Аналитики предполагают, что к концу 2030 года общая емкость накопителей энергии в мире достигнет 411 ГВт. Это в 15 раз больше, чем 27 ГВт хранилищ, которые были введены в эксплуатацию в конце 2021 года. Промышленное аккумулирование электроэнергии — давняя мечта энергетиков всего мира. Особенно оно актуально для возобновляемых источников. В самом деле, хорошо, когда ветряк крутится, обеспечивая ближайшие дома светом и теплом. Но что делать в безветрие? Или как заставить работать солнечные батареи ночью? Ученые давно пытаются найти способы хранения энергии, чтобы пользоваться ею в любое время, а не тогда, когда заблагорассудится природе. И надо сказать, что определенных успехов человечество в этом уже добилось.

Как устроены технологии хранения энергии

Совокупная мощность возобновляемых источников выработки электроэнергии пока еще не скоро позволит отказаться от ископаемого топлива. Если нефть и газ стабильно обеспечивают нас энергией, то, например, выработка гидро-, солнечных и ветряных электростанций во многом зависит от погодных условий. Устранить этот недостаток могут системы накопления и хранения энергии. Представьте, что вы живете в доме, который питается исключительно от солнечных панелей. Они преобразуют энергию Солнца в электричество, не сохраняя ничего на будущее. В хорошую погоду такая система работает отлично, но наступает вечер, и ваше жилище вдруг оказывается обесточено. Конечно, на самом деле в энергосистеме всегда есть резервные источники энергии. Например, солнечную электростанцию без аккумуляторов можно использовать только в светлое время суток, а в отсутствие солнечного света пользоваться электричеством из городской сети. Однако это не решает глобальной проблемы. Альтернативная энергетика по-прежнему сильно зависит от погоды.

Компенсировать пиковые нагрузки можно с помощью невозобновляемых источников энергии — угля или газа. Но смысл альтернативной энергетики заключается в том, чтобы научиться обходиться без них. Стоит учитывать и возможность сбоя в системе энергоснабжения. Что делать, если всю неделю стоит пасмурная погода, солнечные батареи вырабатывают мало энергии, а на электростанции как раз в это время произошел сбой? В таком случае обеспечить дом светом могут системы накопления и хранения энергии. Они не только заставляют запасаться ею впрок, но и снижают нагрузку на электростанции. Накопители позволяют компенсировать недостатки возобновляемых источников, которые не производят энергию постоянно с одинаковой мощностью или именно в те периоды, когда это нужно людям, и больше полагаться на силу ветра и солнечный свет. Но при том, что накопительные системы устраняют необходимость одновременного производства и потребления энергии, принципы их работы могут быть самыми разными.

Хранить энергию можно в химических связях, которые соединяют атомы в молекуле вещества. Уголь и нефть тоже в определенном смысле система хранения энергии, накопившейся за миллионы лет формирования месторождений. Однако у ископаемых источников энергии есть существенный минус — их ресурсы когда-то будут исчерпаны. Этого недостатка лишены Солнце и ветер, а полученную с их помощью энергию тоже можно превратить в химические связи. Например, направить ее на электролиз воды, чтобы получить водород, который можно использовать в качестве топлива. Эта технология так и называется power-to-gas. Газ хранится в специальных резервуарах и высвобождается по мере необходимости. При сгорании водородного топлива получается вода, и, таким образом, цикл замыкается.

Еще один способ перевести энергию ветра или Солнца в химические связи — использовать перезаряжаемую аккумуляторную батарею. У литий-ионных аккумуляторов есть несколько преимуществ: они быстро производятся, эффективно хранят энергию и практически мгновенно выдают ее устройствам. Первые аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году и с тех пор их емкость выросла практически в 2 раза, однако сейчас прогресс замедлился. Эксперты прогнозируют, что рынок литий-ионных аккумуляторов будет только расти, ведь сейчас они не только используются в большинстве компактных гаджетов, но также способны питать электромобили и хранить энергию для коммунальных предприятий. Поэтому крупные корпорации, в частности автоконцерны, все еще доверяют этой технологии и инвестируют в нее. Однако для таких целей требуются значительно более емкие аккумуляторы. Именно такие устройства производит компания Tesla. Гигантский литий-ионный аккумулятор Megapack одной из компаний Илона Маска предназначен для хранения энергии на электростанциях и коммунальных предприятиях, а накопленная энергия расходуется в часы пиковых нагрузок. Кроме Tesla, похожие системы на основе отработавших аккумуляторов и запасных частей от электромобилей разрабатывает компания Mercedes-Benz Energy.

