В прошлом году возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, достигли рекордного уровня в 10% от мировой выработки электроэнергии. Прогнозируется, что их общая мощность может увеличиться более чем на 60% в ближайшем будущем. Однако полный отказ от ископаемого топлива по-прежнему представляет собой сложную задачу. Нефть и газ обеспечивают стабильное производство энергии, в то время как гидро-, солнечные и ветряные электростанции зависят от погодных условий. Для преодоления этой проблемы необходимы системы накопления и хранения энергии. В этой статье мы рассмотрим типы таких систем. Мы настолько привыкли к аккумуляторам и батареям, что сложно представить себе альтернативные способы хранения энергии. Однако, современные батареи не лишены недостатков: их производство наносит вред окружающей среде, емкость ограничена, а для их изготовления используются редкие металлы с ограниченными запасами.
Самая большая ГАЭС в мире
Поэтому поиск альтернативных методов накопления энергии является актуальной задачей. Вместо того чтобы хранить энергию в виде химических соединений, как это происходит в обычных батареях, можно использовать иные подходы. Например, механические методы хранения энергии, основанные на принципах движения и взаимодействия, являются перспективным направлением.
Альтернативные способы хранения энергии
Энергия воды
Наверное, древнейший способ известный человечеству. Потенциальная энергия воды запасается при помощи простого перегораживания русла и создания водохранилища (или любого другого накопления воды, включая вариант с водонапорной башней).
Когда нужно, открывается шлюз и потенциальная энергия превращается в кинетическую.
Крупнейшая гидроаккумулирующая станция в мире называется Bath County и расположена в США. Ее установленная мощность 3000 Мегаватт.
Кстати! Еще более древний способ — это использование упругости ветки. Согнутая ветка с веревкой превращается в лук — самое древнее оружие использующее не только физическую силу человека.
Ничто не мешает использовать в качестве накопителя любую другую массу, не обязательно воду. Можно понять на высоту любой груз, а когда понадобится — отпустить. Это гравитационный аккумулятор. И он был построен пока что в виде прототипа. Компания Advanced Rail Energy Storage построила систему потенциально подсобную хранить от 0,2 до 3 Гигаватт часов энергии.
Устройство состоит из железнодорожных вагонеток с грузом, которые могут подниматься и опускаться по наклонной траектории. Электродвигатель поднимает груз вверх, а когда он движется вниз, переключается в режим генератора. Достоинством этой идеи является то, что вода системе не нужна и построить такую установку можно где угодно.
Пневматический аккумулятор
Хранить энергию можно и в виде сжатого воздуха. Пневматический аккумулятор устроен просто. Сжатый под давлением газ, отличный способ запасти энергию, а чтобы он произвел полезную работу, достаточно открыть клапан и направить поток на турбину.
Единственным но существенным минусом, является то, что часть энергии неминуемо будет потрачена на нагрев самого газа при его сжатии, а при расширении температура будет падать вплоть до замерзания элементов системы. Производители заявляют, что КПД таких установок может достигать 50-70%.
Британская компания Energetix Group в 2009 установила две системы под названием Pnu Power способные в течение 10 часов “выдавать“ нужную мощность в электросеть. Правда, пока ни к каким особенным революционным изменениям в энергетике это не привело.
Аккумуляторы Pnu Power
Видимо сказывается низкая энергоемкость воздуха по сравнению с углеводородным топливом (плотность энергии).
Существует множество проектов, предлагающих аккумулировать энергию с помощью сжатого воздуха. Например, можно закачать воздух в пустующие шахты или в эластичные резервуары глубоко под водой (в таком случае давление воды будет работать “на систему”). Можно охладить воздух до жидкого состояния и хранить его в таком виде под землей. Идей множество.
Сжатый воздух можно использовать и в транспортной сфере. Например, такие автопроизводители как Peugeot, Citroën, Tata уже продемонстрировали концепт кары движущиеся за счет сжатого воздуха. Такие воздухомобили предлагаются как “в чистом виде” так и в виде гибридных систем.
