С каждым годом усиливается тенденция к повышению энергоэффективности существующих промышленных технологий. В частности, особенно актуальна концепция возврата потерянной в ходе технологического процесса энергии обратно в производственный цикл. РХТУ активно развивает концепцию использования отходов тепла как источника энергии на основе проточных батарей: в университете ведется разработка электрохимических устройств для получения электроэнергии из различных видов отходов производства: работу в этой области ведут специалисты лаборатории «Электроактивных материалов и химических источников тока». По словам ассистента лаборатории Павла Локтионова, популярность таких устройств продолжает расти, однако пока из-за малой эффективности они редко доходят до стадии практического применения на производствах.

По словам Павла Локтионова, в РХТУ изучают несколько подходов для преобразования энергии отходов того или иного вида в электроэнергию, которое также принято называть рекуперацией энергии. Тем не менее, основная часть проекта направлена на разработку проточной батареи, способной преобразовывать потери тепловой энергии в электричество. Такая установка способна не только обеспечить существующие производства дешевой электроэнергией, но и значительно снизить нагрузку на экологию. 

По сути такая батарея представляет из себя электрохимический тепловой двигатель, который способен работать от источников тепла с температурой до 100°C. Согласно статистике, ежегодные потери энергии низкопотенциального тепла достигают 45 тыс. гигаватт-час. Эту низкопотенциальную энергию очень сложно рекуперировать из-за ее рассеянности и малой температуры, ввиду чего существующие подходы либо имеют крайне низкую производительность, либо экономически нецелесообразны.

«Основная область исcледований нашей лаборатории заключается в разработке и изучении новых электрохимических устройств для преобразования и запасания энергии. Я занимаюсь как изучением известных проточных батарей (например, ванадиевой проточной редокс-батареи), так и исследую новые устройства, способные генерировать электроэнергию из отходов того или иного вида», — поясняет Павел Локтионов.

Ученые РХТУ считают, что одним из наиболее перспективных подходов для рекуперации низкопотенциального тепла являются применение термоэлектрохимических проточных батарей. Принцип рекуперации в данной методике заключается в последовательном нагреве ячеек батареи на одном из этапов ее работы и в их охлаждении на другом. При замыкании цепи из таких ячеек получается источник тока с напряжением, зависящим от разницы температур горячей и холодной ячеек, а также от используемого электролита.  На данный момент наилучшие показатели демонстрируют устройства, использующие дорогие малорастворимые электролиты. Учеными РХТУ совместно с коллегами из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН была предложена альтернативная платформа для непрерывной рекуперации тепла, состоящая из двух ячеек (холодной и нагретой), каждая из которых использует один и тот же набор электролитов: дешевые и хорошо растворимые в воде кислоты, соли и щелочи. Основным отличием разработки является применение технологии нейтрализационной проточной батареи, в которой электродвижущая сила возникает за счет использования растворов кислоты и щелочи в пространствах положительного и отрицательного водородных электродов.

Исследователи из РХТУ совместно с коллегами из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН разработали и провели анализ эффективности отдельной батареи такого типа. Опытный образец продемонстрировал не только выдающиеся значения мощности вырабатываемой энергии, но и высокий КПД системы при преобразовании тепла, который не в последнюю очередь связан с низкой теплоемкостью используемых электролитов. Полученные результаты были опубликованы в престижном научном журнале Energy Conversion and Management, входящем в международную базу данных Scopus (Q1).

 «Еще до подачи заявки на грант мы провели предварительные испытания и убедились, что электродвижущая сила предложенной проточной батареи увеличивается при ее нагреве. Соответственно, мы убедились в том, что такую батарею потенциально можно использовать в качестве платформы для рекуперации тепла. В ходе реализации проекта мы более детально исследовали зависимость параметров электродов от температуры, и на основании этих данных оценили, какие напряжение и мощность способна генерировать наша система. В отличие от аналогов, разработанная нами батарея может использовать электролиты гораздо большей концентрации, и с ними нам удалось достичь высокой мощности и КПД рекуперации тепла. Более того, по нашим оценкам полученных результатов, при дальнейшей оптимизации условий работы системы можно добиться рекордной мощности при проведении рекуперации», — объясняет Павел Локтионов.

В отличие от аналогов, такая система может непрерывно генерировать энергию из тепла низкого потенциала, причем с высокой производительностью и при минимальных затратах на электролиты батареи. В перспективе такие устройства предполагается использовать на участках производства, где непосредственно образуется отходы тепла. Например, такие устройства могут применяться для рекуперации избыточного тепла солнечных батарей: в этом случае можно не только извлекать дополнительную энергию из тепла, но и охлаждать солнечные панели, предохраняя их от перегрева.

По словам ученого, первые испытания платформы для рекуперации прошли успешно, и сейчас активно идет подготовка к дальнейшим исследованиям, в которых будет рассмотрена установка большего масштаба в более реалистичных условиях. Павел Локтионов убежден, что для практической интеграции разработанного устройства предстоит выполнить много работ, в том числе по исследованию возможных причин потерь производительности и повышению общего КПД устройства. В этом случае платформа заинтересует как конечных потребителей, так и инвесторов.

Проект «Разработка подходов для рекуперации химической и тепловой энергии при помощи проточных батарей» поддержан грантом по программе государственной поддержки российских университетов «Приоритет-2030» Минобрнауки России.