И все-таки литий-ионные аккумуляторы не идеальны. Они дорого обходятся в производстве и быстро деградируют, а также чувствительны к повреждениям и высоким температурам. Это не только приводит к износу самих батарей, но и вызывает пожары, которые сложно тушить, так как их горение сопровождается бурной химической реакцией. Только в США за 5 последних лет было зарегистрировано более 25000 проблем, связанных с возгоранием или перегревом литий-ионных аккумуляторов. Ученые и инженеры работают над устранением недостатков литий-ионных аккумуляторов. Например, учат их отключаться при чрезмерном нагреве, встраивают пламегаситель и пробуют использовать в качестве электрода не углерод, а кремний-углеродный нанокомпозит. Также разрабатываются литиевые аккумуляторы с твердым электролитом и быстрозарядные аккумуляторы из наноматериалов и органики.

Помимо литий-ионных аккумуляторов, существуют также свинцово-кислотные, натрий-серные, никель-металлогидридные, никель-кадмиевые и никель-железные батареи, натрий-ионные аккумуляторы, а также алюминиевые батареи, которые полностью заряжаются за 45 минут и не горят. Все они отличаются друг от друга сроком эксплуатации, устойчивостью к высоким и низким температурам и скоростью потери заряда, а также мощностью и энергоемкостью. Универсального накопителя пока нет, а каждый из них лучше подходит под решение конкретной задачи. Для стационарных аккумуляторов большой емкости создают проточные редокс-батареи. Это огромные контейнеры с электролитами: ванадием, соленой водой или раствором хлора или цинка, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Редокс-батареи дешевле аккумуляторов, а их содержимое не заключено в единый корпус, как у аккумуляторов. Это позволяет изменять размеры резервуаров с электролитом, а также размеры модулей, преобразующих энергию химических веществ в электроэнергию, и гибко управлять мощностью и емкостью. Мощные проточные батареи сегодня используются в сочетании с солнечными и ветряными электростанциями.

Еще одна важная разработка — суперконденсатор. Это устройство, состоящее из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора, не допускающего перемещения заряда между электродами. Особенность суперконденсаторов заключается в том, что они способны заряжаться всего за несколько секунд или минут. Поэтому используют их там, где требуется большая мощность на небольшой срок: для запуска двигателя в автомобилях, чтобы снизить нагрузку на аккумулятор, в общественном транспорте и в бытовой электронике.

Но что, если обратиться не к химии, а к физике? Человечество придумало, как использовать для хранения электроэнергии гравитацию, энергию вращения и давление сжатого воздуха. Например, плотина гидроэлектростанции (ГЭС) сохраняет потенциальную гравитационную энергию воды: накопленная в резервуарах жидкость сбрасывается с большой высоты и вращает лопасти генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Более сложный вариант — гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Они позволяют более равномерно расходовать энергию в течение дня, снижая нагрузку на электросеть. В часы пиковой нагрузки затраты на получение энергии возрастают, а по ночам, когда энергопотребление низкое, энергия намного дешевле. По ночам ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее, перекачивая воду наверх с помощью насосов, а во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления вода сбрасывается на лопасти генератора. Так вырабатывается дорогая электроэнергия, которая отдается в сеть. ГАЭС хороши, когда надо обеспечить электроэнергией населенные пункты. Такие системы могут сохранять большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов и в то же время не позволяют быстро забрать большое количество энергии, чтобы справиться с краткосрочным сбоем в сети. Помимо ГЭС и ГАЭС, гравитация также используется в железнодорожных накопителях. В начале 2022 года компания Fortescue Future Industries объявила о создании электрического поезда Infinity Train для перевозки железной руды. Его батарея будет перезаряжаться благодаря силе тяжести. Иначе говоря, поезд будет служить гравитационным аккумулятором для самого себя.

Еще один способ сохранить электричество — преобразовать его в кинетическую энергию вращения массивного колеса (маховика). Когда энергию необходимо накопить, потребляющий электроэнергию от внешнего источника механизм разгоняет маховик. И наоборот, когда электрическая машина переходит в генераторный режим, энергия вращения маховика преобразуется в электрическую и отдается в сеть, а маховик при этом замедляется. Наконец, в накоплении электроэнергии в больших объемах помогает давление сжатого воздуха. Дешевое электричество можно потратить, закачав воздух в специальный накопитель с помощью электродвигателя. Когда нужно получить электроэнергию, сжатый воздух выпускается из накопителя и вращает турбину генератора.

