Международное энергетическое агентство прогнозирует рост глобальной доли возобновляемой энергетики в общей выработке энергии до 28% к 2021 году. Одновременно будут развиваться технологии, способные решить главную проблему «зелёной» энергетики – неравномерность выработки электроэнергии. Специалисты уверены, что индустрию хранения энергии ожидает бурный рост уже в ближайшем будущем.

Солнечная электростанция эффективно работает только в светлое время дня и при безоблачном небе, а ветряк – когда дует ветер, и эти провалы в выработке нужно как-то компенсировать. Например, накапливать часть вырабатываемой энергии при помощи промышленных аккумуляторов, а расходовать её во время вечерних и утренних пиков потребления.

Хранилища энергии пригодятся и в случае аварий в энергосистемах. Как отмечает глава учебного центра АББ в РФ Максим Рябчицкий, сегодня объёмы выработки и потребления электричества сбалансированы и электростанции подстраиваются под график потребителя. Но в случае внезапных отключений в энергосистеме, по масштабам сопоставимой с российской, ситуацию спасёт аккумулятор мощностью от 10–20 МВт, способный 1,5–2 часа закрывать энергодефицит.

При поддержке государства

По мнению главы «Роснано» Анатолия Чубайса, доля ВИЭ в общем объёме генерации к 2050 году составит 40% мирового энергобаланса, а хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией, в результате чего «мы придём к другой электроэнергетике».

«Мировая и российская электроэнергетика находится в одном шаге от преобразования базового технологического принципа – соответствия уровня генерации и потребления в единый момент времени. Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, – накопление энергии. Эта технология полностью изменит всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики и многое другое. Если к технологии накопления энергии добавить хорошую IT-логику, то это будет, бесспорно, революция», – считает Чубайс.

Есть понимание проблемы и на государственном уровне. В начале этого года вице-премьер Аркадий Дворкович поручил Минэнерго и «Роснано» разработать техзадание на создание госпрограммы поддержки кластера промышленного хранения электроэнергии (power storage). Участники совещания с вице-премьером также сочли, что промышленное хранение электроэнергии находится в стартовой точке бума, который затронет изолированные, малые электрические хозяйства и транспорт.

В «Роснано» считают, что господдержка позволит сформировать на рынке пул национальных игроков. Стимулировать спрос на накопители планируется за счёт компенсации рисков инвестпроектов и повышения их инвестпривлекательности. Использование промышленных аккумуляторов позволит создавать экономически эффективные локальные энергосистемы, сгладить пики потребления и создавать рынки торговли электроэнергией для распределённой энергетики, отмечают в компании.

Электрохимия и жизнь

В настоящее время придумано много способов хранения электроэнергии в больших масштабах, однако приоритет отдаётся строительству обычных электрохимических аккумуляторов размером с дом.

Совокупная мощность работающих и строящихся промышленных хранилищ энергии в мире, по данным консалтинговой компании IHS, составляет около 3 ГВт. Однако аналитики уверены, что индустрию хранения энергии ожидает бурный рост уже в ближайшем будущем.

Основные проблемы опытных промышленных накопителей – дороговизна и низкая ёмкость, массовой экономически оправданной технологии их сооружения пока нет (особняком тут стоит технология Tesla, о которой ниже). По словам Максима Рябчицкого, исследования, которые велись последние 20 лет, создали много образцов (вплоть до самых экзотических) power storage, но они пока не ушли дальше опытно-промышленной эксплуатации, а существующие аккумуляторы слишком дороги и имеют низкий КПД. То есть пока аккумуляторы дороже самих СЭС.

Директор Ассоциации предприятий солнечной энергетики Антон Усачёв прогнозирует, что при росте доли ВИЭ в энергобалансе будет расти потребность в ёмких системах power storage, наибольший спрос будет в странах, планирующих долю ВИЭ в генерации не менее 25–30%.

Мощность используемых сегодня в мире решений power storage, как правило, не выше 1–2 МВт. Так, итальянская Enel запустила осенью 2015 года в Катании первое хранилище электроэнергии при солнечной станции на 10 МВт с ёмкостью батарей 2 МВт ч и планирует ВЭС на 18 МВт на юге Италии с литийионными батареями также в 2 МВт ч.

Крупнейший в Европе промышленный накопитель энергии появился в немецкой деревне Фельдхайм. Предприятие официально называется Региональной регулирующей электростанцией. Назначение станции мощностью 10 МВт и ёмкостью аккумуляторов 10,8 МВт ч – накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ, обеспечивать стабильность электросети, сглаживать временные изменения частоты.

Ряд компаний (RWE, Vionx, LG, SMA, Bosch, JLM Energy, Varta) начали поставлять на рынок промышленные и бытовые системы хранения энергии, которые также работают на основе разновидностей литийионных аккумуляторов, в первую очередь литий-железо-фосфатных (LiFePO4), а также ванадиевых батарей. Дальше других продвинулась Япония с технологией горячих аккумуляторов. В этом ряду нельзя не отметить наработки компании Tesla, которая и здесь впереди планеты всей, не в последнюю очередь благодаря грамотному пиару своей продукции, отличному дизайну, продвинутым технологическим решениям и «агрессивной» цене.

В прошлом году Илон Маск презентовал проект Powerwall – настенную литийионную батарею для дома ёмкостью 10 КВт ч (это примерно дюжина стандартных автомобильных аккумуляторов). Батареи достаточно для покрытия суточной потребности в электроэнергии средней американской семьи. Стоит она $3500. Интересно, что разработка Tesla позволяет наращивать систему до девяти штук, присоединяя к ней дополнительные единицы Powerwall.

