Хранение энергии: что, как и почему

Технологии получения электричества от ветра и солнца, дешевея год от года, атакуют энергетические рынки по всему миру. Возможность вырабатывать энергию с низкими или нулевыми предельными затратами меняет существующие бизнес-модели и усложняет жизнь производителям электроэнергии из ископаемого топлива – чтобы обеспечить себе стабильный уровень доходности, им приходится лоббировать оплату за мощность, а не за количество выработанных киловатт-часов.

Эта последняя попытка выжить наверняка провалится, так как технологии накопления энергии готовы нанести последний удар – возможность накапливать и сохранять энергию в течение длительного времени. В этой статье мы рассмотрим различные способы хранения энергии и узнаем, как их конкурентные преимущества могут повлиять на мировые энергетические системы.

Технологии накопления энергии сохраняют энергию, когда потребление ниже, чем ее производство, и снабжают энергией, когда потребление выше, чем ее производство. Это обеспечивает энергетическую безопасность и готовность к чрезвычайным ситуациям, например в случае аварии на электростанции; дает возможность балансировать нагрузки сети, где электричество генерируется с помощью возобновляемой энергии. Системы хранения энергии полезны и для потребителей – благодаря им возможно поддерживать стабильные цены на электроэнергию в масштабе общей сети или обеспечить индивидуальную гибкость и независимость потребления при локальном хранении в домах.

Основы

Широкое внедрение технологий хранения энергии служит «мостом» к переходу на генерацию электричества из возобновляемых источников. У ВИЭ есть один всем известный недостаток – они могут производить энергию только в течение определенных периодов при определенных условиях, поэтому мы не можем увеличивать или уменьшать количество произведенных киловатт по желанию.

ВИЭ способны производить энергию только тогда, когда для этого есть условия – дует ветер или светит солнце. И это может совпадать или не совпадать по времени с нуждами потребителей. При этом мы можем заранее предсказать, когда ВИЭ будут наиболее эффективно вырабатывать энергию: мы знаем, когда солнце встает и садится; мы можем получать довольно точный прогноз погоды; мы знаем, что зимой ветер сильнее, чем летом, что приливы меняются в зависимости от сезона и так далее.

Однако чтобы полностью реализовать свой потенциал, такие источники энергии нуждаются в системах накопления. Если мы сможем накапливать и хранить долгое время энергию от ВИЭ, мы сможем компенсировать тот факт, что они не производят энергию постоянно с одинаковой мощностью или именно в те периоды, когда это нужно потребителям. Таким образом, это снизит потребность в работе угольных или газовых установок для компенсации пиковых нагрузок.

Обработка пикового спроса

Основная проблема электричества состоит в том, что его производство должно соответствовать потреблению, которое может быстро и сильно меняться. Системы хранения энергии могут помочь справиться с так называемыми пиковыми часами потребления электроэнергии.

Классический пример – проблема британской национальной сети, связанная с чайной культурой. Рано утром, когда люди завтракают, энергосистема должна быть готова к тому, что целая нация одновременно включает электрочайники. Миллионы кипящих чайников создают нагрузку на сеть, и электростанциям надо поставить существенно больше электричества в течение этих нескольких часов, нежели это было необходимо всего пару часов назад.

Запас энергии в системах хранения облегчил бы обработку таких пиковых часов. Было бы возможно накапливать энергию не только от ВИЭ, но и от других источников в периоды, когда производство больше, чем потребление. Это позволило бы поддерживать стабильность производства даже во время пикового спроса, полагаясь на накопленную энергию для покрытия возросшего потребления в течение коротких периодов.

Энергетическая безопасность

Ни один источник энергии не гарантирует непрерывную постоянную работу. Зачастую «ненадежные» ВИЭ сравнивают с «надежными» угольными и атомными электростанциями, которые можно включать и выключать при необходимости. Но при этом не учитывается тот факт, что все электростанции время от времени нужно выводить из эксплуатации для технического обслуживания. Не всегда это можно спланировать заранее, поэтому централизованное производство электроэнергии не обеспечивает энергетическую безопасность на сто процентов.