Гибрид Citroen Cactus Airflow будет расходовать всего 2 литра топлива на 100 км
Инерционный аккумулятор
Еще один интересный способ аккумулирования энергии. Идея состоит в том, чтобы раскрутить маховик в виде колеса, а когда энергия понадобится отбирать ее преобразовывая кинетическую энергия вращения в электрическую или, на худой конец, в такую же кинетическую. Конечно, чтобы сократить потери на трение, такие маховики должны быть подвешены в магнитном поле и, по возможности, в вакууме.
И это не просто идея. На ее воплощение можно взглянуть “в металле”. Инерционные аккумуляторы только кажутся простыми устрйосвами.
Например, компания Beacon Power сообщает, что уже построила 3 коммерческие “регулирующие электростанции”, которые в общей сложности насчитывают более 400 колес.
Непросто, зато на 100% экологично. Да и КПД такого устройства достигает 98%.
В 2011 году компания Cisco открыла в штате Техас дата центр в котором в качестве источников бесперебойного питания используются маховики.
Инерционный транспорт
В 50-60-е годы существовал еще один интересный проект — гиробус. Это электрический автобус в котором вместо аккумулятора используется именно колесо-маховик. Такие “безрогие троллейбусы” некоторое время ездили в Швейцарии, Бельгии и Конго.
Но на существовавшем в то время техническом уровне концепция себя не оправдала. Гиробус был тяжелым из-за маховика (весом в три тонны), подшипники такого “колеса” очень быстро изнашивались. К тому же раскрученный маховик, это гироскоп, который как всем известно “пытается” сохранить стабильное положение относительно оси вращения, что затрудняет маневрирование и управление. В итоге, гиробусы можно встретить только в музее.
В музее автобусов и трамваев Антверпена хранится единственный сохранившийся гиробус — бельгийский Gyrobus G3-1. (c) Vitaly Volkov | Wikipedia
Хотя нет, есть еще одно место на Земле, это трасса гонки Le mans 24, гибридный автомобиль Audi R18 e-tron использует маховик для аккумулирования энергии, вместо привычных химических батарей.
Гибрид Audi R18 E-tron. Внутри у него супермаховик вместо химического аккумулятора
Почему же все эти интересные идеи до сих пор не реализованы? Есть такой интересный показатель, который называется плотность энергии, он показывает, какое количество энергии можно хранить в определенном объеме или массе. Все значения ниже Вт*час/кг (Ватт-часов в 1 килограмме массы):
- Сжатый воздух — 11-28
- Литий-ионный аккумулятор — 100–243
- Супермаховик — 300-500
- Уголь — 6 700–9700
- Дизельное топливо — 12 666
- Бензин — 12 888
- Водород (газообразный) — 39 405
- Уран 238 — 1 539 842 000
Как видно из списка, наши традиционные ископаемые виды энергии просто более плотно ею набиты, чем инновационные. Привычные литий-ионные аккумуляторы , чтобы обеспечить то же количество энергии, что и бензин, должны быть более чем в 100 раз тяжелее. Ну а ядерное топливо, по этому показателю, вообще вне конкуренции. Скорее всего, это основная причина низкого интереса к таким системам в современной энергетике. Но это только пока.
Избавиться от метеозависимости
Представьте, что вы живете в доме, который питается исключительно от солнечных панелей. Они преобразуют энергию Солнца в электричество, не сохраняя ничего на будущее. В хорошую погоду такая система работает отлично, но наступает вечер, и ваше жилище вдруг оказывается обесточено. Еда в холодильнике портится, освещать комнату приходится с помощью свечей, а если у вас нет пауэрбанка, то нет и возможности зарядить смартфон или ноутбук.
