Студенты СПбГУ придумали, как сделать накопление энергии более эффективным и доступным

Участники конкурса «Start-up СПбГУ — 2021» — команда Smart Energy — изобрели технологию создания аккумуляторов, благодаря которым накопление энергии станет эффективнее, а цена электричества значительно снизится. Студенты планируют продать патент на разработку производителям батарей для «умных» энергосистем.

Энергетическая «запаска»

Одна из важных проблем современной электроэнергетики — перепады в потреблении электричества. Из-за того, что днем оно используется активнее, чем ночью, на электростанциях происходят резкие изменения нагрузки, приводящие к неэффективному расходу энергии. С переходом на возобновляемые источники энергии вопрос, связанный с колебаниями в потреблении электричества, становится более серьезным. Многие из таких источников не позволяют генерировать энергию непрерывно, поэтому их часто используют в сочетании с классическими. В этом случае скачки мощности электростанций будут зависеть не только от времени суток, но и от сезона и погодных условий, и регулировать их работу станет сложнее.

Решением проблемы эффективного использования энергии решили заняться студенты СПбГУ — участники конкурса стартапов. Они обратили внимание на системы накопления энергии — батареи, которые устанавливают в определенном районе или жилом комплексе. Они способны аккумулировать излишки электричества, произведенного в период его низкого потребления, и раздавать накопленную энергию во время ее интенсивного использования. Так удается сгладить пики потребления электричества и предотвратить его нерациональный расход. Сегодня в подобных батареях используются литий-ионные аккумуляторы, однако они обладают небольшой емкостью, которая в связи с образованием дендритных цепочек («иголок», выходящих из поверхности лития) и вымыванием катода постепенно уменьшается, что повышает стоимость хранения энергии. Это в свою очередь сказывается на цене электричества.

«Мы разрабатываем магний-серные аккумуляторы, которые будут обладать в два-два с половиной раза большей емкостью, чем литий-ионные, и не будут подвержены риску появления дендритов, — рассказал капитан команды, магистрант направления "Физика" Вадим Козлов. — Благодаря этому стоимость хранения электричества может снизиться на 50 %. Кроме того, магний и сера, в отличие от лития, добываются в России, что также должно уменьшить расходы на производство систем накопления энергии. Все это способно положительно отразиться на конечной цене электричества для потребителя».

Не дать сере «смыться»

Попытки изобрести магний-серные аккумуляторы предпринимаются долгое время. Сложность в их создании состоит в том, что электролит, который применяется в литий-ионных накопителях, в магний-серных способствует вымыванию серы из катода, что снижает емкость накопителя. Частично эту проблему удалось решить компании Toyota, которая в 2010 году выпустила первые магний-серные аккумуляторы, разработав для них новый электролит. Однако полностью устранить утечку серы из катода создателям не удалось и емкость такого накопителя не превысила показатели литий-ионных аккумуляторов.

Ребята предлагают предотвратить вымывание серы другим способом — с помощью двойной защиты катода. Во-первых, молекулы серы помещаются в особую сферу из оксида титана, не пропускающую их наружу. При этом магний, ионы которого уступают по размеру ионам серы, может проникать сквозь оболочку и вступать с серой в реакцию. Во-вторых, на катод с помощью метода молекулярного наслаивания наносится специальная пленка, не позволяющая сере попасть в электролит. Посредством такого комбинированного подхода сера окажется изолирована от электролита, что приведет к высоким показателям емкости накопителя. По предварительным расчетам изобретателей, если к 2025 году аккумуляторы для систем накопления энергии будут производиться по их технологии, то через пять лет после ее внедрения стоимость электроэнергии может упасть на 30 %.

«Мы считаем, что нашей разработкой могут заинтересоваться предприятия, которые делают батареи для "умных" домов, и производители аккумуляторов для систем накопления энергии, — рассказал Вадим Козлов. — Внедрение нашей технологии потребует существенно перестроить процесс изготовления катода и анода, однако вложенные в это средства, по нашим расчетам, должны быстро окупиться».

Сейчас стартаперы работают над созданием электродов и измеряют, какое количество циклов заряда и разряда они способны осуществить. В финале участники покажут успешные тесты катода и анода.

Команда состоит из пяти человек. Артур Таишев («Химия») работает над сферой для запирания серы в катоде, Алина Сеитова («Прикладная математика и информатика») собирает данные о потреблении электричества, необходимые для расчета емкости аккумулятора, Яна Бучковски («Менеджмент») составляет бизнес-модель проекта, Никита Кузнецов («Физика») отвечает за молекулярное наслаивание пленки на катод, Вадим Козлов («Физика») также выполняет эту задачу и координирует работу в группе.

Конкурс «Start-up СПбГУ» проходит в Университете уже в шестой раз. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия. Гранты на их развитие составят 1 000 000 и 700 000 рублей. Подробную информацию о конкурсе «Start-up СПбГУ — 2021» можно узнать на сайте эндаумент-фонда СПбГУ.