Использование множества различных источников энергии и децентрализация производства повысит энергетическую безопасность, поскольку выход из строя небольшой установки не окажет существенного влияния на работоспособность сети. Кроме того, повышению энергетической безопасности способствует использование технологий хранения энергии.

Системы накопления энергии могут принимать различные формы. Разные технологии имеют свои сильные и слабые стороны, поэтому наиболее вероятным решением в будущем, скорее всего, будет их комбинация.

Рассмотрим некоторые из существующих альтернатив.

Гидроэнергетика – классика

Хотя говорить о накоплении энергии стало модным только в последние несколько лет, человечество знало эти технологии и раньше. В настоящее время самой крупной формой хранения энергии является гидроэлектростанция. Плотины образуют большие водоемы за счет естественных процессов, таких как течение рек, осадки и таяние льда весной. Затем они работают как заряженная батарея: спускаемый через плотину контролируемый поток воды благодаря силе гравитации приводит в движение турбины и производит электричество.

ГЭС такого типа очень полезны для балансировки нагрузки на сеть, поскольку их мощность можно быстро регулировать – при условии, что в водохранилищах достаточно воды. Это условие открывает уязвимость технологии, которая, возможно, будет еще более уязвима из-за меняющегося климата. Наполненность резервуаров гидроэлектростанций зависит от погодных условий в каждом конкретном году. Многие заполняются весной, а затем используются в течение всего года. Если погодные условия не обеспечивают достаточный приток воды, это может стать проблемой для регионов, где гидроэнергетика составляет основу их энергетического баланса.

При этом плотинные ГЭС имеют свои экологические недостатки. Плотина преграждает естественное русло реки, препятствуя тем самым свободному продвижению рыб и речных животных. Кроме того, создание водохранилища предусматривает затопление обширной территории, а зачастую это плодородные почвы вокруг русла реки.

Гидроаккумулирующие станции – энергия для энергии

Альтернативой плотинным ГЭС может быть гидроаккумулирующая электростанция, на которой избыточная мощность в непиковое время используется для закачивания воды в резервуар, находящийся на возвышенности, для создания задела для выработки энергии в пиковое время. Хотя в процессе и происходит потеря энергии, для устойчивости энергосистемы такой способ накопления вполне эффективен.

При этом важно учитывать, откуда берется избыточная энергия для заполнения резервуаров. Если это результат работы угольной электростанции, то вряд ли такую систему можно считать экологически устойчивой. Но если избыточная энергия будет производиться под воздействием силы ветра или энергии солнца – а с ростом использования ВИЭ мы обязательно этого дождемся, – то строительство ГАЭС вполне можно назвать экономически и экологически эффективным.

Аккумуляторы – лучший друг ВИЭ

Аккумуляторные батареи являются важной частью современных систем накопления энергии. Они могут использоваться как в пределах одного дома, так и в национальной электросети. По видам их часто подразделяют на сетевые, локальные и виртуальные.

Национальные или региональные энергосистемы потребуют строительства крупных парков батарей, которые смогут балансировать нагрузки и обеспечивать бесперебойное функционирование энергосистемы в зависимости от нужд потребителей.

Батареи можно эффективно использовать и локально. С ростом популярности индивидуальных солнечных панелей, размещаемых на крышах частных домов, повышается и спрос на батареи, поскольку владельцы домов хотят лучше контролировать свою локальную энергосеть. С помощью аккумуляторов они могут сохранять энергию, вырабатываемую солнечными батареями, для собственного использования или для продажи ее в пиковые часы в общую сеть, когда цена на электроэнергию возрастает.

Локальное использование батарей может позитивно отразиться и на стабильности крупных энергосистем, если у них будет доступ к электроэнергии, хранящейся у частных владельцев. Тогда они смогут покупать хранящуюся локально энергию для покрытия пиковых нагрузок.

Дополнительным плюсом к возможности локального накопления энергии является то, что это позволяет использовать ВИЭ для автономного энергоснабжения в удаленных местах без подключения к централизованной электросети. Таким образом, те, кто имеет дачу вдалеке от линий электропередачи, могут полагаться на энергию от ВИЭ и хранить ее в батареях, а не использовать дизельные генераторы для удовлетворения своих потребностей, когда производительность ВИЭ снижается.

