Как и с помощью чего можно накапливать и сохранять электрическую энергию кратко
Обновлено: 05.07.2024
Будущее энергетики всегда связывали с потребностью человечества эффективно накапливать энергию и использовать ее по мере необходимости. Человечество все активнее ищет способы сохранения энергии. И находит их, но результат получается с разной эффективностью.
При этом проблема хранения энергии с точки зрения эффективности в современных технологиях уже решена, по сравнению с более старыми технологиями. В частности, оценки эффективности накопителей любят проводить в сравнении с двигателем внешнего сгорания, у которого по общим и расхожим данным, КПД составляет 23%. По официальным данным, все системы хранения энергии демонстрируют показатели КПД значительно выше, чем у ДВС.
5 способов хранения энергии, новейшие накопители энергии и их эффективность с точки зрения "утечек".
Самый раскрученный вид аккумуляции энергии. Спасибо, Илон Маск. Хранение энергии в литий-ионных батареях считается одним из самых эффективных. Но до поры до времени, пока аккумулятор не начнет деградировать.
Плюсы: быстрое строительство (в Австралии Маск построил объект за 100 дней), практически мгновенная выдача накопленной энергии в сеть (десятые секунды).
Минусы: цена, деградация, отсутствие способов утилизации.
Tesla, если речь уже зашла о Маске, производит и бытовые и промышленные литий-ионные батареи (не говоря уже об аккумуляторах для электрокаров). КПД у них в идеальных условиях приблизительно одинаковые. Но идеальные условия бывают редко.
Показатели эффективности системы промышленного аккумулятора, Tesla Powerpack, около 88 – 89%.
Если емкость одного Powerpack 210 кВт•ч, то после одного цикла хранения обратно для пользования будет доступно 186–187 кВт•ч.
Это при том, что аккумулятор новый и работает при оптимальной температуре. Показатели эффективности систем хранения указаны для работы при температуре 25°C – слишком высокая или низкая температура вредят КПД литий-ионного аккумулятора, хотя в спецификации и указывается, что они могут работать при температуре от -25°C до +50°C.
Исследования показывают, что если аккумулятор некоторое (короткое) время заряжать при температуре окружающей среды 40˚C полностью, то его емкость (способность накапливать энергию) уже через год снизится на 35%, даже если его потом использовать мало.
Деградация порождает еще одну проблему с литий-ионными аккумуляторами – их утилизацию.
Помимо литий-ионных, есть батареи на основе других металлов. Но их КПД несколько ниже. Также как и стоимость. Ниже данные исследователей из Китая. Описаны количество циклов зарядки – разрядки, безопасность использования, энергетическая плотность, стоимость и КПД.
Стоимость литий-ионных батарей оценивается в $213 – $640 за кВт•ч, свинцово-карбоновых – $142 – 213/кВт•ч, ванадиевых проточных батарей – $425/кВт•ч.
Плюсы: есть возможность поставлять метан прямо в газовые сети, перевозки контейнеров
Минусы: низкая эффективность, дорогой процесс электролиза
Стандартный показатель КПД для таких систем – около 50%.
Хотя ученые проводят исследования в сфере высокотемпературного электролиза и метанирования, их эффективность превышает 75%. Электролиз при особенно высоких температурах около 800°С является существенным преимуществом для увеличения КПД технологии power-to-gas.
Технология power-to-gas наиболее эффективна для долгосрочного хранения энергии. При внутрисуточном заряде-разряде потери слишком велики.
Например, Французская компания HDF Energy построит во Французской Гвинее солнечный парк, в рамках которого будет создано водородное хранилище энергии для долгосрочных периодов, но для краткосрочных – литий-ионные аккумуляторы. Мощность солнечного парка – 55 МВт, емкость водородного накопителя 130 МВт-ч, литий-ионного – 10 МВт-ч.
- ГАЭС. Проверено, масштабно, немобильно.