Однако по-настоящему промышленным аккумулятором, скорее всего, станет другая разработка Tesla – аккумулятор Powerpack. С виду и по размерам он похож на холодильник и имеет ёмкость в десять раз большую, чем Powerwall – 100 КВт ч. Powerpack также является модулем. Добавляя такие модули в хранилище, можно наращивать ёмкость последнего практически до бесконечности. По словам Илона Маска, в США уже есть энергетические компании, работающие на основе технологии Powerpack и имеющие хранилища ёмкостью 250 МВт ч.

По расчётам компании PwC, хранение и распределение электроэнергии по сети в объёме 5 тысяч МВт ч может быть экономически выгодным в США при стоимости с учётом монтажа на уровне $350 за 1 кВт ч. Цена за пункт ёмкости при использовании модулей Powerpack равна $250.

Альтернативное накопительство

Альтернативой электрохимическим промышленным аккумуляторам может стать строительство объектов «зелёной» энергетики рядом с ГАЭС – гидроаккумулирующими станциями, запасающими энергию в виде воды. Изначальное предназначение ГАЭС – выравнивать неоднородность суточного графика электрической нагрузки. С развитием ВИЭ гидроаккумулирующие станции смогут также нивелировать дискретность выработки энергии СЭС и ветряками.

По данным Департамента энергетики США, в мире в настоящее время работает 292 гидроаккумулирующих комплекса общей мощностью 142 ГВт. Ещё 46 станций общей мощностью 34 ГВт строятся. КПД современных ГАЭС составляет 70–75%.

«Среди всех технологий хранения энергии гидроаккумулирующие комплексы являются самыми надёжными, опробованными и коммерчески выгодными аккумуляторами», – считает сотрудник департамента энергии Национальной лаборатории в Аргонне (штат Иллинойс) Владимир Коритаров. По его мнению, 98% действующих хранилищ энергии в мире и есть ГАЭС. Сегодня ГАЭС вновь в центре внимания, и не в последнюю очередь в связи с бумом ВИЭ, говорит Коритаров.

В Испании, например, где порядка 20% энергии вырабатывается ветром, хранилища ГАЭС гидроузла Cortes-La Muela наполняются ВЭС в ветреные ночи, а когда ветер утихает или потребность в энергии возрастает, вода из верхнего резервуара используется для вращения турбин и выработки энергии. Это самый большой в Европе комплекс такого рода мощностью 1762 МВт, способный обеспечивать энергией 500 000 домов.

В США на стадии планирования находится проект ГАЭС JD Pool в штате Вашингтон мощностью 1200 МВт. Пара его верхних резервуаров будет размещена между рядами ветровых турбин на плато Колумбия. Общая мощность 47 ветровых электростанций, находящихся в штатах Вашингтон и Орегон в непосредственной близости от предполагаемого места строительства ГАЭС, составляет 4695 МВт. Этого достаточно, чтобы не только снабжать электроэнергией ближайшие предприятия и домохозяйства, но и заполнять водой резервуары JD Pool.

А вот в совмещении СЭС и ГАЭС сегодня есть определённые сложности. Как правило, крупные солнечные электростанции размещены в жарких пустынных местностях, где наблюдаются проблемы с водой. Хотя при наличии полноводных подземных горизонтов и эта проблема решаема. Вот только воды из-под земли придётся выкачивать много, ведь ГАЭС – сооружение, размер которого имеет значение.

Фантазия без тормозов

Когда есть заказ и подразумевается бюджет, мозги учёных начинают работать с удвоенной силой. Поиски альтернативных химическим аккумуляторам способов хранения энергии идут в лабораториях всего мира, порождая подчас весьма экзотические проекты.

Британский Департамент энергии и изменения климата проинвестировал разработку хранилища энергии, в котором работает сжиженный воздух. Установка получила название LAES и развивает мощность 350 КВт ч. Её испытания прошли успешно, и проект имеет перспективы по масштабированию.

Работает установка следующим образом. При наличии избыточной электроэнергии воздух сжижается в ёмкости высотой 12 м, а диаметром – 3 м. А когда нужно, снова превращается в ток.

В местности Техачапи (штат Калифорния, США) действует другой необычный экспериментальный накопитель, запасающий энергию при помощи гравитации. Называется он ARES и с виду похож на детскую железную дорогу (ширина колеи – всего 381 мм). Когда ветер дует, вагончик, приводимый в движение электромотором, едет по ветке в гору, накапливая энергию, а когда стихает – устройство скатывается вниз. В этот момент его двигатель работает как генератор, подавая энергию в сеть.

Горка находится рядом с парком ветрогенераторов. Вес экспериментальной тележки – 5670 кг. Один из плюсов проекта – более низкая стоимость жизненного цикла по сравнению с батареями. При этом эффективность системы составляет 86%.

В дальнейшем в соседней Неваде, где по причине отсутствия воды нельзя соорудить ту же ГАЭС, планируется построить систему с объёмом запасаемой энергии 12,5 МВт ч. Это будет однопутная дорога длиной 8 км и уклоном 6,6 градусов. Двигаться по ней будут 17 сцепок: по два локомотива массой по 220 тонн и два вагона с бетонными блоками массой по 150 тонн каждый.