По данным Международного агентства по возобновляемой энергетике (IRENA), объем стационарного хранения энергии в батареях к 2030 году увеличится в 17 раз по сравнению с 2017 годом.

Еще одна интересная перспектива – виртуальные батареи. Взять, к примеру, электромобили – это, по сути, аккумуляторы меньшего размера, перемещающиеся по городу. Когда они припаркованы (дома или на работе) и подключены для зарядки, появляется возможность управлять ими как источником энергии для системы в целом. Если в сети существует локальный дисбаланс, агрегатор может перенаправить поток энергии от батарей. Для одной батареи изменения будут совсем незначительными, но при возможности одновременного управления большим их количеством дисбаланс в сети легко можно компенсировать. Это повысит эффективность и надежность сети, и это очень интересная перспектива для полностью электрифицированного общества.

Одна из основных проблем при использовании батарей на транспорте – их невысокая плотность энергии, то есть соотношение количества энергии, которое они могут хранить, с их размером и весом. Для больших перевозок необходимое количество аккумуляторов слишком велико, чтобы оправдать вес. Таким образом, чтобы уйти от ископаемого топлива на транспорте, нужны другие решения.

Водород – на смену ископаемому топливу

Еще один способ хранения энергии – использовать ее для производства водорода путем электролиза и хранить его в сжиженном виде. В таком виде водород можно использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или других установок в любое время.

Производство водорода намного менее эффективно, чем использование аккумуляторов, и примерно соответствует эффективности ископаемого топлива. Тем не менее перспективы использования водорода связаны, прежде всего, с крупным транспортом. Он может быть использован для питания больших транспортных средств, таких как круизные лайнеры, грузовые суда, поезда и прицепы, которые в противном случае работали бы на газе или даже на мазуте. Кроме того, водородом можно частично заменить природный газ в уже существующей энергетической инфраструктуре, тем самым уменьшив выбросы CO2.

Водород можно назвать идеальной топливной альтернативой батареям, поскольку при сжигании этого вещества нет никаких вредных выбросов – единственными выбросами являются вода и тепло.

Аммиак – транспортируемый водород

Недостаток водорода заключается в том, что при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении – это газ, и для эффективной транспортировки его необходимо сжать до сжиженного состояния и поддерживать условия для его сохранения в таком состоянии на всем пути. Поэтому перевозка водорода – дорогостоящее удовольствие.

BELLONA в Норвегии вместе с учеными изучает альтернативные носители водорода, то есть вещества, которые частично состоят из водорода и при этом легче транспортируются. Один из лучших кандидатов на эту роль – аммиак. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении аммиак находится в жидком состоянии, поэтому его легко перевозить на большие расстояния. Превращение водорода в аммиак вызывает дополнительные потери энергии, но это с лихвой компенсируется менее энергоемкой транспортировкой.

В отличие от водорода производство аммиака широко распространено и его поставки налажены по всему миру. Но, с другой стороны, аммиак ядовит, а водород безвреден. Потенциальная утечка, например при транспортировке аммиака по морю, может иметь негативные последствия для окружающей среды. Тем не менее комбинация производства водорода и аммиака в качестве носителя водорода может быть неплохой альтернативой.

Аккумулирование электроэнергии не является чем-то новым для человечества – мы практикуем накопление энергии уже больше ста лет. Новым можно считать современные технологии, которые открывают нам широкий диапазон энергоносителей, будь то водород или аккумуляторы. Эти технологии не зависят от природных явлений или климата, как, например, водохранилища, и смогут стимулировать повсеместное использование возобновляемых источников энергии.

 

Статья подготовлена специально для 74 номера издаваемого «БЕЛЛОНОЙ» журнала «Экология и право».

Авторы:

Кристиан Эриксон, специалист по вопросам энергетики, международное объединение BELLONA

Оскар Ньо, специалист по проектам в России, международное объединение BELLONA

Источник

Интересное по теме