Как технологии хранения электроэнергии изменят мир

Текст: Андрей ВЕЛЕСЮК

В прошлом году миллиардер Илон Маск в очередной раз взбудоражил общественность: его компания за 100 дней построила и подготовила к эксплуатации хранилище для электроэнергии общей емкостью 100 МВт. Это обострило дискуссию о технологиях хранения электроэнергии и переменах, которые их развитие может принести. Мы решили разобраться, как в России готовятся к грядущим переменам и чего конкретно стоит ждать.

Фото: Flickr.com, Flickr/U.S. Department of Energy, Siemens.com, Росатом,
Newsroom.ucla.edu

Общее положение дел
В августе прошлого года министерство энергетики опубликовало «Концепцию развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации».

Россия с существенным отставанием приступает к формированию национальной промышленности систем накопления энергии и развитию рынка применения этих систем в различных секторах экономики. К примеру, в США уже в 2010 году запустили программу California Energy Storage Mandate, согласно которой в стране к 2020 году будет 1325 МВт мощностей хранения. Великобритания и Китай озаботились этим вопросом в 2016 году: первая приобрела 201 МВт систем хранения, второй планирует к 2021 году построить системы хранения емкостью 46 ГВт. А в прошлом году СМИ растиражировали историю, главным героем которой стал опять же Илон Маск: в Австралии за 100 дней была построена самая большая в мире система литий-ионных батарей (См. справку).

Авторы российской «Концепции» перечислили основные события на рынке систем хранения электроэнергии, которые уже происходят в стране: «создано множество стартапов», проводятся профильные конференции, Минобрнауки за три года выделило 1,3 млрд руб. на соответствующие НИОКР, есть программы инновационного развития. Из всего этого сделан вывод: в России пока ведутся разрозненные и нескоординированные действия, не обеспечивающие достижения прорывного эффекта в развитии отрасли и рынка систем хранения электроэнергии.

• «Интернет энергии» - использование систем хранения электроэнергии в составе распределительной энергетики;
• «новая генеральная схема» - использование систем хранения электроэнергии в составе крупной централизованной энергетики;
• «водородная энергетика» - использование систем хранения электроэнергии в водородном цикле для энергетики с высокими требованиями к автономности, мобильности, экологичности.

Большинство экспертных советов предсказуемы. Как правило, они рекомендуют осуществить пилотные проекты, поддержать НИОКР, снять регуляторные барьеры, разработать мероприятия по стимулированию спроса и развитию рынка, принять меры для развития научно-технологической инфраструктуры. Упоминается в «Концепции» и косвенное стимулирование рынка за счет изменения правил ценообразования для конечных потребителей, в частности, введение сильно дифференцированных по часам тарифов и управление спросом.

Авторы документа утверждают, что к 2025 году объем мирового рынка систем хранения электроэнергии составит около $ 80 млрд. В оптимистичном сценарии российский рынок этих систем к тому времени достигнет около $ 8 млрд в год, а общий экономический эффект, за вычетом инвестиций и с учетом экспорта (систем хранения электроэнергии и водородного топлива), составит около $ 10 млрд в год.

Спор на $25 млн

В австралийском штате Южная Австралия, зависящем от возобновляемых источников энергии, живет 1,7 млн человек; у них регулярно возникали проблемы с энергоснабжением. На территории штата было недостаточно хранилищ, чтобы поставлять больше электроэнергии во время пиковых нагрузок. В марте прошлого года основатель и глава компании Tesla Илон Маск пообещал решить эту проблему.

Миллиардер написал в своем твиттере, что готов в течение 100 дней обеспечить бесперебойную поставку электроэнергии в штат Южная Австралия. Он пообещал установить там систему батарей общей мощностью 100 МВт, стоимость которой составит $ 25 млн без учета затрат на работы по установке и налогов. Если бы компания не успела сделать это за 100 дней, заказчики не заплатили бы Tesla ни цента.

В июле Илон Маск объявил, что получил от властей Австралии согласие на строительство там самой большой в мире системы литий-ионных батарей. Станцию хранения электроэнергии подключили к ветряной электростанции в городе Джеймстаун, принадлежащей компании Neoen. Общая мощность системы батарей составила 100 МВт, емкость - 129 МВт∙ч.

В ноябре компания Tesla отчиталась о завершении работ по установке системы сверхъемких аккумуляторов Powerpack выходной мощностью 100 МВт. Правда, тогда же издание Mashable обнаружило, что к моменту официального старта работ система уже функционировала на половине проектной мощности - 50 МВт. То есть формально условие было выполнено, но Маск подстраховался, начав строить станцию раньше официального одобрения.