Источники: ИТАР-ТАСС, газета «Коммерсантъ», сайты renewableenergyworld.com, digitalsubstation.ru, tesla.com/powerwall , resilience.org , alternativenergy.ru

Электроэнергетика - одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей - следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро - вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии - из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.

Гидроаккумуляторы

Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды - один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.

В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть ЗагорскаяГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС - важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.

Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире - порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.

Накопители энергии сжатого воздуха

Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию - однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.

Недостаток такого рода накопителей - низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.

Расплавленная соль для хранения солнечной энергии

Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов (больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри - в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре - более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.

Эта технология помогает продлевать рабочее время, либо обогревать помещения и давать электричество в вечернее время.

Подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи.

Проточные редокс-системы

Проточные батареи представляют собой огромный контейнер с электролитом, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Электролитом может служить ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы.

Пока нет коммерческих проектов, общая установленная мощность - 320 МВт, в основном в рамках исследовательских проектов. Главный плюс - пока единственная технология на батареях с длительной выдачей энергии - более 4 часов. Среди недостатков - громоздкость и отсутствие технологии утилизации, что является общей проблемой для всех батарей.

Немецкая электростанция EWE планирует построить в Германии крупнейшую в мире проточную батарею на 700 МВт/ч в пещерах, где раньше хранили природный газ, сообщает Clean Technica.

Традиционные аккумуляторы

Это батареи, подобные тем, что работают в ноутбуках и смартфонах, только промышленного размера. Tesla поставляет такие батареи для ветряных и солнечных станций, а компания Daimler использует для этого старые автомобильные аккумуляторы.

Термальные хранилища

Современный дом необходимо охлаждать - особенно в регионах с жарким климатом. Термальные хранилища позволяют в течение ночи заморозить хранящуюся к цистернах воду, днем лед тает и охлаждает дом, без использования привычного всем дорогостоящего кондиционера и лишних расходов электроэнергии.

Калифорнийская компания «Ice Energy» разработала несколько подобных проектов. Их идея заключается в том, что лед производится только во время непиковой нагрузки на электросети, а затем, вместо расхода дополнительной электроэнергии, используется лед для охлаждения помещений.

«Ice Energy» сотрудничает с австралийскими фирмами, которые собираются внедрять технологию «ледяного аккумулятора« на рынке. В Австарлии из-за активного солнца развито использование солнечных батарей. Сочетание солнца и льда увеличит общую энергоэффективность и экологичность домов.

Маховик

Супермаховик - это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.

Возможность накопления электроэнергии в промышленных масштабах выгодна всем участникам рынка: производителям, поставщикам, потребителям и регулятору

Последний аналитический отчет исследовательских организаций GTM Research and ESA’s U.S. Energy Storage Monitor говорит о рекордном объеме инвестиций в проекты по разработке и созданию накопителей энергии. Объем венчурных инвестиций и проектного финансирования в данном секторе в третьем квартале 2016 года достиг $660 млн при годовом прогнозе в $812 млн. Мы видим, что в развитых странах технологии накопления энергии выходят на стадию «предкоммерческого» использования.

Проблема сохранения

Основным отличием электроэнергетики от любой другой «физической» отрасли является невозможность хранения производимого ею товара в промышленных масштабах. В каждую единицу времени в этой отрасли должно производиться ровно столько электроэнергии, сколько нужно потребителю.

Чтобы обеспечить такую возможность, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы. Нельзя иметь в энергосистеме только атомные электростанции (АЭС), которые не умеют быстро сбрасывать и набирать нагрузку, или только возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — солнце и ветер, например, могут не светить и не дуть в нужный момент. Поэтому значительная доля генерации осуществляется за счет традиционных ископаемых ресурсов (угля, газа), обеспечивающих и надежность, и необходимую маневренность.

Режим работы любой энергосистемы определяется в первую очередь степенью нагрузки на нее со стороны потребителей. Как правило, ночью потребление электроэнергии значительно снижается, а утром и вечером — превышает уровень дневного потребления. И вообще, независимо от времени суток электрическая нагрузка непрерывно меняется. Эти постоянные колебания осложняют задачу сохранения баланса между производством и потреблением и приводят к тому, что генерирующие мощности значительную часть времени работают в экономически неоптимальном режиме.

Существует три традиционных типа электростанций: атомные, тепловые (ТЭС) и гидроэлектростанции (ГЭС). АЭС по соображениям безопасности не регулируют свою нагрузку. ГЭС для работы с неравномерным графиком нагрузки подходят гораздо лучше, но они есть далеко не в каждой энергосистеме, а если и есть, то не всегда в необходимом количестве. Таким образом, основная нагрузка по покрытию неравномерности суточного электропотребления ложится на ТЭС. Это, в свою очередь, приводит к их работе в неэкономичном режиме, увеличивает расход топлива и, как следствие, стоимость электроэнергии для потребителей.

Все вышеперечисленные проблемы, а также ряд других могут быть решены с помощью технологий промышленного накопления энергии.

Эффекты от накопления

1. Эффект для генерации: использование накопителей позволит оптимизировать процесс производства электроэнергии за счет выравнивания графика нагрузки на наиболее дорогое генерирующее оборудование, а также избавить дорогую тепловую генерацию от роли регулятора. В свою очередь, это неизбежно приведет к сокращению расходов углеводородного топлива, повышению коэффициента использования установленной мощности электростанций, увеличит надежность энергоснабжения и снизит потребности в строительстве новых мощностей.