Конечно, на самом деле в энергосистеме всегда есть резервные источники энергии — например, солнечную электростанцию без аккумуляторов можно использовать только в светлое время суток, а в отсутствие солнца пользоваться электричеством из городской сети. Однако это не решает глобальной проблемы: альтернативная энергетика по-прежнему сильно зависит от погоды. Между тем пик энергопотребления, как правило, наступает утром и вечером — как раз в отсутствие солнечного света. Миллионы людей встают по утрам на работу и включают электрические чайники, а вечером смотрят телевизор или проводят время за видеоиграми. Ситуация усугубляется осенью и зимой, когда солнце может быть скрыто за тучами почти целый день.
Компенсировать пиковые нагрузки можно с помощью невозобновляемых источников энергии — угля или газа. Но смысл альтернативной энергетики в том, чтобы научиться обходиться без них. Стоит учитывать и возможность сбоя в системе энергоснабжения. Что делать, если всю неделю стоит пасмурная погода, солнечные батареи вырабатывают мало энергии, а на электростанции как раз в это время произошел сбой?
На такой случай обеспечить дом светом могут системы накопления и хранения энергии. Они не только позволяют запасаться ею впрок, но и снижают нагрузку на электростанции. Накопители позволяют компенсировать недостатки возобновляемых источников, которые не производят энергию постоянно с одинаковой мощностью или именно в те периоды, когда это нужно людям, и больше полагаться на силу ветра и солнечный свет.
Накопительные системы устраняют необходимость одновременного производства и потребления энергии, а вот принципы их работы могут быть самыми разными.
Зарядить батарейку
Хранить энергию можно в химических связях, которые соединяют атомы в молекуле вещества. Уголь и нефть тоже в определенном смысле система хранения энергии, накопившейся за миллионы лет формирования месторождений. Однако у ископаемых источников энергии есть существенный минус: они исчерпаемы.
Этого недостатка лишены Солнце и ветер, а полученную с их помощью энергию тоже можно превратить в химические связи. Например, направить ее на электролиз воды, чтобы получить водород (эта технология так и называется — power-to-gas), который можно использовать в качестве топлива. Газ хранится в специальных резервуарах и высвобождается по мере необходимости. При сгорании водородного топлива получается вода, и, таким образом, цикл замыкается.
Еще один способ перевести энергию ветра или Солнца в химические связи — использовать перезаряжаемую аккумуляторную батарею. У литий-ионных аккумуляторов есть несколько преимуществ: они быстро производятся, эффективно хранят энергию и практически мгновенно выдают ее устройствам. Первые аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году. С тех пор их емкость выросла практически в два раза, однако сейчас прогресс замедлился.
Эксперты прогнозируют, что рынок литий-ионных аккумуляторов будет только расти: они не только используются в большинстве компактных гаджетов, таких как смартфоны и лэптопы, но также способны питать электромобили и хранить энергию для коммунальных предприятий. Поэтому крупные корпорации, в частности автоконцерны, все еще доверяют этой технологии и инвестируют в нее. Однако для таких целей требуются значительно более емкие аккумуляторы.
Такие устройства производит, например, Tesla: гигантский литий-ионный аккумулятор Megapack предназначен для хранения энергии на электростанциях и коммунальных предприятиях. Накопленная энергия расходуется в часы пиковых нагрузок. А компания Mercedes-Benz Energy разрабатывает похожие системы на основе отработавших аккумуляторов и запасных частей от электромобилей.
Аккумуляторы Tesla Megapack. Tesla
И все-таки литий-ионные аккумуляторы не идеальны. Они дорого обходятся в производстве и быстро деградируют, а еще чувствительны к повреждениям и высоким температурам. Это не только приводит к износу самих батарей, но и вызывает пожары, которые сложно тушить: их горение сопровождается бурной химической реакцией. Комиссия по безопасности потребительских товаров США сообщила, что за пять лет было зарегистрировано более 25 000 проблем, связанных с возгоранием или перегревом литий-ионных аккумуляторов.