Впрочем, компания Neoen, за два дня заработавшая на этих аккумуляторах $ 800 тыс. (австралийских), возмущаться не стала.

Технологии хранения изменят ландшафт энергетики
Консультанты компании VYGON Consulting уверены, что развитие систем хранения энергии сыграет ключевую роль и в росте доли объектов генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Хотя в развитых странах этот сегмент и так растет достаточно быстро: в 2017 году в Германии 36,1% электроэнергии вырабатывалось из ВИЭ (на 3,8% больше, чем годом ранее). В Дании с помощью таких источников удовлетворяется более 40% общенационального спроса на электроэнергию.

Стоит также учесть, что, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), в ближайшие 25 лет более трети действующих мощностей в мире (2,3 тыс. ГВт) достигнут предельного возраста и будут выведены из эксплуатации. И скорее всего, в случае значительного удешевления технологий хранения энергии, все эти электростанции будут замещены распределенными генерирующими объектами ВИЭ. Но пока все упирается в дороговизну решений.

Эксперты VYGON Consulting считают также, что в ближайшей перспективе прорывом станет достижение сетевого паритета между технологиями хранения энергии и генерацией ВИЭ в островных и автономных системах, не обладающих значительными запасами прочности по резервам. Яркие примеры таких территорий - изолированные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока России. Именно они могут стать пилотными регионами для опытного и промышленного применения гибридных решений энергоснабжения на основе генерирующих мощностей ВИЭ в сочетании с системами хранения.

Заместитель председателя правления УК «РОСНАНО» Юрий Удальцов также считает, что появление большого количества накопителей фундаментально изменит энергосистему. Сейчас для регулирования частоты диспетчер закладывает большой резерв мощностей, чтобы покрывать пики в отдельные часы. В итоге станции в среднем загружены меньше, чем могли бы быть. С появлением промышленных накопителей графики выработки и потребления можно будет развести и сделать удобными для каждой стороны. Это принципиально изменит рынки электроэнергии и энергомашиностроения, ориентированного на маневренность. Если в ней не будет необходимости, достаточно поставить АЭС в базовый режим работы и не содержать «запасные» мощности. Ю. Удальцов заметил, однако, что это станет возможным не ранее чем через 20 лет.

Еще один тренд в изменении ландшафта энергетики касается потребления электричества, в частности, бурно растущего сегмента «умный дом». Речь идет о жилье, в котором управление системами жизнеобеспечения максимально автоматизировано. По данным отчета маркетинговой компании Zion Market, сейчас мировой рынок решений для «умного жилья» составляет $ 246 млрд и до 2022 года его среднегодовой темп роста выручки составит 17,5%. Аналитики IDC, в свою очередь, утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», и в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн аналогичных устройств. В программе «Цифровая экономика Российской Федерации» создание «умных городов», состоящих из «умных домов», названо одним из ключевых направлений.

Особенность энергообеспечения «умного дома» в том, что из-за подключенных видеоустройств, систем безопасности, датчиков дыма, «умных» осветительных приборов и т. п. он становится весьма энергоемким. Если безопасность дома зависит от энергообеспечения, потребителю очень важны надежность и бесперебойная работа оборудования. Все чаще владельцы «умных домов» используют автономные генераторы и источники бесперебойного питания (ИБП), к которым подключают самые важные системы: освещения, оповещения и пожарной безопасности. Таким образом, мы наблюдаем активное развитие сегмента распределительной энергетики.

Почему аккумуляторы не используют повсюду?
Первая понятная технология хранения энергии появилась еще в конце XIX века - это были гидроаккумулирующие электростанции. ГАЭС в период низкого спроса на электроэнергию (например, ночью) потребляют ее для набора воды в верхнее водохранилище. А в моменты пиковых нагрузок (например, в утренние часы в мегаполисе) производят электроэнергию за счет резкого сброса воды.

В России единственная действующая станция такого типа - Загорская ГАЭС в Московской области. Она помогает покрывать пиковое потребление электроэнергии столичного региона.

