Как собирать и хранить электроэнергию. Устройство для хранения электрической энергии и питание ею потребителей непостоянной мощности
Повсеместное распространение возобновляемых источников энергии ведет к тому, что проблема сохранения излишков электричества, полученного в часы пикового производства, для использования их затем в часы недостаточной выработки (что особенно актуально для и енерации), все более остро встает как в частном, так и в промышленном масштабе.
Так, в первой половине 2017 года штату в пришлось избавиться от 300 тыс магаватт электроэнергии из возобновляемых источников, потому что ее негде было хранить. По данным , по этой же причине теряет порядка 17% произведенной электроэнергии.
Хранилища энергии промышленного масштаба
Автономные энергохранилища необходимы для обеспечения бесперебойных поставок энергии из возобновляемых источников в районах, удаленных от общих сетей, например, на небольших островах или в трудонодоступных местах Крайнего Севера. Ранее подобные локации могли рассчитывать только на электроэнергию, произведенную дизельными генераторами, и были крайне зависимы от внешних поставок топлива.
Домашние системы хранения энергии
С точки зрения развития мировой экономики важным является дальнейшее удешевление домашних систем хранения энергии. По состоянию на конец 2016 года, 55 млн домохозяйств или 275 млн человек использовали электроэнергию от домашних или районных микроэлектростанций благодаря значительному снижению цен на . В за несколько последних лет около 40% всех домашних фотоэлектрических систем было оборудовано блоками для хранения энергии при небольшой финансовой поддержке со стороны государства. В в 2016 году без какой-либо государственной помощи было установлено около 7 тыс аккумуляторных систем.
Рынок аккумуляторов для хранения энергии достиг объема около 1 ГВт в 2016 году, благодаря благоприятной политике государств и снижению стоимость батарейного оборудования, по данным .
Автомобильные аккумуляторы
Перспективы мирового рынка хранения энергии
Технологии хранения энергии
Все существующие на данный момент системы хранения энергии дороги для крупных промышленных объемов, поэтому различные производители и государства делают масштабные инвестиции в создание новых способов хранения больших объемов энергии.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) являются наиболее распространенным типом батарей для различного вида электронных устройств в мире на данный момент. Они используются практически во всех видах техники, в том числе мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, а также .
Несмотря на популярность, такие батареи имеют множество недостатков, такие как способность к самовозгоранию, «эффект памяти», быстрая потеря емкость при низких температурах и т.д.
Удешевление производства литий-ионных аккумуляторных батарей происходит темпами, превышающими спрогнозированные ранее: уже достигнут уровень, ожидаемый к 2020 году. Открытие огромных заводов подобных может еще более ускорить этот процесс.
Хранение энергии с помощью гидроаккумулирующих электростанций
Концепция динамической зарядки, или vehicle-to-grid (V2G), рассматривает возможность использования для создания общих электросетей, действующих наподобие виртуальных электростанций.
По статистике, 95% времени любое частное транспортное средство стоит без движения. Разработчики данной концепции предполагают, что аккумулятор электромобиля может заряжаться в часы минимальной нагрузки и отдавать в сеть электричество в часы пиковой нагрузки с поправкой на моменты использования его владельцем по прямому назначению. Водитель сможет таким образом заработать порядка 4000 долларов США в год за счет разницы цен на электроэнергию в разное время суток.
Тестирование подобных проектов начала автомобильная компания совместно со своими партнерами в , а также в . Вместе с тем, в уже работает первый в мире полнофункциональный коммерческий V2G хаб.
Автомобиль также можно использовать при проектировании электросетей домохозяйств как средство частного домашнего хранения энергии по аналогии с другими подобными системами, такими как .
Возможность накопления электроэнергии в промышленных масштабах выгодна всем участникам рынка: производителям, поставщикам, потребителям и регулятору
Последний аналитический отчет исследовательских организаций GTM Research and ESA’s U.S. Energy Storage Monitor говорит о рекордном объеме инвестиций в проекты по разработке и созданию накопителей энергии. Объем венчурных инвестиций и проектного финансирования в данном секторе в третьем квартале 2016 года достиг $660 млн при годовом прогнозе в $812 млн. Мы видим, что в развитых странах технологии накопления энергии выходят на стадию «предкоммерческого» использования.
Проблема сохранения
Основным отличием электроэнергетики от любой другой «физической» отрасли является невозможность хранения производимого ею товара в промышленных масштабах. В каждую единицу времени в этой отрасли должно производиться ровно столько электроэнергии, сколько нужно потребителю.