Гидроаккумулирующие электростанции не так свежи, как литий-ионные аккумуляторы или водородные накопители. Это проверенная десятилетиями, и единственная технология аккумуляции, которая используется в Украине. В последнее время слишком активно, так как с запуском рынка электроэнергии балансировать приходится значительно чаще.
Плюсы: недорогое хранение, большие мощности
Минусы: дорогое и длительное строительство, необходимость подходящего ландшафта
Ниже данные по КПД Ташлыкской ГАЭС
В генераторном режиме максимальный КПД – 87 % (эффективность преобразования энергии при генерации электроэнергии в процессе спуска воды,); в насосном режиме (закачивании воды в верхний резервуар) – 90,8 %. Подчеркиваем – максимальный КПД.
Обычно же КПД ГАЭС около 0,75, это означает, что из каждых 100 кВт·ч, забираемых ГАЭС из системы, обратно возвращается 75 кВт•ч. И это касается современных, более-менее, технологий. Если же речь идет о ГАЭС, построенных в 60-х годах, то КПД может быть на уровне 40%.
Конечно же еще зависит от размеров водохранилища, его климатического расположения и других факторов, которые оказывают влияние на количество воды в резервуаре, что помимо прочего влияет на эффективность работы ГАЭС.
- Гравитационные системы хранения энергии. Необычно, подешевле, малоэффективно
Принцип работы основывается на гравитации и трении, грубо говоря, аналогичен ГАЭС. Но без воды.
Плюсы: скорость строительства и сравнительная дешевизна
Минусы: новая технология с неопределенной эффективностью
Интересное устройство для накопления энергии и пример гравитационного хранилища создала американская компания Advanced Rail Energy Storage North America при помощи железной мини-дороги в Неваде. Вместо закачки воды в верхний резервуар при запасании энергии проект ARES поднимает вагоны с балластом поближе к вершине холма, при отдаче энергии, вагоны спускают с холма.
Каждый из вагонов оснащён генератором на 2 МВт, при подъёме он работает как электромотор, а на спуске отдает энергию в сеть. КПД всей системы оценивается в 80 – 86%.
Разница в высоте между точками составляет 900 м ( это очень большой перепад высот, у большинства ГАЭС такого нет), при том, что длина путей, по которым движутся вагоны, 8 км. На пике система выдает до 50 МВт мощности. Это около 1,5 МВт с каждого из 32 вагонов (с учётом всех потерь).
Заявляется, что запуск вагонов в движение происходит быстро – от 5 до 10 секунд. Это не так хорошо, как у литий-ионных аккумуляторов, но в местности, где создан проект, непостоянства ВИЭ балансируют в основном газовые ТЭС, которые подключаются от получаса.
Пилотный опыт ARES ограничивался испытаниями на расстоянии 240 м. При этом, критики настаивают, что КПД 80–86% возможны лишь при малой длине пути вагонов и чем длиннее отрезки спуска и подъема, тем больше потерь.
Когда сеть работает на низком уровне, двигатели возвращаются в действие - за исключением того, что вместо того, чтобы потреблять электричество, двигатель приводится в движение задним ходом гравитационной энергией и, таким образом, генерирует электричество.
Такую систему под промышленное хранение электроэнергии разработал швейцарский стартап Energy Vault. Демонстрационный объект расположен в Италии, недалеко от Милана.
Поскольку бетон намного плотнее воды, для подъема бетонного блока требуется (и, следовательно, он может хранить) гораздо больше энергии, чем резервуар с водой одинакового размера, - отмечают разработчики. КПД такой системы около 85%.
Плюсы: недорого
Минусы: не очень эффективно, подходит только для сезонного хранения энергии
Сам проект недорогой в организации, но и эффективность его тоже пока невысокая. Планируется, что полноразмерное хранилище сможет вмещать около 36 МВт•ч энергии в контейнере с около 2000 куб. м скальной породы. С помощью бойлера накопленное тепло генерировать столько пара, что компактная паровая турбина Siemens может вырабатывать до 1,5 мегаватт электроэнергии до 24 часов в сутки. На ранних этапах разработки КПД каменного хранилища составит около 25%. В будущем концепция имеет потенциал эффективности около 50%. То есть, из 36 МВт•ч, которые поступают в хранилище на выходе остается в лучшем случае 18 МВт•ч.