Сегодня совокупная мощность разного рода систем хранения энергии в мире - примерно 150 ГВт. Подавляющая доля систем хранения (97%) приходится на гидроаккумулирующие электростанции, причем в строительство новых ГАЭС ежегодно вкладывается $ 7−10 млрд. Лидеры по установленной мощности ГАЭС: Китай (31 999 МВт, 34 ГАЭС), Япония (28 252 МВт, 43 ГАЭС) и США (22 561 МВт, 38 ГАЭС). Среди прочих накопителей выделяются системы на сжатом воздухе, сульфидные натриевые и литиевые аккумуляторные батареи.

Что касается аккумуляторных батарей, эксперты оценивают затраты на их установку в пределах $ 200−800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты - у свинцово-кислотных аккумуляторов. Основной недостаток аккумуляторных батарей - низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС. Срок службы батарей может довольно сильно варьироваться в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.

Есть у систем хранения электроэнергии еще одна неочевидная сторона, помимо финансовых и технологических, - это моральный аспект. Дело в том, что для производства аккумуляторов и аккумуляторных батарей, на которых работает вся современная техника, используют кобальт. Каждый год в мире добывают примерно 120 тыс. тонн кобальта, и 60% его добычи приходится на Демократическую Республику Конго. Для сравнения: на Канаду приходится 6% добычи, на Австралию - 4%, на Россию - 3%. Цены на кобальт растут стремительно, и это стимулирует рост его добычи в Конго.

По данным ЮНИСЕФ, которые приводит интернет-издание «Медуза», в 2014 году из 150 тыс. местных горняков около 40 тыс. были детьми. Причем после того, как кобальт начал дорожать, детей в шахтах стало больше, считает Amnesty International. Некоторые из них не старше четырех лет. Рабочий день ребенка длится в среднем 12 часов, дневной заработок колеблется в районе $ 1−2.

Однако эксперты полагают, что можно избежать роста цен на кобальт и снизить объемы его потребления. Один из металлов, способных заменить кобальт (а точнее, снизить его долю в аккумуляторах до 10% с нынешних 50%), - никель. Его запасы в мире больше, он равномернее распределен между странами и потому дешевле. В таком случае удастся решить и моральную проблему.

Альтернатива литий-ионным аккумуляторам
Первые литий-ионные аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году. С того времени их емкость практически удвоилась: 110 Втч/кг превратились в 200 Втч/кг; они до сих пор главенствуют в мире аккумуляторов, но ученые активно работают над новыми технологиями хранения энергии. Вот самые интересные из них.

Натрий-ионные аккумуляторы. В таких аккумуляторах в качестве ионов, перемещающихся между электродами, используют натрий. При низкой себестоимости главный недостаток таких батарей - небольшая емкость. Ученые из Стэнфордского университета разработали новый натриевый катод, позволяющий добиться увеличения емкости. Несмотря на то что пока прошли только первичные тесты, в будущем ученые планируют оптимизировать материал и строение анода для создания полноценного эффективного аккумулятора.

Аккумуляторные батареи на основе алюминия. Группа исследователей все того же Стэнфордского университета уже несколько лет работает над недорогим решением, которое позволило бы накапливать и хранить солнечную энергию. Батарея состоит из алюминиевого анода и графитового катода, погруженных в электролит. В качестве последнего пока остановились на мочевине - химическом соединении, которое активно используется в качестве удобрения.

Такая батарея полностью заряжается за 45 минут и не горит, в отличие от литий-ионных аккумуляторов. Сейчас ученые работают над коммерческой версией батареи, в первую очередь над продлением срока ее службы - нынешняя версия выдерживает всего 1500 циклов.

Органические быстрозарядные аккумуляторы. Израильский стартап StoreDot в прошлом году представил аккумулятор для электромобилей, разработанный на основе собственных технологий. Они используют слои наноматериалов и органических соединений, которые, по словам представителей компании, никогда раньше не использовались в аккумуляторах.

В результате получился аккумулятор, который заряжается за 5 минут и может проехать на этой зарядке 300 миль. CEO StoreDot Дорон Майерсдорф говорит, что такая зарядка поможет росту популярности электромобилей. Во-первых, из-за скорости зарядки. Во-вторых, потому что FlashBattery безопаснее литий-ионных аккумуляторов - она выдерживает более высокие температуры и не горит.

Твердотельные аккумуляторы. В прошлом году Toyota объявила о прорывном открытии в собственном производстве. К 2020 году автогигант планирует начать выпуск полностью твердотельных литиевых аккумуляторов, внутри которых - жидкий или гелевый электролит. Они будут плотнее, меньше и легче нынешних. Еще один плюс - длительный срок службы.

