Альтернативная энергетика требует новых решений в хранении энергии, да и обычная бы от них не отказалась.
В какой аккумулятор можно закачать сотни мегаватт?
Уальтернативной энергетики много преимуществ — относительная экологичность, условная бесплатность источников, стимулирование развития технологий.
Однако есть у нее и врожденные слабые места, не преодолев которые нельзя рассчитывать на замещение энергетики традиционной.
- И одно из самых заметных — неравномерность генерации.
Тепловая электростанция выдает энергию ровно, прогнозируемо и управляемо. Зима или лето, ночь или день — знай кидай себе уголь в топку. Нужно побольше — кидай интенсивнее, спрос снизился – кидай реже. Ну да, дымит. Но работает же! Это, конечно, серьезное упрощение, но в общем и целом дела обстоят именно так — стабильная генерация ТЭС позволяет им балансировать электросети в том числе и для других источников.
- Когда солнце не освещает фотопанели, когда ветер не дует на ветряки, когда штилевое море не качает поплавки приливных станций, только старая добрая тепловая генерация позволяет людям дождаться дня/лета/ветра.
При этом когда с солнцем, ветром и волнами все хорошо – проблема обратная, альтернативная энергетика генерит много и дешево, но все это пропадает впустую, потому что пики генерации никак не хотят совпадать с пиками потребления.
Просто как назло — солнце светит днем, а свет дома нужен ночью. И, разумеется, возникает логичный вопрос — а что, если лишнюю энергию запасти на пике генерации, а потратить — на пике потребления?
Это было бы идеально, но вот беда — запасать сколько-нибудь приличные объемы энергии очень сложно.
Настенная батарейка PowerWall от Илона Маска пыталась решить эту проблему в масштабах одного домохозяйства — с большими или меньшим успехом, тут мнения экспертов расходятся. Но, к сожалению, это решение очень плохо масштабируется. Когда речь идет не о киловаттах, а о мегаваттах, найти подходящую батарейку не выходит.
Но это не значит, что люди ничего не придумали!
БЫТОВАЯ ХИМИЯ
Аккумуляторы, с которыми мы сталкиваемся в быту, в подавляющем большинстве запасают энергию химически. Это вторичный химический источник тока многоразового действия. При заряде происходит одна реакция, при разряде — обратная.
Это удобно, но много так не запасешь.
Скажем, одни из наиболее емких бытовых аккумуляторов, на кобальте лития, имеют удельную плотность энергии 150–190 Втч/кг. Чтобы запасти дневную выработку довольно средненькой ТЭЦ (200 МВт) понадобится целая гора лития.
- Рабочие эксперименты с химическим накоплением больших объемов проводились.
Компания Tesla миллиардера Илона Маска установила в штате Южная Австралия системы сверхъемких аккумуляторов Powerpack на 100 МВтч, в начале 2016 года в Японии компания Митсубиси запустила в строй аккумуляторную станцию на 50 МВт/300 МВтч и так далее.
- Однако это осталось единичными решениями для узкого круга задач. В основном химическое накопление энергии для таких объемов не используется.
Химические аккумуляторные накопители твердого типа либо используются для балансировки сети, либо предназначены для работы в удаленных районах с небольшим числом потребителей.
ЖИДКАЯ ХИМИЯ
Поскольку для промышленных объемных накопителей энергии размер не важен, то вместо дорогих и малоемких твердых батарей можно использовать огромные баки с жидкими электролитами.
Это так называемые «проточные редокс-батареи» — тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается за счет двух химических компонентов, растворенных в жидкости, содержащейся в системе и разделенной мембраной.
Аккумуляторы приводятся в действие мощными насосами. Когда электролит прокачивается в одном направлении — на электродах аккумулятора вырабатывается электричество, а когда аккумулятор необходимо зарядить, – направление прокачки изменяется на противоположное
Преимущество проточных батарей — линейное масштабирование мощности и емкости (определяется объемом электролита), длительный срок службы (они не подвержены деградации, как твердые), более низкая общая стоимость владения.
Недостатки — низкая энергоэффективность цикла (50–80%) по сравнению с литий-ионными батареями, а также высокая техническая сложность. Помимо этого, для электролита нужен ванадий — металл не самый дешевый.
ВОДА И ГРАВИТАЦИЯ
Самая старая, проверенная и надежная система накопления действительно больших объемов энергии — водно-гравитационная. Она старше «альтернативной энергетики» и использовалась для балансировки потребления в энергосистемах с классической генерацией – потому что та, хотя и более стабильная, чем «экологическая», тоже имеет свою инерционность и не любит пиков.
Устроена система просто — нужно два водоема с перепадом высот. Часто для этого использовали природные озера в горах или строили разновысотные водохранилища.
Цикл аккумуляция/генерация осуществляется за счет пары насос-турбина. Когда энергии избыток, насосы качают воду из нижнего водоема в верхний. Когда дефицит — вода течет обратно, раскручивая гидротурбину, приводящую генератор, как в обычной ГЭС.
- Этот метод используется в энергетике больше ста лет и в силу своей простоты никогда не подводил.