В России есть несколько современных технологий, позволяющих накапливать и сохранять электроэнергию. Когда они будут полностью доработаны, Россия потеснит зарубежных игроков рынка источников бесперебойного питания (ИБП) и займет ощутимую долю на рынке альтернативной энергетики. Рассмотрим новые технологии ИПБ, – те, которые находятся в разработке которые и те, которые уже применяются на практике.
Литий-ионные аккумуляторы
Коммутация элементов в накопителе ТЭЭМП
Суперконденсаторный модуль ТЭЭМП
Оригинальная компоновка была использована инженерами компании для создания аккумулятора с катодным материалом на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4/LFP). Батареи показали рост удельных объемных характеристик (Втч/л) до 60% выше, чем у аналогов, представленных на российском рынке. Конструкция оптимизирует токовые и тепловые поля, что особенно важно для высоконагруженных аккумуляторных модулей электробусов, гибридных автобусов, различной тяжелой техники и рельсового транспорта, в том числе перспективных трамваев.
В рамках первого этапа разработки аккумуляторных батарей выбраны системы литий фосфат железа и системы из смеси оксидов, что позволило достигнуть параметров ячейки в 150 кВт/кг и не менее 200 Втч/кг.
Система стартерного пуска на основе суперконденсаторов ТЭЭМП
В рамках второго этапа планируется создание аккумуляторных батарей на базе системы литий-сера (LiS). По предварительной оценке, такие батареи позволят достигнуть уровня удельной энергии от 250 до 400 Втч/кг в зависимости от циклического ресурса.
Калий-ионный аккумулятор
Калий-ионный аккумулятор - основа будущей малой энергетики
Профессор Сколтеха Артем Абакумов – руководитель направления работ по калий-ионным аккумуляторам – отметил весомый вклад результатов исследований, проведенных Станиславом, в понимание фундаментальных основ функционирования калий-ионных интеркаляционных систем. Победитель конкурса получает грант в размере 1 млн рублей на доработку и реализацию своих исследований.
Накопитель на базе технологии получения метанола из воды и углекислого газа из воздуха
Доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники энергетического факультета ЮУрГУ Сергей Ганджа вместе с командой коллег разработал систему, которая позволяет сохранять электрическую энергию в спирте. Метанол для работы такой системы наука научилась получать из воды и углекислого газа, — уверяют ученые. По словам Сергея Ганджи, это значит, что газ СО2, образуемый промышленными предприятиями, можно тоже пускать в дело: создавать с его помощью метанол для аккумулирования энергии.
От идеи до первых экспериментов в университетской лаборатории прошло около года. Для развития проекта руководство университета даже пригласило специалиста-энергетика из Ирана. Сейчас разработку тестируют на макетном образце, а в дальнейшем ученые подумают о внедрении системы в масштабное использование на практике.
Алюминий-ионный аккумулятор
Был подготовлен лабораторный макет алюминиевого аккумулятора, который принципиально отличается от всех заявленных в мире тем, что в качестве анода используется не алюминий, а алюминий-графеновый композит, который создан и разработан в институте. Принципиально он отличается тем, что не окисляется на воздухе. Поэтому все процедуры по производству такого источника тока облегчаются не только по отношению к литий-ионному, но и по отношению к существующему алюминий-ионному аккумулятору.
Сегодня разработчики достигли характеристик, которые несколько превзошли показатели стэнфордского аккумулятора-аналога. Например, напряжение в разомкнутой цепи новой российской разработки – 2,2-2,3 вольта, а у зарубежной – 2 вольта. Кроме того, отечественные разработчики предложили альтернативный катод нашей собственной разработки из мезопористого углерода.
На сегодняшний момент удалось достичь удельной энергоемкости аккумулятора 40 ватт-часов на килограмм, а в будущем планируется достичь уровня 200 ватт-часов на килограмм. Разработчики считают, что алюминий-ионные аккумуляторы – это будущее ближайших пяти-восьми лет.
