Перспективы энергоскладов: как мы будем хранить электричество
Возможности накапливать и распределять энергию ВИЭ отстают от развития способов ее получения. Что же предлагает мировая наука и на что делают ставку в России?
Недавний блэкаут на Пиренейском полуострове напомнил миру о большой проблеме — неразвитости технологий накопления энергии. Ученые давно пытаются найти надежные способы аккумулировать значительные объемы, чтобы использовать их позднее, но революции в данной сфере до сих пор не произошло. Многие воспринимают это как тупик зеленой энергетики, где выработка априори не может быть равномерной и постоянной и без хороших накопителей, способных не только хранить энергию, но и быстро забирать ее и отдавать обратно, будет провоцировать сбои в энергосетях. Устойчивость и гибкость ВИЭ зависит именно от накопителей, которые позволяют запасать избыток энергии и использовать его в периоды пикового спроса или низкой генерации.
Между тем в качестве накопителей сегодня в основном применяют разработки конца XIX века. Это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), на которые приходится 99% всей запасаемой энергии в мире. В состав ГАЭС входит комплекс гидрогенераторов и насосов либо обратимые гидрогенераторы. Ночью, в часы провала энергопотребления, эти станции получают из сети дешевую энергию и расходуют ее на перекачку воды в верхний бьеф, а утром и вечером, в периоды пикового спроса, сбрасывают воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая более дорогую энергию. Такая схема считается эффективной: мощность существующих ГАЭС варьируется от 1 до 3000 МВт, КПД составляет 70–85%, а эксплуатационный срок службы превышает 40 лет.
Но сегодня потенциал ГАЭС практически исчерпан: эти сооружения слишком громоздки и могут возводиться только в определенных местах на реках. «В Западной Европе уже почти не осталось створов, мест на реках, где можно было бы поставить ГАЭС. А именно там, где есть возобновляемые источники, эти станции особенно нужны, ведь мы не можем регулировать время выработки ВИЭ», — поясняет Игорь Чаусов, директор аналитического направления АНО «Центр энергетических систем будущего “Энерджинет”».
Помимо ГАЭС, для крупных систем с ВИЭ используются накопители на основе сжатого воздуха. Избыточную энергию они расходуют на питание мощных компрессоров, которые закачивают воздух под давлением в резервуар. Однако для извлечения накопленной энергии из резервуара нужен подвод тепла извне — по факту это газовая турбина. Подобную систему можно реализовать не везде; к тому же, как и в случае с ГАЭС, она плохо масштабируется на малые мощности, а энергетика ВИЭ становится все привлекательнее для частных домохозяйств.
Инновации в этой области уже стали идеей фикс для ученых. Последние 10–15 лет делается огромное количество попыток создать принципиально новые накопители, которые позволили бы без ограничений использовать дешевую и доступную энергию солнца и ветра. Ряд из них уже реализован в «железе», другие только готовятся занять свои рыночные ниши.
Химический подход
Чаще всего в новых проектах применяют электрохимические аккумуляторы. Они работают по тому же принципу, что и батареи в привычных нам устройствах — электромобилях, электроприборах, ноутбуках, мобильных телефонах. Их действие основано на химических реакциях окисления и восстановления, протекающих на электродах: аноде (отвечает за восстановление — получение электронов) и катоде (отвечает за окисление — отдачу электронов). На специализированных заводах выпускаются комплектующие для таких накопителей, а потом из них, как из кирпичиков, собираются очень большие системы, занимающие целые здания и способные накапливать мегаватт- и гигаватт-часы электроэнергии.
Основная ставка делается на доминирующие на рынке литий-ионные аккумуляторы. Крупнейшая в мире установка для ВИЭ с литий-ионными аккумуляторами была построена в 2017 году компаниями Tesla и Neoen на территории ветропарка Хорнсдейл в Австралии — считается, что именно она сыграла решающую роль в стабилизации энергосистемы региона. Комплексы солнечных панелей с литий-ионными накопителями введены в эксплуатацию в четырех штатах США, включая Гавайи, а также в Австралии, Великобритании, ОАЭ и Китае. Число их, вероятно, будет расти.
Однако, как признают ученые, эти накопители далеко не передовой край науки и технологий в области хранения энергии. По словам Игоря Чаусова, у литий-ионных систем есть серьезные недостатки, в частности относительно небольшое количество циклов заряда-разряда, воспламеняемость и высокая токсичность некоторых компонентов, а также сложная и дорогая переработка. Кроме того, батареям данного типа необходима сложная система управления и контроля, регулирующая токи, температуру на отдельных аккумуляторах и, главное, выравнивающая их напряжение в процессе заряда и разряда. Без такой системы вся батарея может начать работать на заряд единственного аккумулятора с минимальным напряжением, следствием чего станут пожар и взрыв.
В последние годы все больше авансов выдают твердотельным литиевым аккумуляторам, которые должны прийти на смену привычным литий-ионным. Это накопители с твердым «телом» электролита, состоящим из полимерных и композитных материалов на основе неорганических оксидов и сульфидов (у каждого разработчика имеются собственные уникальные формулы химического состава смеси). Твердотельный вариант, в отличие от жидкого, сочетается с более широким кругом тоже твердотельных катодных и анодных материалов, позволяющих повысить удельную плотность заряда (плотность накопленной энергии); кроме того, у него нет проблем с образованием литиевых дендритов, вызывающих пробои и короткие замыкания, термически и механически он стабильнее и обладает лучшей ионной проводимостью. В готовых изделиях это конвертируется в более высокие показатели энергоемкости, потенциально большие сроки работы между зарядками, а также в более долгое время службы. Однако подобные устройства все еще доводятся до ума (ими занимаются в Toyota, Volkswagen, Panasonic и других компаниях) и не вышли на стадию освоения рынка. А в прошлом году японская TDK Corporation объявила, что подготовила новый материал для твердотельных аккумуляторов, обеспечивающий плотность энергии 1000 ватт-час на литр — примерно в 100 раз выше, чем у прочих моделей твердотельных батарей.