Так, например, в 2016 году, через 2 месяца после старта продаж, компания Samsung отозвала более 2,5 млн смартфонов Galaxy Note 7 из-за многочисленных случаев возгораний и взрывов — ущерб составил примерно $5 млрд. Это произошло из-за неправильной конструкции аккумулятора. А в 2021 году на строящемся хранилище энергии в Австралии загорелся 13-тонный аккумулятор Tesla Megapack. Утечка в системе жидкостного охлаждения вызвала тепловой разгон внутри аккумуляторных модулей, что и привело к возгоранию.
Помимо литий-ионных аккумуляторов, существуют также свинцово-кислотные, натрий-серные, никель-металлогидридные, никель-кадмиевые и никель-железные батареи, натрий-ионные аккумуляторы, а также алюминиевые батареи, которые полностью заряжаются за 45 минут и не горят. Все они отличаются друг от друга сроком эксплуатации, устойчивостью к высоким и низким температурам и скоростью потери заряда, а также мощностью и энергоемкостью. Универсального накопителя нет — каждый из них лучше подходит под решение конкретной задачи.
Для стационарных аккумуляторов большой емкости создают проточные редокс-батареи. Это огромные контейнеры с электролитами: ванадием, соленой водой или раствором хлора или цинка, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Редокс-батареи дешевле аккумуляторов, а их содержимое не заключено в единый корпус, как у аккумуляторов. Это позволяет изменять размеры резервуаров с электролитом, а также размеры модулей, преобразующих энергию химических веществ в электроэнергию, и гибко управлять мощностью и емкостью. Мощные проточные батареи сегодня используются в сочетании с солнечными и ветряными электростанциями.
Схема проточной редокс-батареи. Wikimedia Сommons
Еще одна важная разработка — суперконденсаторы. Это устройство, состоящее из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора, не допускающего перемещения заряда между электродами. Особенность суперконденсаторов заключается в том, что они способны заряжаться всего за несколько секунд или минут. Поэтому используют их там, где требуется большая мощность на небольшой срок: для запуска двигателя в автомобилях, чтобы снизить нагрузку на аккумулятор, в общественном транспорте (троллейбус может обходить на суперконденсаторе небольшие участки, где отсутствует контактная сеть) и в бытовой электронике — фотовспышках и автомагнитолах.
Преобразовать энергию
Но что, если обратиться не к химии, а к физике? Человечество придумало, как использовать для хранения электроэнергии гравитацию, энергию вращения и давление сжатого воздуха.
Плотина гидроэлектростанции (ГЭС) сохраняет потенциальную гравитационную энергию воды: накопленная в резервуарах жидкость сбрасывается с большой высоты и вращает лопасти генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Более сложный вариант — гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Они позволяют более равномерно расходовать энергию в течение дня, снижая нагрузку на электросеть. В часы пиковой нагрузки затраты на получение энергии возрастают, а по ночам, когда энергопотребление низкое, энергия намного дешевле. По ночам ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее, перекачивая воду наверх с помощью насосов, а во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления вода сбрасывается на лопасти генератора. Так вырабатывается дорогая электроэнергия, которая отдается в сеть.
Верхний резервуар и плотина гидроаккумулирующей станции Ффестиниог в Северном Уэльсе. Public domain
Тем не менее в ближайшие годы использование ГАЭС будет расти. В США планируют превратить живописное водохранилище Сан-Висенте в Сан-Диего в гигантский «водяной аккумулятор». Китай расширяет свою сеть гидроаккумулирующих электростанций: в начале 2022 года заработала крупнейшая в мире ГАЭС в провинции Хэбэй, а к 2025 году собираются построить 200 насосных гидроэлектростанций общей мощностью 270 гигаватт. В России на данный момент действуют две ГАЭС: одна — в составе Каскада Кубанских гидроэлектростанций, другая — в Сергиево-Посадском районе Московской области. Еще четыре проектируются или уже строятся.
