Системы накопления и хранения энергии (ESS)
В былые времена получаемая на электростанциях электрическая энергия сразу же подавалась к потребителям: лампы светили, моторы работали. Однако сегодня, когда возможности для генерации электричества сильно расширились, всерьез встал вопрос об эффективных способах хранения энергии, вырабатываемой множеством способов, в том числе и различными возобновляемыми источниками.
Как известно, днем человечество расходует значительно больше энергии, чем ночью. Часы пиковых нагрузок в городах приходятся на строго определенные утренние и вечерние часы, тогда как генерирующие установки (особенно солнечные, ветряные и т. д.) вырабатывают некую среднюю мощность, которая в разное время суток и в зависимости от погодных условий сильно варьируется.
В таких обстоятельствах электростанциям неплохо иметь какие-нибудь резервные хранилища электричества, которые были бы в состоянии отдать требуемую мощность в любое время суток.
Быстрый рост проникновения энергии из возобновляемых источников на энергетические рынки из-за особой энергетической политики, направленной на снижение выбросов углерода, требует эффективных и экономичных систем хранения энергии (систем накопления и хранения энергии - Energy Storage System, ESS).
Потенциал рынка ESS намного больше, чем существующий, и в основном обусловлен развитием возобновляемых источников и микросетей в текущей мощности в инфраструктуре энергосистем.
Значительные исследования и разработки проводятся исследовательскими сообществами, различными университетами и компаниями по всему миру для интеграции крупномасштабных ESS в энергосистемы для обеспечения надежного и бесперебойного энергоснабжения.
Давайте рассмотрим некоторые из лучших технологий касательно решения поставленной задачи.
Гидроаккумуляторное хранилище энергии
Древнейший способ, по сей день не утративший актуальности. Два больших резервуара для воды расположены один выше другого. Вода в верхнем резервуаре, как любой предмет поднятый на высоту, имеет большую потенциальную энергию, чем вода в нижнем резервуаре.
Когда потребление электроэнергии от электростанции невелико, в это время вода закачивается насосами в верхний резервуар. В часы же пиковых нагрузок, когда станция вынуждена подавать в сеть большую мощность, вода из верхнего резервуара направляется через турбину гидрогенератора, вырабатывая тем самым повышенную мощность.
В Германии проекты такого рода гидроаккумуляторов разрабатываются для последующего их возведения на местах старых угледобывающих шахт, а также на дне океана в специально создаваемых для этой цели сферических хранилищах.
Сохранение энергии в форме сжатого воздуха
Подобно сжатой пружине, нагнетаемый в баллон сжатый воздух способен запасать энергию в потенциальной форме. Технология вынашивалась инженерами давно, но не была реализована по причине дороговизны. Но уже сегодня достижимы очень высокие показатели концентрации энергии при адиабатическом сжатии газа специальными компрессорами.
Идея состоит в следующем: в обычном режиме насос нагнетает воздух в резервуар, а во время пиковой нагрузки сжатый воздух высвобождается из резервуара под давлением, и вращает турбину генератора. В мире существует несколько подобных систем, одним из крупнейших разработчиков которых является канадская компания Гидростар.
Расплавленная соль как термический аккумулятор
Солнечные батареи — не единственный инструмент для преобразования лучистой энергии солнца. Солнечное инфракрасное излучение, будучи надлежащим образом сконцентрировано, способно разогревать и плавить соль и даже металл.
Так работают башенные солнечные электростанции, где множество отражателей направляют солнечную энергию на резервуар с солью, установленный на вершине башни, возведенной в центре станции. Расплавленная соль затем отдает тепло воде, которая превращается в пар, вращающий турбину генератора.
Так, прежде чем превратиться в электричество, тепло сначала хранится в термическом аккумуляторе на основе расплавленной соли. Данная технология реализована например в Арабских эмиратах. В Техническом институте Джорджии разработан еще более эффективный термоаккумулятор на основе расплавленного металла.
Химические аккумуляторы
Батареи на базе лития для ветряных электростанций — это та же технология, что и у аккумуляторов для смартфонов и ноутбуков, только в составе хранилища для электростанции таких «батареек» будут тысячи. Технологии не нова, сегодня используется в США.
Практика применения наиболее современных электрохимических накопителей энергии (литий-ионных аккумуляторов) показала их достаточно хорошую эффективность для энергоемких систем (до десятков МВт). Также известны примеры такой работы таких устройств малых размеров.
Свежий пример такой станции на 4 МВт*ч — недавно возведенная компанией Тесла в Австралии. Станция принципиально способна отдавать в нагрузку пиковую мощность 100 МВт.
Глобальная установленная мощность аккумуляторов выросла на 60 % в 2021 году с 10 ГВт до 16 ГВт, а к 2030 году прогнозируется ее рост до 680 ГВт. В этом контексте литий-ионные аккумуляторы являются ведущей технологией, однако вопросы безопасности, рост цен и неопределенность в поставках сырья подчеркивают необходимость альтернативных технологий.
Проточные химические аккумуляторы
Если в обычных аккумуляторах электроды не движутся, то в проточных аккумуляторах в качестве электродов выступают заряженные жидкости.
Две жидкости движутся через топливную ячейку с мембраной, в которой происходит ионное взаимодействие жидких электродов и генерация электрических зарядов разного знака в ячейке без перемешивания жидкостей. В ячейку вмонтированы неподвижные электроды для подачи электрической энергии, накопленной таким способом, в нагрузку.
Так, в рамках проекта brine4power в Германии цистерны с электролитами (используются ванадий, соленая вода, раствор хлора или цинка) планируют установить под землей, и возвести проточную аккумуляторную батарею на 700 МВт*ч в местных пещерах.
Главная цель проекта заключается в уравновешивании распределения возобновляемой энергии в течение суток, дабы избежать перебоев с электричеством, вызванным отсутствием ветра или пасмурной погодой.
Высокая эффективность, длительный срок службы, высокая гибкость и малое время отклика делают ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи (VRFB) многообещающей технологией для стационарного хранения энергии. Прогнозируется, что объем рынка проточных аккумуляторов составит 11,5 % развивающегося мирового рынка аккумуляторов в 2030 году со стоимостью около 2 миллиардов долларов США.
Динамическая система хранения на базе супермаховика
Принцип основан на преобразовании электроэнергии сначала - в форму кинетической энергии вращения супермаховика, а при необходимости — обратно в электрическую энергию (маховик вращает генератор).
Изначально маховик разгоняется мотором небольшой мощности, пока потребление нагрузкой не является пиковым, а когда нагрузка становится пиковой — запасенная маховиком энергия может быть отдана с многократно большей мощностью. Эта технология не нашла широкого промышленного применения, однако считается перспективной для использования в мощных источниках бесперебойного питания.
Продолжение темы: Аккумуляторные электростанции, использование аккумуляторных батарей для хранения электрической энергии
Андрей Повный