Разработки алюминий-ионного аккумулятора в мире ведутся очень активно. Помимо уже упоминавшегося проекта Стэнфордского университета, существует общеевропейский проект, под который Евросоюз выделил 800 млн евро на четыре года.
На практике: Выксунский металлургический завод внедряет накопители энергии
В прошлом энергия либо расходовалась на нужды человека, либо пропадала впустую. С постепенным развитием возобновляемой энергетики все большее внимание привлекают промышленные методы хранения энергии. Издание Ars Technica подготовило список лучший идей на эту тему: сжатый воздух, расплавленные соли и проточные редокс-системы.
Гидроаккумуляторы
Пожалуй, самая старая форма современного хранения энергии, привязанного к энергосети. Принцип работы прост: имеется два резервуара для воды, один выше другого. Когда потребность в электричестве низкая, энергию можно использовать для закачки воды наверх. В пиковые часы вода устремляется вниз, вращая гидрогенератор и вырабатывая электричество. Подобные проекты разрабатывает, например, Германия в заброшенных угольных шахтах или сферических контейнерах на дне океана.
Сжатый воздух
В целом этот способ напоминает предыдущий, за исключением того, что вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При необходимости воздух выпускается и вращает турбины. Эта технология существует в теории уже несколько десятков лет, но на практике, из-за ее высокой стоимости, есть всего лишь несколько рабочих систем и чуть больше — испытательных. Канадская компания Hydrostor разрабатывает в Онтарио и Арубе крупный адиабатический компрессор.
Расплавленная соль
Солнечную энергию можно использоваться для нагревания соли до нужной температуры. Полученный пар либо немедленно перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплавленной соли, чтобы, например, нагревать дома вечером. Один из подобных проектов — солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума — реализован в Арабских Эмиратах. А в лаборатории Alphabet X изучают возможность использования расплавов солей в сочетании с антифризом для того, чтобы сохранить излишки энергии Солнца или ветра. Недавно в Технологическом институте Джорджии построили более эффективную систему, в которой соль заменена на жидкий металл.
Плюс электрификация всей планеты
Потребление электричества будет нарастать. Главные направления этого процесса — электрификация автотранспорта, перевод некоторых промышленных процессов от теплоэнергии на электропитание, а также рост бытового потребления электротока. В частности, по прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году по нашей планете будут ездить 130 млн электромобилей, хотя в 2018 году их насчитывалось 5,1 млн единиц. Всего же количество автомобилей сейчас оценивается в 1 млрд, а к 2035 году оно может вырасти до 2 млрд единиц. В пищевой, фармакологической, текстильной, бумажной и других отраслях электричество будет заменять уголь и газ при выработке средне- и низкотемпературного тепла. Продолжится и электрификация бедных стран, где электричество будут шире применять в быту. А доля электричества в общем энергопотреблении увеличится с 19% в 2018 году до 24% в 2040-м.
Соответственно повысятся риски блэкаутов — масштабных аварийных отключений электроснабжения, затрагивающие большое число разнообразных потребителей. По данным Всемирного банка, в 2019 году в среднем по всем странам мира различные организации испытывали 6,8 отключений энергии в месяц. Правда, в странах ОЭСР этот показатель составил 0,4 отключений, а в России — 0,2 отключения в месяц.
Авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году — взгляд из космоса. 14 августа 2003 года 10 млн человек в Канаде и 40 млн человек в США остались без электричества. Источник: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons
В то же время внедрение в производство и быт таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей (в том числе промышленный интернет вещей) требует минимизации отключений электричества, способных серьёзно нарушить работу сложных интеллектуальных систем.
Помимо этого, подход к потреблению энергии изменится и после внедрения возобновляемых источников энергии, которые дают разную выработку в зависимости от времени суток и погоды. В дневные часы или ветреную погоду солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют больше тока, чем ночью и в штиль. Соответственно, излишки энергии лучше сохранять на всякий случай. Но как?