Помимо ГЭС и ГАЭС, гравитация также используется в железнодорожных накопителях. В начале 2022 года компания Fortescue Future Industries объявила о создании электрического поезда Infinity Train для перевозки железной руды. Его батарея будет перезаряжаться благодаря силе тяжести — иначе говоря, поезд будет служить гравитационным аккумулятором для самого себя.
Infinify Train — поезд с гравитационным накопителем энергии. Fortescue Metals Group
Наконец, в накоплении электроэнергии в больших объемах помогает давление сжатого воздуха. Дешевое электричество можно потратить, закачав воздух в специальный накопитель с помощью электродвигателя. Когда нужно получить электроэнергию, сжатый воздух выпускается из накопителя и вращает турбину генератора.
Энергию солнца можно также преобразовать в тепловую и сохранять в таком виде некоторое время. Удерживать энергию может, например, расплавленная соль. Сперва соль нагревают с помощью гелиостатов — сконцентрированных на солнце зеркал, которые собирают тепло солнечного света. Затем она направляется в резервуар и по мере необходимости приводит в действие парогенератор. Полученный пар вращает турбину, которая вырабатывает электроэнергию. Эта технология помогает подавать в дома электричество по вечерам.
Солнечная электростанция Andasol мощностью 150 МВт в Испании накапливает энергию в резервуарах с расплавленной солью. Wikimedia Commons
Копить на будущее
По оценкам экономистов, к 2040 году мировой рынок систем накопления и хранения энергии (без учета ГАЭС) вырастет в 122 раза от уровня 2018 года, а их совокупная мощность превысит порог в 1000 ГВт, а энергия — 2,850 ГВтч. На сегодняшний день совокупная мощность систем хранения энергии в мире — примерно 150 ГВ·т.
Важнейшие параметры для накопителей — это коэффициент мощности, время заряда-разряда, продолжительность хранения и стоимость внедрения. Необходимо учитывать, что на поддержание их работы — сохранение подходящей температуры или преобразование энергии — также затрачиваются ресурсы. Поэтому наиболее перспективными сегодня выглядят именно электрохимические накопители. Другие варианты накопителей только разрабатываются, а если используются, то в экспериментальном режиме.
Проблема системы power-to-gas заключается в том, что во время электролиза теряется от 19 до 33 процентов энергии. Кроме того, электролиз — это довольно дорогой процесс. В частности, из-за того, что для уменьшения энергозатрат и ускорения реакции используются катализаторы на основе металлов платиновой группы, главным образом платины и палладия. Сегодня технологию power-to-gas целесообразно использовать только для долгосрочного хранения энергии. И наконец, перевозка водорода — также сложное предприятие, которое сопровождается риском утечек и взрывов при контакте с кислородом.
Как сделать технологию power-to-gas более доступной?
Корпорация Росатом ведет разработку новых электролизеров. В этих установках используется прочная матрица из особого материала, которая проводит анионы — отрицательно заряженные ионы ОН— — и тем самым позволяет снизить расходы на катализаторы. В 2023 году новые электролизеры планируют отправить на Кольскую АЭС, где появится испытательный комплекс производства водорода.
Кроме того, ученые изучают вещества, которые частично состоят из водорода и при этом легче транспортируются, например аммиак, который можно получить, соединив водород с азотом. Однако после транспортировки из аммиака необходимо будет вновь получить водород, а этот процесс требует дорогостоящих установок. Поэтому исследования продолжаются.
Компании со всего мира разрабатывают гибридные системы, которые объединяют преимущества и компенсируют недостатки разных типов накопителей. Например, в Нидерландах с 2020 года работают гибриды из литий-ионных аккумуляторов и маховиков от голландской компании S4 Energy. Как утверждают разработчики, использование литий-ионных аккумуляторов в сочетании с маховиками продлевает срок службы батарей как минимум до 15 лет.
Маховик KINEXT от компании S4 Systems — часть гибридной системы накопления и хранения энергии. S4 Energy
Источник: https://nplus1.ru/