Энергию Солнца можно также преобразовать в тепловую и сохранять в таком виде некоторое время. Удерживать энергию может, например, расплавленная соль. Сперва соль нагревают с помощью гелиостатов (сконцентрированных на Солнце зеркал), которые собирают тепло солнечного света. Затем она направляется в резервуар и по мере необходимости приводит в действие парогенератор. Полученный пар вращает турбину, которая вырабатывает электроэнергию. Эта технология помогает подавать в дома электричество по вечерам.

Важнейшие параметры для накопителей — это коэффициент мощности, время заряда-разряда, продолжительность хранения и стоимость внедрения. Необходимо учитывать, что на поддержание их работы (сохранение подходящей температуры или преобразование энергии) также затрачиваются ресурсы. Поэтому наиболее перспективными сегодня выглядят именно электрохимические накопители. Другие варианты накопителей только разрабатываются, а если используются, то в экспериментальном режиме. Проблема системы power-to-gas заключается в том, что во время электролиза теряется от 19 до 33% энергии. Кроме того, электролиз — это довольно дорогой процесс. В частности, из-за того, что для уменьшения энергозатрат и ускорения реакции используются катализаторы на основе металлов платиновой группы, главным образом платины и палладия. Сегодня технологию power-to-gas целесообразно использовать только для долгосрочного хранения энергии. И наконец, перевозка водорода — также сложное предприятие, которое сопровождается риском утечек и взрывов при контакте с кислородом. Ученые сегодня изучают вещества, которые частично состоят из водорода и при этом легче транспортируются, например, аммиак, который можно получить, соединив водород с азотом. Однако после транспортировки из аммиака необходимо будет вновь получить водород, а этот процесс требует дорогостоящих установок. Поэтому исследования продолжаются.

Примеры решений для хранения энергии

Volvo Penta

Шведский производитель промышленных двигателей Volvo Penta разработал систему на основе платформы электромобилей Volvo Group. Она оптимизирована для систем накопления энергии аккумуляторов (BESS), выпускаемых производителями оригинального оборудования (OEM). Подсистемное решение Volvo Penta включает в себя аккумуляторную систему, управление батареями, мониторинг, управление температурным режимом, блок распределения питания и кабели. В релизе компании говорится, что решение демонстрирует высокую выходную мощность при высокой плотности энергии и небольшой занимаемой площади и оптимизирован для жестких условий окружающей среды.

Pillswood

Проект Pillswood содержит 196 МВтч энергии и может обеспечить 98 МВт электроэнергии для 300000 домов. Мега-хранилище энергии предназначено для балансировки сети и обеспечения полного использования мощности ветряной электростанции Dogger Bank — гигантского проекта, который должен обеспечить 4,8 ГВт электроэнергии в 2023 году. Tesla построила эту систему для Harmony Energy Limited, чтобы позволить британской электросети хранить возобновляемую энергию для удовлетворения пиков спроса с меньшими потребностями в использовании мощностей на ископаемом топливе. Это третий проект, построенный Tesla для Harmony, и он намного больше, чем два предыдущих (Holes Bay мощностью 15 МВтч и Contego мощностью 68 МВтч). Проект будет работать через Autobidder — алгоритмическую торговую платформу, предоставленную Tesla, которая ранее использовалась для управления существующими аккумуляторными проектами Harmony Energy Holes Bay и Contego.

Rondo Energy

Компания Rondo Energy, поддерживаемая Биллом Гейтсом, выпустила две версии своей тепловой батареи Rondo Heat Battery (RHB) — системы накопления энергии, которая распределяет тепло и электричество для промышленных применений. Они сделаны из легкодоступных материалов, таких как кирпичи и железо. Системы RHB могут хранить более 1 МВтч на 1 м2, что является высоким уровнем плотности, позволяющим сохранять возможность использование площади на промышленных объектах. Аккумуляторы RHB обеспечивают непрерывную мощность с годовым объемом мощности 95% при работе на входной мощности с коэффициентом мощности всего 15%, или 4 часа управляемой выработки электроэнергии в день. Ожидается, что батареи будут работать более 40 лет без ухудшения характеристик.