2. Эффект для государственного регулирования: накопители позволяют создать энергетический резерв без избыточной работы генерирующих мощностей, оптимизировать режим работы электростанций, обеспечить спокойное прохождение ночного минимума и дневного максимума нагрузок.

3. Эффект для потребителей: электроэнергия становится дешевле, повышается надежность энергоснабжения, можно обеспечить работу критического оборудования при перебоях с питанием и создать резерв на случай аварий.

4. Эффект для электросетевого комплекса: накопители снижают пиковую нагрузку на электрические подстанции и затраты на модернизацию сетевой инфраструктуры, повышают качество и надежность энергоснабжения потребителей.

Дополнительные эффекты

Сейчас одним из главных трендов мировой энергетики является развитие ВИЭ-генерации. Среди стран, развивающих «зеленую» энергетику, наиболее ярким примером являются Дания, вырабатывающая 140% общенационального спроса на энергию с помощью ВИЭ, и Германия, где на ВИЭ приходится около 50% установленной мощности электростанций (94 из 182 ГВт) и эта доля продолжает неуклонно расти. В отдельные часы ВИЭ уже могут обеспечить до 100% потребности в электроэнергии. При этом и тепловым, и атомным электростанциям приходится выполнять резервную функцию, поскольку выработка ВИЭ-генерации непостоянна. Накопители электроэнергии могут стать выходом для продолжения успешной интеграции ВИЭ в энергосистемы различных стран, они позволят сгладить колебания выработки ВИЭ и выровнять график нагрузки.

Другим трендом является развитие распределенной энергетики. Потребители хотят минимизировать свои затраты и устанавливают собственные генерирующие источники (например, солнечные батареи или ветрогенераторы). В странах, где доля распределенной генерации высока, возникает проблема интеграции таких потребителей в рыночную систему. Поскольку сам потребитель забирает от своего источника столько электроэнергии, сколько ему нужно в данный момент времени, у него могут возникать излишки. Проблема продажи этих излишков в сеть может быть решена с помощью накопителей. Помимо этого они могут использоваться и для создания индивидуальных резервов.

Конкуренция технологий

На сегодняшний день 99% промышленного накопления и хранения электроэнергии (около 132,2 ГВт) обеспечивают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). На все прочие технологии накопления приходится 1%, в основном речь идет о накопителях на сжатом воздухе, сульфидных натриевых аккумуляторных батареях и литиевых аккумуляторных батареях. Наиболее проверенными из накопителей являются ГАЭС и устройства, работающие на технологии сжатого воздуха. Остальные технологии пока еще находятся в процессе развития.

При этом если ГАЭС и устройства, использующие технологии сжатого воздуха, могут хранить достаточно большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов, они достаточно ограничены в плане подвода большого количества энергии для поддержки или противодействия различным краткосрочным колебаниям.

Что касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.

Нужны ли России технологии хранения энергии?

Хранение электроэнергии названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. По оценкам BCC Research, совокупный среднегодовой темп роста рынка аккумуляторных батарей всех типов составит за ближайшие десять лет 18,7%: с $637 млн в 2014 году до $3,96 млрд в 2025 году.

Мощность электрических накопителей в странах ЕС, США и Китае, по различным сценариям Международного энергетического агентства, к 2050 году возрастет от двух до восьми раз. В России после 2022 года прогнозируется новый инвестиционный цикл в энергетике. Потенциальная ниша для новых энергообъектов оценивается в 15-30 ГВт. Инвестиции могут составить $500-​700 млрд к 2035 году. При этом выиграть от применения накопителей смогут практически все участники рынка.

Wikimedia Commons

Пожалуй, самая старая форма современного хранения энергии, привязанного к энергосети. Принцип работы прост: имеется два резервуара для воды, один выше другого. Когда потребность в электричестве низкая, энергию можно использовать для закачки воды наверх. В пиковые часы вода устремляется вниз, вращая гидрогенератор и вырабатывая электричество. Подобные проекты разрабатывает, например, Германия в заброшенных угольных шахтах или сферических контейнерах на дне океана.

Сжатый воздух

Power South

В целом этот способ напоминает предыдущий, за исключением того, что вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При необходимости воздух выпускается и вращает турбины. Эта технология существует в теории уже несколько десятков лет, но на практике, из-за ее высокой стоимости, есть всего лишь несколько рабочих систем и чуть больше - испытательных. Канадская компания Hydrostor разрабатывает в Онтарио и Арубе крупный адиабатический компрессор.

Расплавленная соль

SolarReserve

Солнечную энергию можно использоваться для нагревания соли до нужной температуры. Полученный пар либо немедленно перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплавленной соли, чтобы, например, нагревать дома вечером. Один из подобных проектов - солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - в Арабских Эмиратах. А в лаборатории Alphabet X возможность использования расплавов солей в сочетании с антифризом для того, чтобы сохранить излишки энергии Солнца или ветра. Недавно в Технологическом институте Джорджии построили более эффективную систему, в которой соль заменена на жидкий металл.

Проточные батареи

Ученые ЦЕРНа: «Вселенная не должна существовать»

Окислительно-восстановительные проточные батареи состоят из огромных цистерн с электролитом, которые пропускаются через мембраны и создают электрический заряд. Обычно в качестве электролита используется ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы. Крупнейшую в мире проточную батарею построить в пещерах Германии.