Энергетические метаморфозы
Сохранять энергию, особенно в промышленных масштабах, непросто. Несмотря на то, что природа электричества хорошо изучена, его сохранение требует либо громоздких, либо дорогостоящих (либо и тех и других одновременно) технических решений. Что же защитит сильно электрифицированный мир будущего от блэкаутов?
Если ответить коротко, химия и механика. Практически все способы накопления электроэнергии сводятся к её преобразованию с помощью химических реакций или механического движения.
Первая идея, возникающая у каждого пользователя смартфона или владельца электромобиля: почему бы не использовать в промышленных масштабах огромные литий-ионные аккумуляторы? Попытки создания крупных накопителей такого типа уже есть. К примеру, сейчас Tesla занимается увеличением мощности (со 100 до 150 МВт) самого большого в мире литий-ионного хранилища электричества, собранного в 2017 году в штате Южная Австралия на Зелёном континенте. Оно состоит из литий-ионных батарей Tesla Powerpack, созданных для коммунальных и промышленных потребителей. Внутри — 16 отдельных аккумуляторных блоков, каждый с изолированным преобразователем постоянного тока.
Подпись: Каждый Powerpack — это как кирпич, из которого строится хранилище энергии. К одному инвертору можно подключить от одного до 20 Powerpack’ов. Из таких блоков батарей и инверторов можно создавать хранилище огромной энергоемкости. Источник: Tesla
Однако помимо известных недостатков таких батарей, есть еще и такая: увеличивая до промышленного масштаба литий-ионные батареи, в такой же степени мы усиливаем проблему их утилизации. Поэтому оставаясь экологически чистыми в период работы, огромные аккумуляторы в будущем создадут угрозу для окружающей среды и хлопоты при их списании.
Другой способ преобразования энергии — электролиз.
Поясним на примере нашей установки H2One, о которой мы уже рассказывали: солнечные батареи обеспечивают процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород; водород либо запасается, либо подается потребителю, причем водород может дать сразу тепло, механическую энергию или электричество при окислении в топливной ячейке. Проблема пока лишь в том, что пока энергии одной станции H2One хватает только небольшим объектам, например, железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония). Промышленные масштабы — в будущем.
Наиболее простые по принципу, но сложные по воплощению варианты — механические. Общая схема такова: 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. Именно поэтому, по данным Vygon Consulting, 95% накопителей энергии в мире — это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), использующие для хранения энергии лишь то, что дала нам природа — воду и гористые ландшафты.
Кручу, верчу, намагнитить хочу
Впервые использовать воду и гористые ландшафты для накопления энергии придумали в Швейцарии. В 1909 году недалеко от города Шаффхаузен в одноименном кантоне была построена первая в мире гидроаккумулирующая станция Engeweiher мощностью 1,5 МВт. Воплощенный в той установке принцип работы ГАЭС сохранился в целом и в наши дни.
Станция состоит из насоса, двух резервуаров, размещенных на разной высоте, и турбины. Когда электроэнергия в избытке, насос закачивает воду в верхний резервуар. Когда электричества в сети не хватает, воду отводят в нижний накопитель через турбину, которая дает электричество. Простота и надежность этого принципа доказана временем, а также историей самой станции Engeweiher, которая работает до сих пор, — её мощности оказались весьма кстати на фоне развития ВИЭ в Швейцарии.
Аккумулирующая гидроэлектростанция — один из старейших возобновляемых источников энергии в мире. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Следующий шаг в развитии технологии был сделан в 1930-е гг. Было понятно, что водяные турбины, соединенные с генераторами, могут работать с более высокой эффективностью, если регулировать их скорость вращения. Поэтому в 1930 году Toshiba разработала асинхронный гидрогенератор-двигатель мощностью 750 кВ·А, который был установлен на станции Ёсино в городе Канадзава (преф. Исикава, Япония). Скорость вращения турбины в нем могла изменяться для достижения максимальной эффективности выработки.