Salgenx

Американский технологический стартап Salgenx представил масштабируемую батарею с морской водой для применения в возобновляемых источниках энергии, телекоммуникационных башнях, насосах для нефтяных скважин, сельскохозяйственных ирригационных насосах и т.д. Аккумуляторы подходят для автономного хранения солнечной или ветровой энергии. Разработчик заявил, что новая батарея имеет плотность энергии 125,7 Втч/л. Для этого требуются два больших резервуара, заполненных жидкими электролитами, один из которых представляет собой соленую воду, а другой патентованный электролит. Жидкости циркулируют через электроды, которые регулируют вход и выход электричества из батареи. Решение можно масштабировать, добавляя дополнительные электроды и дополнительные резервуары с электролитом. Ожидаемый срок службы технологии составляет более 25 лет, а эффективность приема-передачи будет на уровне 91% при токе 10 мА/см2.

UGES

Группа исследователей Международного института прикладного системного анализа (IIASA) в Вене разработала новый способ хранения энергии путем транспортировки песка в заброшенные подземные шахты. Новый метод, получивший название «Подземное гравитационное хранилище энергии» (UGES), предлагает эффективное решение для долгосрочного хранения энергии с использованием недействующих шахт, число которых во всем мире исчисляется миллионами. Основными компонентами UGES являются шахта, генератор, верхнее и нижнее хранилища и горно-шахтное оборудование. UGES вырабатывает электроэнергию, когда цена высока, опуская песок в подземный рудник. Затем потенциальная энергия песка преобразуется в электричество посредством рекуперативного торможения. Затем песок поднимается из шахты в верхний резервуар с помощью электродвигателей для хранения энергии, когда электричество дешевое. Исследователи отмечают, что инвестиционные затраты UGES составляют от 1 до 10 долларов за 1 кВтч. По оценкам, технология имеет глобальный потенциал от 7 до 70 ТВтч, причем большая часть этого потенциала сосредоточена в Китае, Индии и США.

LEST

Исследователи IIASA предложили еще одно интересное решение — превратить небоскребы в гигантские гравитационные батареи для дешевого хранения возобновляемой энергии. Система накопления энергии лифта (LEST) будет использовать существующие лифтовые системы в высотных зданиях. Многие из них уже оснащены системами рекуперативного торможения, которые могут собирать энергию при опускании лифта, поэтому их можно эффективно рассматривать как предварительно установленные генераторы энергии. LEST также будет использовать свободные места по всему зданию. Таким образом, модернизация такого рода возможностей здания может быть удивительно дешевой по сравнению со строительством специальной системы гравитационных батарей. По сути, LEST будет использовать любое время простоя лифта, перемещая тяжелые предметы, такие как большие контейнеры с песком, из нижней части здания наверх, когда доступен избыток возобновляемой энергии, и сверху вниз, когда эта энергия может быть использована или продана обратно в энергосистему. Стоимость накопления энергии LEST с установленной мощностью оценивается в 21-128 долларов за 1 кВтч, что в значительной степени зависит от высоты рассматриваемого здания.

ETES

Пару лет назад компания Siemens, которая активно развивает ветровую генерацию, предложила решение по накоплению энергии в Северной Германии. Избыточная энергия, сгенерированная ветропарком, преобразовывается в тепло, нагревает камни (до 6000 C), защищенные изолированным покрытием. Когда есть необходимость в дополнительном электричестве, паровая турбина преобразует тепловую энергию обратно в электричество. Это базовая схема работы энергохранилища «на горячих камнях». Сам проект недорогой в организации, но и эффективность его тоже пока невысокая. Планируется, что полноразмерное хранилище Electric Thermal Energy Storage (ETES) сможет вмещать около 36 МВтч энергии в контейнере с около 2000 м3 скальной породы. С помощью бойлера накопленное тепло генерирует столько пара, что компактная паровая турбина Siemens может вырабатывать до 1,5 МВт электроэнергии до 24 часов в сутки. На ранних этапах разработки КПД каменного хранилища составит около 25%. В будущем концепция имеет потенциал эффективности около 50%.

***

Системы накопления энергии — не новая технология. В конце концов, прототипы аккумуляторов появились еще в XIX веке. Однако накопители лишь относительно недавно стали достаточно эффективными, чтобы устранить характерные недостатки возобновляемой энергетики. Использование таких систем позволяет сокращать выбросы углекислого газа и расширять использование альтернативных источников энергии, а значит, приближает мир к экологически чистому будущему.