Традиционные аккумуляторы

SDG&E

Calmac

Ночью хранящуюся в цистернах воду замораживают, а днем лед тает и охлаждает соседние дома, позволяя экономить на кондиционерах. Эта технология привлекательна для регионов с жарким климатом и прохладными ночами, например, для или Калифорнии. В мае этого года компания NRG Energy поставила 1800 промышленных ледяных батарей предприятию Southern California Edison.

Супермаховик

Beacon Power

Эта технология предназначена для накапливания кинетической энергии. Электричество запускает мотор, который запасает энергию вращения в барабане. Когда она нужна, маховик замедляется. Изобретение не получило широкого распространения, хотя оно может применяться для обеспечения бесперебойного питания.

Ю.Н.ЕЛДЫШЕВ Проблема хранения энергии - одна из важнейших не только в энергетике, но и в экономике (а также в науке) в целом. Она до сих пор не решена в полной мере. Наше неумение эффективно сохранять и запасать полученную энергию особенно пагубно сказывается на развитии таких сравнительно «чистых» способов ее производства с использованием возобновляемых источников энергии, как гидроэнергетика, гелиоэнергетика или ветроэнергетика. Ведь мы до сих пор не в состоянии обеспечить гарантированное поступление энергии потребителям от таких источников в связи с понятными суточными, сезонными, а то и вовсе плохо прогнозируемыми изменениями их мощности. Поэтому любая информация о достижениях в этой сфере вызывает повышенный интерес.
Метановый проект
О новом способе хранения энергии, полученной от ВИЭ (один из основных недостатков которых, — именно нестабильность и непредсказуемость выработки энергии), сообщила недавно пресс-служба Общества Фраунгофера (Общество Йозефа Фраунгофера — немецкий аналог Российской академии инженерных наук, его основная цель — содействие развитию прикладных исследований). Немецкие ученые разработали технологию, в которой излишки электроэнергии, выработанные солнечными или ветро-электростанциями и не нужные в данный момент, преобразуются в метан. Полученный таким образом газ можно хранить сколь угодно долго и использовать по мере необходимости с помощью уже существующей газовой инфраструктуры.
Пилотный проект, разработанный Центром солнечной энергии и водородных исследований, который находится в Штутгарте (ФРГ), в настоящее время реализуют сотрудничающие между собой компании Австрии и Германии. Запуск основанной на данной технологии промышленной станции мощностью в десятки мегаватт запланирован на 2012 г.
Как уверяют разработчики, демонстрационная система, построенная в Штутгарте, использует генерируемые с помощью солнечных панелей и ветроэнергетических установок (ВЭУ) излишки энергии для электролитической диссоциации воды на кислород и водород. В дальнейшем полученный водород, соединяясь с подаваемым в систему углекислым газом, образует метан, который уже можно хранить и использовать для получения энергии в любое время. По оценкам ученых, эффективность подобного преобразования выше 60%.
Не секрет, что «классические» способы хранения электроэнергии в конденсаторах и аккумуляторных батареях предполагают создание особой (дополнительной и достаточно дорогой) инфраструктуры. В отличие от таких способов для хранения энергии в форме метана в Германии, как и во многих других странах, уже существует вся необходимая инфраструктура — это распределенная система газовых хранилищ большой емкости. Поэтому авторы данной технологии считают, что у нее могут быть неплохие перспективы, ибо такое преобразование с приличным КПД — «это определенно лучше, чем полная потеря электроэнергии, которую нельзя использовать здесь и сейчас». А реальных альтернатив «газовому преобразованию» как способу хранения энергии до настоящего времени предложено не так уж много.
«Ахиллесова пята» гидроаккумуляторов
ГАЭС по внешнему виду могут различаться очень сильно: многие аккумулирующие станции почти невозможно отличить от обычной ГЭС, расположенной на реке со значительным уклоном, но есть и такие, у которых предусмотрен весьма необычный накопительный резервуар, как, например, станция «Taum Sauk» в штате Миссури (США), привлекающая внимание многочисленных туристов. Но в любом случае такому способу хранения и перераспределения энергии присущ серьезный недостаток - необходимость отчуждения больших площадей под верхний и нижний бьефы, а также масштабные (и дорогие) строительные работы.
Водная альтернатива
Одно из древнейших устройств для хранения энергии — гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). Так называют разновидность гидроэлектростанций, специально предназначенную для выравнивания суточной неоднородности электрической нагрузки. ГАЭС использует в работе комплекс электрических генераторов и электрических насосов либо специальные обратимые гидроэлектроагрегаты, способные работать и как генераторы, и как насосы. Во время минимума энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее на перекачку воды в верхний бьеф, т. е. действует как насос. А во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая при этом дорогую «пиковую» электроэнергию, которую отдает в энергосеть, т. е. действует как электрогенератор.
Поскольку в обоих режимах КПД такой станции меньше 100%, понятно, что в итоге ГАЭС потребляет больше электроэнергии, чем вырабатывает, т. е. формально оказывается убыточной. Впрочем, не стоит забывать, что потребляет ГАЭС «дешевую» энергию, а поставляет в сеть «дорогую», так что экономический итог не совпадает с энергетическим балансом и не определяется простыми арифметическими действиями. Дело в том, что в крупных энергосистемах заметную долю составляют мощности тепловых и атомных электростанций, которые не могут быстро сокращать выработку электроэнергии при падении энергопотребления или же делают это с большими потерями. Потому-то коммерческая стоимость электроэнергии в период наивысшего («пикового») потребления в энергосистеме гораздо выше, чем в период ее минимального потребления, и использование ГАЭС оказывается экономически эффективным, повышая как равномерность нагрузки на другие мощности энергосистемы, так и надежность энергоснабжения в целом.