Однако широкого применения эта технология тогда не нашла, и впоследствии использовались в основном синхронные гидрогенератор-двигатели, которые работают с неизменной (синхронной) скоростью вращения, из-за чего нельзя менять и входную мощность. Это значит, что подстраивать работу станции под изменяющийся спрос (скажем, ночью, когда нужно тратить больше энергии на закачку воды и меньше отдавать её в сеть) было непросто — снижалась эффективность либо закачки, либо выработки.
В 1990-м году компания Toshiba вновь обратилась к технологии асинхронного гидрогенератор-двигателя.: совместно с Токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) на ГАЭС Ягасава была разработана и установлена первая в мире насосная установка с регулируемой скоростью, использующая двигатель-генератор с вторичным возбуждением переменного тока низкой частоты. Она управляется высокоскоростным и высокопроизводительным цифровым контроллером, который может изменять входную и выходную мощность гораздо быстрее, чем в обычных гидроагрегатах, что позволяет быстрее стабилизировать колебания мощности в сети, скажем, в случае аварийных ситуаций. С тех пор асинхронные генераторы-двигатели на ГАЭС стали применяться чаще, а сейчас являются наиболее перспективной моделью для гидроаккумуляции.
В июне 2014 года начала работать самая большая в мире насосная установка с регулируемой скоростью вращения и мощностью 475 МВ·А для четвёртого блока ГАЭС Кадзуногава (преф. Яманаси, Япония), которая имеет ещё и самую большую в мире высоту напора насоса (785 м) для одноступенчатой насосной турбины. Эта станция также управляется TEPCO. Источник: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
Гидроагрегат с переменной частотой вращения повышает КПД насосного и турбинного режима, увеличивая тем самым эффективность полного цикла ГАЭС, а также снижает вибрацию и механический износ системы. Более того, такая машина может моментально реагировать на резкие изменения в спросе на электроэнергию, связанные, к примеру, с использованием нестабильных возобновляемых источников энергии или при блэкаутах.
В поисках баланса
Описанные решения, как можно видеть, имеют большой — промышленный — масштаб. Но насколько разумна такая централизация? И не лучше ли внедрять распределенные решения, которые могут решать вопросы выравнивания дисбалансов в системе электроснабжения? Ничего не мешает сочетать два этих подхода, объединяя в рамках одной системы энергоснабжения крупные накопители энергии и локальные, такие, которые строятся на базе индивидуальных батарей, установленных на конкретных объектах и даже в жилых домах.
Для решения таких проблем лучше подходят аккумуляторные батареи, особенно SCiBTM, разработанная Toshiba. В основе её анода оксид лития-титана (LTO), который позволяет добиться большей эффекимвной ёмкости, а также обеспечивает длительный срок службы, работу при низких температурах, быструю зарядку, высокую мощность на входе и выходе. Toshiba SCiBTM можно применять в самых разных областях: от небольших (кВт) стационарных накопителей для жилых помещений до автомобилей, автобусов, железнодорожных вагонов, лифтов, электростанций и крупномасштабных хранилищ энергии (МВт) для электрических сетей, интеллектуальных сетей и солнечных электростанций. Источник: Toshiba
Более того, отдельные локальные хранилища электроэнергии могут в свою очередь быть также объединены в крупные структуры — виртуальные электростанции, о которых мы уже рассказывали в этом блоге. И такие решения уже реализуются.
К примеру, в Германии крупнейшая распределительная компания TenneT совместно с производителем домашних систем хранения электричества Sonnen объявила о создании своеобразного энергетического блокчейна: они планируют соединить домашние накопители энергии в сеть для выравнивания дисбалансов в энергетической системе на уровне страны. Однако пока число владельцев подходящих для этого накопителей гораздо меньше, чем хозяев домашних станций на ВИЭ.
Сочетание огромных хранилищ электроэнергии и небольших локальных, связанных воедино, как раз и поможет сгладить дисбалансы потребления и выработки, о которых мы говорили вначале, и минимизировать возможность блэкаутов.
Читайте также: