Новейшие разработки в области производства и хранения альтернативной электрической энергии вполне ощутимы, и в некоторых случаях даже способны конкурировать с традиционными источниками электроэнергии ( , ). С помощью возобновляемых (альтернативных) источников энергии можно ощутимо снизить вредные выбросы от ТЭС. В некоторых государствах такие исследования ведутся не только на частном, но и на государственном уровне. Например, исследования, проведенные Texas utility Oncor Electric Delivery Co., ярко осветили плюсы таких технологий для современных энергосистем:

• Энергия, хранимая в аккумуляторных батареях, может быть подключена в любой точке энергосистемы;
• Аккумуляторные батареи помещаются в систему распределения энергии (подстанцию или фидер) и могут использоваться для предотвращения аварийных ситуаций (потреблять или отдавать электроэнергию в случае необходимости);
• Могут активно использоваться в , что позволит улучшить энергетику системы и уменьшит капитальные затраты;
• Данные батареи смогут отдавать или поглощать электрический ток в зависимости от режима работы системы;

Дополнительные исследования будут вестись в этом году после получения компанией Saft (специализируется в проектировании, производстве, и внедрению аккумуляторных батарей для промышленных предприятий и транспорта) контракта на аккумуляторные батареи для хранения мегаватт электроэнергии от финской энергетической компании Fortum.

Saft Intensium Max – батареи контейнерного типа с номинальными мощностями в 1 МВт и 2 МВт, которые будут установлены для компании Fortum Suomenoja на электростанции Эспоо (Финляндия) для хранения электроэнергии в рамках пилотного проекта в странах Северной Европы.

Целью данного пилотного проекта является исследование пригодности и максимальной оптимальности использования аккумуляторных батарей для хранения электроэнергии и поддержания баланса мощности в системе электроснабжения.

Кроме того, также будут проводится исследования новых возможностей в области гибкости данных систем при накоплении и отдаче электроэнергии. Мощности данной электростанции будут предложены национальной энергокомпании Fingrid для поддержания постоянного баланса мощности в системе электроснабжения.

«Литий-ионные аккумуляторы имеют хороший жизненный цикл и большую плотность энергии. Для реализации данного проекта Saft будет использовать литий-никель-кобальт-алюминий оксидный аккумулятор» — сказал Майкл Липперт, менеджер по маркетингу компании Saft. Кроме подчеркивания преимуществ использования литий-ионных аккумуляторов, он также отметил важность данного пилотного проекта, так как он позволит экспериментально исследовать преимущества хранения больших мощностей электрической энергии, а также определить, как литий-ионные аккумуляторы будут себя вести при хранении таких больших объемов энергии.

По мере роста количества проектов по хранению электрической энергии во всем мире, стоит отметить одного из финалистов 2015 года Project of the Year Awards в области возобновляемых источников энергии: The Grand Ridge Energy Storage Project at Invenergy’s Beech Ridge Energy Center:

Проект Гранд-Ридж позволяет хранить 31,5 МВт электрической мощности в литий-ионных аккумуляторах, расположенных в Марселе, штат Иллинойс. Проект имел довольно большой успех, так как помогал операторам сети PJM балансировать спрос и предложение, используя запатентованную технологию железо-фосфатного аккумулятора BYD.

По рыночным исследованиям фирмы IHS, рынок хранения электроэнергии находится во «взрывном» положении. Это значит, что годовая емкость хранилищ электроэнергии вполне может достигнуть 6 ГВт в 2017 году, а к 2022 достигнуть 40 ГВт, и это при том, что в 2012 – 2013 году эти хранилища не превышали 0,34 ГВт. Энергетические компании вполне заинтересованы в развитии этого перспективного направления, так как это позволяет сделать энергосистемы более гибкими, а также стимулировать развитие альтернативной энергетики, снижая, тем самым, выбросы вредных веществ в атмосферу.

Вы заметили, что в названии станций, на которых производят энергию, обязательно присутствует слово “электро”? То есть, что бы мы ни подавали “на вход”, “на выходе” получается энергия в виде электричества.

С тех пор как было обнаружено, что в металлах может протекать электрический ток, а в проволочной рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает напряжение, стало ясно, что получен прекрасный способ преобразования, передачи и распределения энергии.

Действительно, как передать на расстояние энергию падающей воды или выделенное при сгорании тепло? Конечно, можно на месте использовать вращение гидроколеса, приводящего в движение мельницу. Можно передать по трубам горячую воду, как это делают в городах для обогрева домов. Но не устанавливать же многокилометровый крутящийся вал! Да и вода остынет, если трубы будут слишком длинными.

А вот электрогенераторы, получающие энергию в принципе от всего, что способно создать вращение, производят электрический ток, который затем по проводам переносит энергию на сотни и тысячи километров. Им питаются и электрический транспорт, и лампы на улицах городов и в наших домах, и все приборы, которые достаточно включить в сеть. Без преувеличения можно сказать, что сегодня практически весь мир зависит от питания электроэнергией, как грудной ребенок — от соски.

А что делать, если в какое-то место энергия не подается по” проводам? Тогда нас выручат батарейки. Вот уж действительно палочка-выручалочка! В переносных радиоприемниках и магнитофонах, калькуляторах и слуховых аппаратах — в необозримом количестве современных приборов “сидят” эти маленькие источники электричества.

Кроме этих миниатюрных устройств существуют и довольно крупные аккумуляторы, знакомые вам, конечно, по автомобилям. Для них производят более 100 миллионов свинцовых аккумуляторов в год. А дизельные подводные лодки флотов всех стран оснащены подобными аккумуляторами массой до 180 тонн!

К сожалению, большая масса, а также вредные химические вещества, используемые в них, служат пока препятствием для создания транспорта на автономной электрической тяге.

Это задача, над которой бьются не одно десятилетие тысячи ученых, инженеров, изобретателей. Никак пока не удается сконструировать принципиально новый аккумулятор, который позволял бы долго двигаться в удалении от иных источников энергии, то есть без частой подзарядки.

Впрочем, похоже, ситуация с состоянием окружающей среды просто заставит нас сделать это изобретение. Ведь создали же батарейку, целиком состоящую из пластмассы! Она прекрасно работает и в жару, и в мороз, ее можно до ста раз разряжать и заряжать, она почти не токсична. Не во всем ее можно сравнить с уже известными батареями, но это обнадеживающий шаг!

И в этот час печальная природа Лежит вокруг, вздыхая тяжело, И не мила ей дикая свобода. Где от добра не отделимо зло. И снится ей блестящий вал турбины, И мерный звук разумного труда, И пенье труб, и зарево плотины, И налитые током провода. Н. Заболоцкий Ну, не давала человеку покоя безмятежная природа! Не терпелось ему…

Не один раз ученым-археологам приходилось ломать голову при раскопках стоянок древних людей. Например, находили палочку с обожженным концом. Одни говорят — это пытались в костре заострить копье или стрелу, другие утверждают — так получали огонь. Сходятся спорщики на том, что человек стал самостоятельно добывать огонь около 100 тысяч лет назад. Именно самостоятельно, потому что в…

Проходили тысячелетия, а “запрячь” огонь, заставить его работать человек так и не сумел. Тогда мысли его обратились к движущейся воде. Когда и где завертелось первое водяное колесо? Его запустили, видимо, и в Древней Индии, и на Ближнем Востоке, и в Древнем Риме. Где бы то ни было, а такие колеса издавна стали служить человеку для…

С изобретением паровой машины, а позже и турбины, люди смогли наконец заставить выделяемое при сгорании тепло вращать и двигать различные механизмы. Это были и лопатки турбин, и колеса на транспорте, и валы генераторов тока. Беда в том, что невозможно всю выделяемую при сгорании топлива энергию эффективно использовать — превращать в полезную для нас работу. При…

Да, именно экология уже диктует, а в скором времени, видимо, полностью будет определять требования к любым источникам энергии. Немудрено, что люди вновь и вновь обращаются к тому, что давно и настойчиво предлагает сама природа. Ведь если запасы ископаемого топлива рано или поздно подойдут к концу, если, сжигая его, мы нарушаем тепловой баланс Земли, то не…

А можно ли изобрести такой источник энергии, такой двигатель, который действовал бы “вечно” и вовсе не имел никаких недостатков? Не загрязнял окружающую среду, не нарушал тепловой баланс планеты, вообще не производил бы ничего, кроме “чистой” энергии. Иными словами, представлял бы собой этакое идеальное устройство, избавляющее нас от всех энергетических проблем. Сотни лет насчитывает история создания…

Вы, разумеется, слышали о том, что ток бывает постоянным и переменным. Вот на батарейках и аккумуляторах изображены значки “плюс” и “минус”. Это указывает на то, что перед вами источник постоянного тока. Иными словами, если вы подсоедините к нему лампочку или прибор, то по цепочке побегут заряженные частички, образуя электрический ток, причем в одном направлении. А…

Исследования мельчайшего строения вещества привели людей к открытию атомной энергии. Как ни печально, сперва это выдающееся достижение использовали для производства оружия. Но люди нашли способ не только мгновенного, взрывного выделения атомной энергии, но смогли и обуздать ее, то есть заставить ядерные реакции протекать медленнее, так сказать, под контролем. Тогда огромная энергия, скрытая в самых мельчайших…

Стоя под солнечными лучами, мы непосредственно ощущаем, сколько они несут с собой энергии. Но запасать ее так, как это делают растения, мы пока не можем. Однако проектов, изобретений и идей в этой области немало. Вот, например, полупроводниковые батареи, которые позволяют энергию солнечного излучения преобразовывать непосредственно в электричество. Эти источники питания устанавливают на панелях солнечных батарей…

Археологи установили, что самый древний накопитель энергии — маховик — был изготовлен пять с половиной тысяч лет назад. Это был гончарный круг из обожженной глины, довольно долго вращавшийся после раскрутки, постепенно расходуя запасенную энергию. Проведенные в Арктике исследования привели недавно к выводу, что белая шерсть северных животных, особенно медведей, обладает свойством улавливать до 95 процентов…

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.

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

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