ГАЭС выглядит простой и надежной системой аккумуляции энергии, обладающей множеством достоинств и всего одной, но очень существенной, слабостью: далеко не всюду ее можно возвести, да и занимает она очень много места.
Энергию можно хранить... в холодильнике
Сравнительно недавно было предложено сохранять «энергию ветра» (электроэнергию, полученную от ВЭУ), меняя температуру в огромных складах-холодильниках, что почти не требует капитальных затрат. Группа исследователей из университетов Болгарии, Дании, Испании и Нидерландов разработала проект «Ночной ветер», направленный на создание общеевропейской системы хранения энергии, вырабатываемой ВЭУ, основанной на использовании элементов уже существующей инфраструктуры.
Идея проста: ночью, когда потребление электричества падает, а ВЭУ продолжают работать, вырабатываемую ими электроэнергию предлагается расходовать на то, чтобы понизить температуру в существующих холодильниках крупных продовольственных складов. Как показали оценки, достаточно снизить температуру всего на 1 °C по сравнению с обычной нормой. Иными словами, энергия будет «запасаться» в результате охлаждения многих тысяч тонн разнообразных продуктов, которые будут храниться в обычном режиме где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днем же, когда потребление электричества многократно растет, все эти гигантские холодильники можно будет просто отключить от сети до тех пор, пока температура в них постепенно не поднимется на тот же 1 °C, т. е. не вернется к привычному значению.
И хотя, как хорошо известно, сами по себе холодильники, даже самые гигантские, конечно же, никакого электричества не производят, такие колебания температуры всего на один градус с периодом в сутки, если их применить на всех крупных холодильных складах Европы, по оценкам авторов проекта, будут эквивалентны появлению в общей энергосети супераккумулятора емкостью в 50 ГВт/ч!
Действенность идеи авторы проекта продемонстрировали еще в 2007 г., установив рядом с одним из крупнейших холодильных складов в Бергене (Нидерланды) ветровую турбину и настроив электронную систему управления холодильником по описанному выше принципу. Так что теперь судьба проекта в руках экономистов от энергетики, которые должны решить, насколько целесообразно делать ставку именно на этот способ запасать энергию.
Маховики
Многие эксперты по-прежнему считают весьма перспективным устройством для хранения энергии маховики. Разговоры о них ведутся уже не одно десятилетие. Но только в последнее время разработаны действительно работоспособные проекты, демонстрирующие возможности таких накопителей на практике.
Еще в 1964 г. профессор Н.В. Гулиа (в последнее время заведующий кафедрой Московского государственного индустриального университета) предложил новую разновидность маховика, который должен был служить именно накопителем энергии. Это был не сплошной диск, а сердечник с намотанной на него сотнями и даже тысячами слоев тонкой стальной (впоследствии пластиковой) лентой, заключенный в кожух, внутри которого создавался вакуум, чтобы сократить потери на трение. Как выяснилось, подобные супермаховики могли «вобрать» в себя довольно много энергии на единицу массы, ведь запасаемая ими энергия определялась прежде всего предельной скоростью вращения (поскольку была пропорциональна ее квадрату, а от массы зависела линейно), которая в свою очередь была ограничена прочностью выбранного материала.
Современные супермаховики с намоткой из углеродного волокна имеют удельную энергоемкость до 130 Вт-ч/кг. Это несколько уступает показателям лучших литий-ионных аккумуляторов, но у накопителей на маховиках есть и свои преимущества: они гораздо дешевле, долговечнее и безопаснее (не только для здоровья обслуживающего персонала, но и, что не менее важно, для окружающей среды).
Сам изобретатель еще 40 лет назад много экспериментировал с супермаховиками, поскольку считал их перспективными накопителями энергии на транспорте и даже построил несколько образцов подобных транспортных средств. Об их применении в энергетике как альтернативе аккумуляторам он тоже размышлял, однако до недавнего времени идея использовать маховики для хранения энергии не в лабораториях, а в промышленных масштабах и в существующих энергосетях представлялась специалистам экзотической и даже утопической. Лишь в последние годы некоторые фирмы на Западе начали серьезные исследования в этой области.
Так, специалисты американской компании «Beacon Power» разработали набор стационарных супермаховиков, предназначенных для подключения к промышленным энергосетям. Выполнены они из огромного числа слоев сверхпрочных композитных материалов на основе углеродных волокон, так что выдерживают гигантские нагрузки, позволяя в среде с высоким разрежением доводить скорость их вращения до штатных 22,5 тыс. об./мин. Маховики на магнитных подвесках вращаются в цилиндрических емкостях высотой около 1 м (новые модели будут уже выше человека), внутри которых создан вакуум. Масса подобной конструкции может достигать 1 т.
На стальном валу маховика (там же — внутри герметичного стального цилиндрического кожуха) расположен ротор обратимой электрической машины — мотора-генератора на постоянных магнитах, который и раскручивает маховик, запасая энергию, или отдает ее, вырабатывая электрический ток, при подключении нагрузки.
