це рішення для тих, кому потрібен не просто зарядний пристрій для телефона, а великий резерв енергії для побутової техніки, робочого обладнання або автодома. Та перш ніж купувати таку систему, варто зіставити її потужність і ємність із власним споживанням електроенергії.

SOLIX S5000 обіцяє тривале резервне живлення та швидке заряджання, але за це доведеться заплатити кілька тисяч доларів і знайти місце для пристрою вагою майже 44 кг.