Супер- и ультраконденсаторы. Это гибриды конденсатора (электронного компонента, способного накапливать и отдавать электрический заряд) и химического источника тока (батарейки или аккумулятора). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы обладают более высокой скоростью зарядки-разрядки и бóльшим ресурсом.

В интервью EnergyLand.info руководитель проекта «Конгран» Семен Червонобродов рассказал, что его группе удалось создать прототипы двух накопителей электрической энергии, принципиально различающихся по физическим принципам действия. Первый - суперконденсатор с высокой для этого типа энергонакопителей удельной емкостью. Второй - литий-ионный гибридный суперконденсатор с принципиально новым катодом. Также создан новый, экологически чистый электролит на основе полиаминокислот.

Основной сферой применения суперконденсаторов он считает транспортную отрасль. Сейчас ведутся работы над удешевлением производства.

Строительство аккумулирующих станций неизбежно
В современном мире очевиден тренд к постепенному выводу угольной генерации без установок по улавливанию и хранению CO2. Согласно прогнозам, к 2030 году будут выведены из эксплуатации 2/3 мощностей действующей генерации. Взамен в ряде государств переходят на ВИЭ.

Интеграция в энергосистему нестабильных ВИЭ ведет к снижению выбросов, но ставит вопрос о повышении гибкости энергосистемы.

Параллельно стремительными темпами растет потребность в электроэнергии, в том числе вследствие развития технологий «умного дома». В ближайшие годы миллионы устройств дополнительно будут подключены к Интернету. К примеру, аналитики IDC утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», таких как датчики дыма, сигнализации, системы видеонаблюдения; в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста продаж составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн устройств такого рода. Всё это не может не затронуть различных аспектов функционирования энергетики, и в первую очередь -объемов ее потребления и способов хранения.

В связи со всеми этими переменами в ряде государств уже сейчас в планах по развитию ВИЭ зафиксирована необходимость строительства гидроаккумулирующих станций, например, в Индонезии (3 ГВт к 2025 году) и в Испании (8,8 ГВт к 2020 году). А в штате Калифорния политика в отношении хранения энергии определена законодательным органом штата в 2010 году и требует, чтобы коммунальные предприятия и прочие энергокомпании планировали закупки объектов хранения.

Основной рост объема накопителей энергии, согласно прогнозам экспертов, в ближайшие годы будет обеспечен за счет интеграции ВИЭ с применением литий-ионных батарей. Ожидается, что к 2023 году ежегодный доход от таких аккумуляторов возрастет до $ 18 млрд. Хотя наверняка гидроаккумулирующие станции, самые крупные из доступных систем накопления энергии, еще какое-то время сохранят лидерские позиции среди общесистемных накопителей энергии.

Как собирается участвовать в этом глобальном тренде Россия? Ответа пока нет. Ведомственных концепций для реального развития рынка мало. Мы готовим обзор ситуации внутри страны в части развития технологий хранения энергии и перспектив спроса. Ищите его в одном из ближайших выпусков журнала.

Как в мире сохраняют электроэнергию

Ирландско-немецкие гибриды
Ирландские власти планируют к 2020 году добиться того, чтобы 40% энергобаланса в стране обеспечивали ВИЭ; к 2035 году они хотят довести этот показатель до 100%. Большая часть этой электроэнергии поступает с крупных ветряных электростанций.

Для того чтобы стабилизировать систему, немецкая компания Freqcon GmbH в Южном Дублине в 2016 году ввела в эксплуатацию систему хранения энергии, интегрированную с ультраконденсаторами Maxwell и литий-ионными батареями, для Tallaght Smart Grid Testbed. Литий-ионная батарея UltraBattery - это гибрид химической батареи и ультраконденсатора. Поставщик батареи, компания Ecoult, утверждает, что изобретение безопасно, устойчиво, надежно и пригодно для вторичной переработки. Система имеет установленную мощность 300 кВт и емкость 150 кВт∙ч.

Она разработана в первую очередь для демонстрации работы системы поддержки стабильности распределительной сети и решения проблем, связанных с нерегулярностью производства электроэнергии на электростанциях, работающих на ВИЭ.

Если система покажет свою жизнеспособность, ее развернут по всему Дублину и в дальнейшем - по всей Ирландии.

Нидерландские автомобили-батарейки
В апреле этого года в Mitsubishi анонсировали совместный проект с компаниями Hitachi и Engie, который позволит использовать электромобили в качестве хранилищ возобновляемых источников энергии для зданий.