Расчетный срок службы такой конструкции 20 лет, диапазон рабочих температур от —40 до +50 °C, она выдерживает землетрясения с магнитудой до 7,6 по шкале Рихтера, иными словами, обладает характеристиками, ныне совершенно нереальными для существующих химических аккумуляторов.
Энергию сохранит воздух
Американская компания «Magnum Energy НС» собирается использовать подземные пещеры на глубине около 1,5 км для хранения сжиженного воздуха, используемого для получения электроэнергии. Создать хранилища предполагается возле города Дельта в штате Юта, где располагаются огромные подземные запасы соли, которые рассчитывают вымывать при помощи специальной техники. На первом этапе предполагается обустроить хранилища для природного газа, добываемого неподалеку - в Скалистых горах. Отработав технологию, компания намерена приступить к созданию хранилища... для воздуха.
По мнению авторов этого проекта, сжатие воздуха может считаться одним из самых дешевых способов хранения энергии. Например, в ясный день солнечная электростанция будет производить избыток электроэнергии. Его направят на сжатие и закачку воздуха. Когда электричество понадобится, воздух заставят крутить турбины. Так авторы надеются преодолеть основную трудность в повсеместном внедрении ВИЭ - нестабильность выработки ими электроэнергии и, соответственно, проблему хранения и преобразования энергии от них.
Впрочем, пока величина запасаемой таким образом энергии невелика — до 25 кВт/ч при максимальной мощности до 200 кВт. По оценкам разработчиков, потери энергии, запасаемой и забираемой из таких накопителей, не превышают 2%, что намного лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах (упомянутые ГАЭС, химические аккумуляторы и т.д). В то же время понятно, что срок хранения энергии в маховиках, в отличие от этих систем, невелик — речь пока может идти только об их использовании в качестве буфера, компенсирующего резкие пики и спады потребления электроэнергии в течение суток.
Наборы из множества таких устройств, включенных параллельно, могли бы накапливать уже вполне ощутимые запасы энергии; при этом главным преимуществом стало бы то, что происходило бы это очень быстро (столь же быстро можно было бы и «востребовать» накопленное). А ведь это очень важно. Дело в том, что любые из существующих промышленных генерирующих мощностей (например, на тепловых электростанциях) не могут быстро реагировать на изменение нагрузки, да и вообще всякие изменения режимов их работы крайне невыгодны.
Вот в таких-то ситуациях, связанных с резкими скачками нагрузки в сети, накопители в виде маховиков и могли бы стать вполне разумным решением. По оценкам разработчиков, время реакции подобных систем просто фантастическое — около 5 мс.
Установки с подобными накопителями уже продемонстрировали свою эффективность на испытаниях в ряде населенных пунктов США, жители которых еще не забыли кошмар своих обесточенных городов из-за цепного отключения мощностей и готовы на многое ради того, чтобы снизить вероятность повторения таких событий.
Впрочем, думается, и российской энергосистеме, которая в силу ряда особенностей заметно устойчивее к колебаниям нагрузки, чем энергосети США, подобные накопители могли бы оказаться полезными.
Изобретение... лопасти
Интересный способ сгладить неравномерность выработки электроэнергии от ВЭУ нашел профессор Университета Ноттингема (Великобритания) Симус Гарви, заключивший, что ветряки, расположенные в открытом море, вообще не следует оснащать электрогенераторами, поскольку такие мощные устройства, вырабатывающие ток даже при самых низких скоростях вращения вала, оказываются очень тяжелыми и, соответственно, очень дорогими. Вместо этого он предлагает делать лопасти ветряка... полыми. Внутри каждой из них должен свободно перемещаться тяжелый поршень. Когда лопасть опускается, поршень сдвигается к ее концу, а когда она поднимается вверх, поршень, наоборот, скользит по направлению к оси, сжимая вошедший через отверстия в корпусе воздух. Сжатый воздух закачивается в специальные пакеты из тонкой и прочной синтетической ткани, плавающие на глубине 500 м!
Эти хранилища, удерживаемые от разрыва давлением вышележащих слоев воды, служат своеобразными буферами, гарантирующими равномерную выработку электроэнергии даже при непредсказуемом ветровом режиме. Из подводных баллонов воздух подается по трубам к дополнительным компактным турбинам-генераторам. По оценкам, его запаса должно хватать для поддержания их вращения в течение нескольких дней даже при полном штиле.
Такая «интегрированная возобновляемая энергетическая система на сжатом воздухе» (Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems — ICARES) впечатляет своими масштабами: по оценкам Гарви, чтобы поршни не зависали на концах лопастей из-за центробежных сил, турбина должна двигаться медленно и быть очень крупной — свыше 200 м в диаметре (в идеале — 500 м). Что касается подводных хранилищ энергии, то автор видит их как гигантские грозди огромных воздушных «подушек» (диаметром по 20 м).
Работы по проекту ведутся с 2006 г., а ныне в университете создали компанию «Nimrod Energy», основной задачей которой станет коммерциализация этой технологии. Предполагается, что системы ICARES появятся на рынке уже через год. Но на первых порах использовать их будут для хранения энергии, выработанной энергоустановками других типов. А морские турбины-гиганты от «Nimrod», по прогнозам разработчиков, могут появиться лет через 10—15.
Необычный аккумулятор и некоторые другие способы
Сегодня довольно высокая активность на Западе связана и с проектами хранения электроэнергии, выработанной, в частности, на весьма популярных здесь ВЭУ, в виде полученного с ее помощью водорода. Причем в таких проектах водород предлагается использовать не как топливо, а как временный энергоноситель. Впрочем, по оценкам экспертов, подобные схемы, которые могут быть весьма эффективными с энергетической точки зрения и вполне приемлемыми с точки зрения экологии, увы, пока остаются слишком дорогими.