Но не лишен он и недостатков. Строительство водяных накопителей требует много времени и стоит дорого, особенно при необходимости изменять высоту и создавать искусственные резервуары, а КПД процесса далек от 100% — теряется иногда до трети запасенного.
Тем не менее, в этом году в швейцарских Альпах была запущена гидроаккумулирующая электростанция Nant de Drance емкостью 20 ГВт/ч. (сравните с тесловской!.
Строители выкопали туннель длиной более 16 км, чтобы соединить водохранилища Emosson и Vieux Emosson, что заняло 14 лет и обошлось в $2,1 млрд.
БОЛЬШАЯ ГРЕЛКА
Если перекачивать воду хлопотно, то вместо гравитации можно задействовать температуру.
Технология эта используется даже на бытовом уровне, для обогрева индивидуальных домов — обычно это большой бак с водой, который греют электричеством на ночном тарифе, а днем из него отбирают тепло для отопления помещений.
- Конструкция вполне масштабируемая до промышленных масштабов, вот только используют в этом случае не воду, с которой куча проблем: коррозия, утечки, замерзание, закипание, — а обычный песок.
Песка вокруг полно, он не портится и нагреть его можно почти до тысячи градусов. Поэтому песочные теплоаккумуляторы выходят гораздо компактнее водяных — больше тепловой энергии в том же объеме.
Первая в мире песчаная батарея промышленного масштаба уже функционирует в Финляндии. Башня-термос, в которой 100 т песка с температурой 500 °C. Емкость крошечная — 8 МВтч, зато никакого лития, срок хранения тепла — несколько месяцев и энергоэффективность составляет 99%.
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Еще один интересный метод — в моменты избытка энергии пускаем ее на процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород.
Водород легко запасать, а потом он может дать тепло, механическую энергию или напрямую электричество при окислении в топливной ячейке.
Минус технологии — сложность, небезопасность и небольшая мощность на существующем уровне технологий. В пилотном проекте такая установка работает, например, на железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония).
МЕХАНИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ
Схема несложная — электроэнергия в период пика выработки запасается с помощью накачки газа или воды в специальные резервуары, поднятия на высоту грузов или сжатия пружины.
В период нехватки электричества энергия высвобождается механическим путем за счет обратной подачи вещества, груза или ослабления пружины.
- Принцип простой, экологически чистый, промышленно масштабируемый и очень долговечный.
Наиболее перспективными сейчас выглядят системы сжатия газа — Compressed Air Energy Storage, CAES. Воздух сжимается и удерживается под давлением в специальной емкости большого объема. Действительно большого — обычно используются пещеры в скальном грунте, соляные пещеры, пористые породы, водоносные слои или нефте/газоносные слои.
Системы CAES становятся все более популярными, потому что по сравнению с обычными батареями они могут хранить энергию в течение более длительного периода времени и требуют меньше обслуживания.
Крупнейший и наиболее эффективный проект такого типа сейчас подготовили к коммерческой эксплуатации в Чжанцзякоу, городе в провинции Хэбэй на севере Китая. Он имеет емкость 132 Гвтч, что обеспечит 40 000-60 000 домохозяйств электроэнергией в периоды пикового потребления.
ЮЛА
Роторные накопители энергии (Flywheel Energy Storage) — раскручиваем лишней энергией супермаховик и оставляем его крутиться. Понадобилось — подключили к нему генератор и забрали кинетическую энергию обратно в электрическую.
Технически накопление энергии производится с помощью тщательно отбалансированных дисков. Они могут вращаться со скоростью до 50 000 оборотов в минуту почти без трения титановой оси на магнитном подшипнике. Система соединяется с моторгенератором, конвертирующем энергию вращающейся массы в электрическую и обратно.
- Плюсы — высокая реактивность, можно запасти и отдать быстро много энергии. Минусы — очень сложно и небольшая емкость.
В июле 2011 года компания Beacon Power провела презентацию первого роторного накопителя мощностью 20 МВт в Стефентауне (Stephentown), штат Нью Йорк.
СВЕРХПРОВОДНИКИ
Сверхпроводимость? Нет, это не фантастика.
Сверхпроводниковые магнитные накопители (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) запасают энергию в магнитном поле, создаваемом постоянным током, протекающим по катушке из сверхпроводящего материала, помещенного в криогенную среду.
SMES являются накопителями с очень высоким КПД (более 95%) и поставляют в сеть как активную, так и реактивную мощность, которые доступны практически мгновенно.
Это не мейнстримная технология — первый SMES был построен в США в энергосистеме Bonneville Power Authority в еще 1980-х годах. Накопитель имел мощность 20 МВт и емкость 2,4 МВт/ч.
ВЫВОДЫ
Само количество существующих технологий говорит о том, что все они несовершенны, и человечество все еще находится в поиске универсального промышленного аккумулятора, который был бы недорогим, надежным, масштабируемым, управляемым, легко интегрируемым в энергосети.
Может быть, однажды мы его найдем. Но это не точно.
Утешает одно — угля пока еще много.