Тестовые работы развернут в офисном здании Engie, расположенном в голландском городе Заандаме. Там Hitachi установила свое двунаправленное зарядное устройство V2X, способное отправлять энергию обратно в сеть.

Зарядное устройство подключено к энергоснабжению здания, которое, в свою очередь, оснащено солнечными батареями. Поскольку батареи зачастую генерируют избыточную электроэнергию, она будет храниться в аккумуляторе электромобиля. В случае перебоев эти автомобили будут действовать как аварийное питание. В качестве батареи компании будут использовать электромобиль Mitsubishi Outlander (PHEV).

Если эксперимент окажется успешным, линейку электромобилей, которые могут участвовать в создании аналогичных систем регулирования энергии, обещают расширить. В британской энергокомпании Moixa утверждают, что всего десять новых автомобилей Nissan LEAF могут хранить столько энергии, сколько хватит на час стандартного энергопотребления тысячи домов.

Первыми о подобном использовании электромобилей заявили специалисты Renault: они пообещали создать на португальских островах Мадейра интеллектуальную электрическую экосистему, в которой батареи будут использоваться как стационарные хранилища энергии.

Ультраконденсаторы из Сан-Диего
С 2016 года кампус Калифорнийского университета в Сан-Диего обеспечивается электроэнергией в режиме микроэнергетической системы с пиковой мощностью 42 МВт.

В кампусе проживает 45 тыс. человек - как в небольшом городе. 85% потребления покрывает собственная генерация, включающая парогазовую установку (30 МВт), станцию на топливных элементах (2,8 МВт), солнечную фотоэлектрическую станцию (2,2 МВт).

Система хранения организована из стандартных литий-ионных хранилищ и ультраконденсаторов. Цель проекта - убедиться, что ультраконденсаторы могут обеспечить более экономичную систему хранения энергии и лучшее время отклика, чем батареи.

Как мы уже говорили, в ультра-, или суперконденсаторах заряды разделяются электростатически, а не химически. Это позволяет ультраконденсаторам заряжаться и разряжаться за доли секунды, нормально функционировать в широком температурном диапазоне (от -40 0С до +65 0С), надежно отрабатывать 1 млн циклов зарядки/разрядки и противостоять вибрации. Батарея конденсаторов включается параллельно автомобильному аккумулятору. Параллельная схема значительно увеличивает срок службы аккумулятора, позволяя ему иметь меньшую емкость и, следовательно, меньшие габариты.

До появления ультраконденсаторов эта схема была нереализуема из-за больших размеров конденсаторов. Теперь, если происходит резкое снижение мощности, модули ультраконденсатора поддерживают систему, а когда солнечная энергия возрастает, они заряжаются. Таким образом, ультраконденсаторы выполняют быстрые функции, такие как управление частотой, в то время как батареи используются для сдвига пика потребления и формирования оперативного резерва.

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…

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.

1. Гасите свет, переходя из комнаты в комнату. Установите тепловые датчики движения, которые будут выключать свет за вас.
2. Используйте местное освещение: подсветки, торшеры, бра. Например, чтобы каждый раз не включать основные источники света, в комнате лучше установить подсветку из светодиодной ленты.
3. Помните, что чистота - залог экономии. Грязные окна и пыльные плафоны снижают уровень освещённости в помещении до 35%.
4. При ремонте учитывайте, что светлые стены и будут отражать до 80% светового потока, а тёмные - лишь около 12%.
5. Замените лампочки накаливания на энергосберегающие и светодиодные. Замена только одной лампы позволит экономить около 1 000 рублей в год.

Возьмём, к примеру, Москву. 1 кВт·ч в столице стоит Тарифы на электрическую энергию для населения и приравненных к нему категорий потребителей на территории г. Москвы, за исключением Троицкого и Новомосковского административных округов 5,38 рубля. Представим, что в трёх квартирах по восемь часов в сутки горят три лампочки: светодиодная, энергосберегающая и накаливания. Для более объективной картины выберем лампы такой мощности, чтобы они давали примерно одинаковый уровень освещённости. И вот что мы получим.

