Ученые из Болонского университета в Италии, австрийского Университета Иоганна Кеплера в Линце и испанского Университета Сарагосы предложили простое и в то же время действенное решение для повышения эффективности систем хранения энергии. Они напрямую, без использования сложных и дорогостоящих электронных преобразователей, соединили ванадиевую проточную батарею и суперконденсатор. В результате получилась гибридная система, которая одинаково хорошо справляется как с длительным накоплением энергии, так и с резкими скачками нагрузки, что особенно ценно для сетей с возобновляемыми источниками энергии и городского электротранспорта.
Долгое время считалось, что прямое соединение разных типов накопителей нецелесообразно из-за различий в их характеристиках — прежде всего внутреннем сопротивлении и рабочем напряжении. Поэтому обычно применяются DC-DC преобразователи, которые управляют потоками энергии, но при этом могут давать заметные потери и существенно удорожают систему. В новой работе международная команда исследователей продемонстрировала, что в ряде случаев от них можно отказаться: в лабораторной установке батарея и суперконденсатор были просто соединены параллельно.
Эксперименты подтвердили, что при коротких мощных разрядах суперконденсатор берет на себя основную нагрузку, мгновенно отдавая ток и снижая просадку напряжения. В результате система смогла работать при токах до 10 А (это примерно в пять раз выше предельного уровня для одной батареи) и при этом отдавать в 8–10 раз больше энергии в кратковременном режиме.
Чтобы объяснить этот эффект, ученые разработали простую электрическую модель. Расчеты и эксперименты показали, что в начале разряда ток преимущественно идет через суперконденсатор, а затем постепенно перераспределяется на батарею. Это позволяет избежать резкого падения напряжения, которое обычно ограничивает мощность. Модель также показала, что рост емкости суперконденсатора дает эффект лишь до определенного уровня: в рассматриваемой конфигурации оптимум находится примерно на уровне 75 фарад, после чего прирост энергии становится минимальным.
Помимо технических характеристик исследователи оценили экологические и экономические параметры. Анализ жизненного цикла показал, что система с прямым соединением может быть заметно экологичнее. При зарядке от возобновляемых источников суммарные выбросы составляют около 0,070 кг CO₂-эквивалента на кВт·ч против 0,096 кг для системы с преобразователями — то есть примерно на 37% ниже.
Экономическая оценка дала схожий результат. Несмотря на то, что пассивная схема требует примерно в три раза больше ячеек суперконденсаторов из-за ограничений по напряжению, отказ от преобразователей снижает общие затраты. По расчетам, к 2050 году удельная стоимость таких систем может снизиться примерно на 60% за счет эффекта масштаба и технологического развития. Наиболее выгодной и экологичной считается конфигурация с прямым соединением и использованием водных электролитов в суперконденсаторах, которые дешевле и безопаснее традиционных органических растворов.
