Молекула хинона, почти полный аналог которого содержится в ревене, может значительно продвинуть «зелёную» энергетику.

Исследователям удалось использовать это вещество в высокопроизводительном аккумуляторе проточного типа. Если такой аккумулятор удастся оптимизировать и воспроизвести в большем масштабе, потребители возобновляемой энергии смогут спать спокойно даже в безветренную и пасмурную погоду.

Возобновляемые источники энергии – актуальны, сегодня их вклад во вновь вводимые мощности достигает 7%. Многим экспертам хотелось бы, чтобы эта цифра росла и соответственно снижался выброс в атмосферу продуктов сгорания ископаемого топлива. Но для потребителя зависеть от энергии  ветра и солнца более чем на одну пятую потребляемого объёма рискованно: держать резервные генерирующие  и накопительные устройства на случай сумрачной и безветренной погоды пока слишком дорого и сложно.

Поэтому активно развиваются технологии, позволяющие накапливать избыток энергии из возобновляемых источников на будущее. Например, в гористых регионах с её помощью часто попросту закачивают воду в гору, чтобы при необходимости спускать через гидростанции. Однако для равнин такой метод не подходит. Запасать же энергию в традиционных батареях-аккумуляторах дорого и неоднозначно в плане нагрузки на окружающую среду.

Как альтернативу обычным энергетики рассматривают аккумуляторы проточного типа. В проточном аккумуляторе энергия вырабатывается за счет взаимодействия двух жидких компонентов, разделенных мембраной. Запасы компонентов хранятся в отдельных ёмкостях и прокачиваются через топливную ячейку с помощью насоса. Растворы ионов ванадия пока лидируют в качестве компонентов такой батареи; например, в Японии в следующем году завершится пилотный проект по использованию проточного ванадиевого аккумулятора в энергосети. Но ванадий дорог, для производства одного киловатт-часа таким способом его требуется на 81 доллар, а с учётом стоимости остальных компонентов батареи цена киловатт-часа варьирует в пределах от 350 до 700 долларов, в то время как экономически целесообразная цена, по оценке Министерства энергетики США, составляет около 100 долларов за киловатт-час.

Чтобы приблизиться к этому показателю, группа разработчиков под руководством Майкла Азиза, физика из Гарвардского университета, предлагает использовать хиноны - органические вещества, которые известны своей высокой способностью захватывать и высвобождать электроны (это главное свойство, которое ищет энергетика в материалах для аккумуляторов). Кроме того, они в изобилии содержатся в растениях и даже в растительном масле, поэтому потенциально доступны и недороги. Азиз сообщил, что его студенты, тестировавшие различные разновидности хинонов в качестве реагентов для проточных батарей, получили очень обнадёживающие результаты. Далее, объединившись с группой гарвардских химиков-теоретиков, исследователи смогли рассчитать необходимые свойства для более чем 10 000 разных хинонов. Оптимальным оказался хинон (антрахинон), аналогичный по структуре соединению, содержащемуся в обыкновенном ревене, и группа Азиза испытала его в качестве компонента проточной батареи.

В одну емкость поместили электролит на основе выбранного хинона, в другую — бром Br₂, в обычных условиях жидкий. Чтобы получить электричество, эти жидкости прокачивали через ячейку с угольными электродами, разделенную протонообменной мембраной. В одной части ячейки происходит превращение гидрохинон/хинон, при этом образуются  два электрона и два протона. Электроны уходят во внешнюю цепь, а протоны проходят сквозь мембрану, и соединяются с атомом брома, образуя бромистый водород HBr. Чтобы запасти энергию, жидкость прокачивают в противоположную сторону.

В недавней публикации в сетевой версии журнала Nature Азиз и коллеги утверждают, что первые опытные образцы проточной батареи на антрахиноне не просто работают, но и демонстрируют высокую стабильность и производительность, будучи по себестоимости примерно втрое дешевле ванадия. Это обещает значительный экономический выигрыш.
Эксперты по проточным аккумуляторам, однако, отмечают, что бром – материал очень едкий и экологически опасный, так что если учесть в себестоимости затраты на утилизацию новых батарей, она может оказаться значительно выше. Но Азиз считает, что его группе удастся заменить бром более «зелёным» органическим компонентом; эти поиски сейчас ведутся. В случае успеха новая батарея позволит значительно увеличить долю возобновлямых источников в энергосетях.

По материалам: Nature
Иллюстрации: http://aziz.seas.harvard.edu/electrochemistry#flow-batt