Вид лампы	Светодиодная	Энергосберегающая	Накаливания
Потребляемая мощность, кВт	0,013	0,025	0,1
Ресурс лампы, часы	50 000	8 000	1 000
Стоимость лампы, руб.	248	200	11
Стоимость часа эксплуатации Стоимость часа эксплуатации = тариф × мощность + стоимость лампы ⁄ ресурс , руб.	0,0749	0,1595	0,549
Часовая экономия Часовая экономия = стоимость эксплуатации лампы накаливания − стоимость эксплуатации сравниваемой лампы , руб.	0,4741	0,3895	-
Срок окупаемости Срок окупаемости в часах = (стоимость лампы − стоимость лампы накаливания) ⁄ часовая экономия , часы	499,89	485,24	-
Срок окупаемости Срок окупаемости в днях = срок окупаемости в часах ⁄ 8 , дни	62,49	60,65	-
Годовая экономия Годовая экономия = (8 × 365 − срок окупаемости в часах) × часовая экономия , руб.	1147,37	948,34	-

Получается, что через два месяца одна энергосберегающая лампа позволит вам ежечасно экономить 40 копеек, а 10 лампочек - 4 рубля.

Правильно пользуйтесь электроприборами

1. При отсутствии двухтарифного отключайте все неосновные электрические приборы на ночь, а зарядные устройства - после полной подпитки техники.
2. Холодильник необходимо регулярно размораживать, если в нём нет специальной системы No Frost. Проследите, чтобы устройство стояло как можно дальше от отопительных приборов и обеспечивалась естественная вентиляция задней стенки. Ставьте в него только остывшую посуду!
3. Отслеживайте работоспособность конфорок электрической плиты и ставьте на них только подходящую по размеру посуду с ровным дном.
4. Накрывайте кастрюли и сковородки крышками: они уменьшают потерю тепла почти в три раза.
5. Старайтесь не перегружать стиральную машину (чрезмерная загрузка увеличивает расход электричества до 10%) и использовать средний температурный режим. На стирку при 30 градусах тратится на 35% меньше энергии, чем на стирку при 40 градусах.
6. Используйте электрический чайник вместо электроплиты для разогрева воды. Так будет гораздо экономичнее. Кипятите только тот объём жидкости, который нужен в данный момент.
7. Регулярно проводите чистку вентиляторов и фильтров кондиционера.
8. Вещи, требующие низкого температурного режима, после выключения утюга.
9. Не оставляйте технику, в том числе микроволновки, телевизоры, компьютеры, сканеры, принтеры, модемы, в режиме ожидания. Это позволит сэкономить более 200 кВт в год.
10. Используйте электрические розетки с таймером.

Покупайте энергосберегающую бытовую технику

1. Все электрические приборы маркируются латинскими буквами от A+++ до G. Выбирайте технику с низким классом энергопотребления, маркированную A и B.
2. Покупайте приборы, в которых используются новейшие технологии экономии электроэнергии. Например, всё более популярными становятся индукционные варочные панели, нагревающие только дно посуды и не растрачивающие энергию впустую. КПД таких плит доходит до 95%!

Установите двухтарифный счётчик

1. Двухтарифный счётчик позволяет экономить по ночам. Такие счётчики выгодны тем, кто может использовать энергоёмкие бытовые приборы: посудомоечную и стиральную машины, хлебопечку - с 23.00 до 7.00. В среднем счётчик окупает себя за год.

Не тратьте тепло зря

1. Вместо традиционного обогревателя используйте кондиционер, настроенный на режим обогрева. Если это позволяет производитель, конечно. Многие кондиционеры нельзя использовать при отрицательных температурах.
2. Инфракрасный обогреватель экономичнее остальных на 30–80%.
3. Если в доме установлены электрические батареи, старайтесь содержать их в чистоте, чтобы пыль не поглощала часть тепла, а вам не приходилось увеличивать температурный режим.
4. Используя водонагреватель, уменьшите температуру нагрева воды.
5. Замените накопительный водонагреватель на проточный. Так вы не будете тратить электроэнергию на постоянное поддержание определённой температуры воды.
6. Нагревайте воду только при необходимости. Отключайте бойлер от электросети, когда уходите из дома и по ночам.
7. Раз в три месяца чистите водонагреватель от , которая увеличивает расход электроэнергии на 15–20%.
   • Отключите аппарат от сети и перекройте подачу воды.
   • Полностью слейте воду.
   • Снимите крышку бойлера, осторожно отсоедините провода и выкрутите термореле.
   • Раскрутите гайки, удерживающие фланец. Подтолкните фланец вверх, проверните и вытащите наружу.
   • Теперь можно очистить нагревательный элемент металлической щёткой. Избавиться от налёта поможет и раствор уксусной кислоты и горячей воды (1: 5). Просто поместите в него ТЭН на 30 минут и следите за тем, чтобы уплотнительная резина не соприкасалась с кислотой.