Не прекращаются и исследования, связанные с различными технологиями закачки сжатого воздуха в подземные или подводные хранилища.
Но, как уже отмечалось, у каждого из упомянутых способов хранения энергии есть свои достоинства и недостатки, каждый из них хорош по-своему, но ни один нельзя признать идеальным. В связи с этим в последнее время появились даже призывы вернуться к, казалось бы, давно и всесторонне изученным химическим аккумуляторам. Впрочем, не совсем обычным — расплавленным.
Вообще-то так называемые горячие аккумуляторы придуманы тоже много лет назад. Известно немало их разновидностей, обладающих завидными удельными характеристиками. Только вот обеспечить необходимую для них рабочую температуру в сотни градусов по шкале Цельсия нелегко, так что это условие накладывает серьезные ограничения на возможные области их применения, а также на возможный срок их действия (все прежние предложения использовать такие аккумуляторы в широких масштабах оказывались неконкурентоспособными из-за крайне непродолжительного срока их действия). Впрочем, в японской префектуре Аомори, к примеру, уже несколько лет действует комплекс из 17 крупных блоков серно-натриевых горячих батарей мощностью 34 МВт, которые подключены к сети через преобразователи переменного/постоянного тока. Данный комплекс входит в состав новой ветровой фермы «Futamata», значительно сглаживая неравномерность выработки электроэнергии ВЭУ (позволяя удовлетворить дневной пик потребления и накапливая энергию ночью).
Но новый аккумулятор, прототип которого создали американские ученые, по их оценкам, будет втрое дешевле лучших сегодняшних батарей, намного долговечнее их и главное — гораздо мощнее. Профессор Дональд Сэдовей и его коллеги из Массачусетского технологического института придумали оригинальное устройство для аккумулирования электрической энергии, которое, по их мнению, уже в недалеком будущем позволит использовать по ночам энергию, полученную от солнечных панелей (или энергию ветра в штиль). Такой аккумулятор размером с привычный для американцев контейнер для мусора в индивидуальном доме (его объем — около 150 л), как считает Сэдовей, мог бы стать неотъемлемым атрибутом «зеленого» дома, обеспечивая все его потребности в энергии даже на пике потребления, а подзаряжался бы он от «непостоянных» ветряков и солнечных панелей. Ну а крупным наборам таких аккумуляторов, по мнению разработчиков, вполне по силам было бы снабжение электричеством целых поселений — аккумулирующая станция мощностью в 13 ГВт (достаточная для питания крупного города) заняла бы всего 6 га.
За счет чего достигается такая плотность мощности? Дело в том, что, как уверяют разработчики, эти батареи способны отдавать и принимать в 10 раз более сильный ток, чем все известные типы химических аккумуляторов.
Понимая, что слишком сильный ток может с легкостью повредить устройство, попросту расплавив всю конструкцию, Сэдовей предложил: пусть расплавленное состояние будет нормой для всех частей батареи. В прежних горячих аккумуляторах помимо корпусов и контактов был еще один важный твердый (нерасплавленный) элемент — твердый электролит (специальная проводящая керамика), а в новом аккумуляторе твердых частей внутри нет вообще, кроме внешнего корпуса, все жидкое — и электролит, и электроды. Все элементы новой необычной системы не смешиваются между собой благодаря разной плотности, как не смешиваются масло и вода в покоящемся сосуде. А поскольку новая батарея призвана стать стационарным накопителем энергии, перемешиваться жидкостям вроде бы не от чего.
Разработанный аккумулятор напоминает тугоплавкий «стакан» (корпус служит первым наружным контактом), накрытый крышкой (второй наружный контакт). Между ними — диэлектрик, а вокруг теплоизолирующая оболочка. На дно емкости авторы поместили сурьму (это первый внутренний электрод), следом сульфид натрия (электролит), а сверху магний (второй внутренний электрод). Все компоненты — в расплавленном виде.
При заряде слой электролита в таком аккумуляторе становится тоньше, а расплавленные электроды — толще. При разряде все происходит в обратном порядке: материал электродов (ионов) частично переходит в электролит, так что центральный жидкий слой растет, а боковые — электроды — сокращаются.
Такая система, использующая довольно необычные для химических аккумуляторов принцип работы и конструкцию, как выяснилось, способна выдержать огромное число циклов зарядки и разрядки, многократно превышающее все, что могли продемонстрировать прежние батареи, а кроме того, может отдавать и принимать гигантские токи без каких-либо повреждений (в системе просто нечему выйти из строя). Наконец, все компоненты такого аккумулятора оказались на удивление недорогими, так что установить подобные системы можно где угодно.
Авторы построили опытный образец расплавленной батареи. Ее удельная емкость пока не слишком впечатляет. Но это не столь уж критично — для стационарного накопителя энергии масса системы не слишком важна. К тому же ученые полагают, что все характеристики новой батареи можно будет серьезно улучшить, сохранив принцип работы, но подобрав иные компоненты.
Довести созданный прототип до коммерческого варианта разработчики обещают лет через пять. И это довольно быстро, если учесть, что горячие аккумуляторы прежних типов хотя и были изобретены очень давно, до сих пор несмотря на все попытки их совершенствования все еще считаются экзотикой.
По материалам sciencedaily.com, physorg.com, membrane.ru и других источников