Чтобы обеспечить такую возможность, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы. Нельзя иметь в энергосистеме только атомные электростанции (АЭС), которые не умеют быстро сбрасывать и набирать нагрузку, или только возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — солнце и ветер, например, могут не светить и не дуть в нужный момент. Поэтому значительная доля генерации осуществляется за счет традиционных ископаемых ресурсов (угля, газа), обеспечивающих и надежность, и необходимую маневренность.
Режим работы любой энергосистемы определяется в первую очередь степенью нагрузки на нее со стороны потребителей. Как правило, ночью потребление электроэнергии значительно снижается, а утром и вечером — превышает уровень дневного потребления. И вообще, независимо от времени суток электрическая нагрузка непрерывно меняется. Эти постоянные колебания осложняют задачу сохранения баланса между производством и потреблением и приводят к тому, что генерирующие мощности значительную часть времени работают в экономически неоптимальном режиме.
Существует три традиционных типа электростанций: атомные, тепловые (ТЭС) и гидроэлектростанции (ГЭС). АЭС по соображениям безопасности не регулируют свою нагрузку. ГЭС для работы с неравномерным графиком нагрузки подходят гораздо лучше, но они есть далеко не в каждой энергосистеме, а если и есть, то не всегда в необходимом количестве. Таким образом, основная нагрузка по покрытию неравномерности суточного электропотребления ложится на ТЭС. Это, в свою очередь, приводит к их работе в неэкономичном режиме, увеличивает расход топлива и, как следствие, стоимость электроэнергии для потребителей.
Все вышеперечисленные проблемы, а также ряд других могут быть решены с помощью технологий промышленного накопления энергии.
Эффекты от накопления
1. Эффект для генерации: использование накопителей позволит оптимизировать процесс производства электроэнергии за счет выравнивания графика нагрузки на наиболее дорогое генерирующее оборудование, а также избавить дорогую тепловую генерацию от роли регулятора. В свою очередь, это неизбежно приведет к сокращению расходов углеводородного топлива, повышению коэффициента использования установленной мощности электростанций, увеличит надежность энергоснабжения и снизит потребности в строительстве новых мощностей.
2. Эффект для государственного регулирования: накопители позволяют создать энергетический резерв без избыточной работы генерирующих мощностей, оптимизировать режим работы электростанций, обеспечить спокойное прохождение ночного минимума и дневного максимума нагрузок.
3. Эффект для потребителей: электроэнергия становится дешевле, повышается надежность энергоснабжения, можно обеспечить работу критического оборудования при перебоях с питанием и создать резерв на случай аварий.
4. Эффект для электросетевого комплекса: накопители снижают пиковую нагрузку на электрические подстанции и затраты на модернизацию сетевой инфраструктуры, повышают качество и надежность энергоснабжения потребителей.
Дополнительные эффекты
Сейчас одним из главных трендов мировой энергетики является развитие ВИЭ-генерации. Среди стран, развивающих «зеленую» энергетику, наиболее ярким примером являются Дания, вырабатывающая 140% общенационального спроса на энергию с помощью ВИЭ, и Германия, где на ВИЭ приходится около 50% установленной мощности электростанций (94 из 182 ГВт) и эта доля продолжает неуклонно расти. В отдельные часы ВИЭ уже могут обеспечить до 100% потребности в электроэнергии. При этом и тепловым, и атомным электростанциям приходится выполнять резервную функцию, поскольку выработка ВИЭ-генерации непостоянна. Накопители электроэнергии могут стать выходом для продолжения успешной интеграции ВИЭ в энергосистемы различных стран, они позволят сгладить колебания выработки ВИЭ и выровнять график нагрузки.
Другим трендом является развитие распределенной энергетики. Потребители хотят минимизировать свои затраты и устанавливают собственные генерирующие источники (например, солнечные батареи или ветрогенераторы). В странах, где доля распределенной генерации высока, возникает проблема интеграции таких потребителей в рыночную систему. Поскольку сам потребитель забирает от своего источника столько электроэнергии, сколько ему нужно в данный момент времени, у него могут возникать излишки. Проблема продажи этих излишков в сеть может быть решена с помощью накопителей. Помимо этого они могут использоваться и для создания индивидуальных резервов.
Конкуренция технологий
На сегодняшний день 99% промышленного накопления и хранения электроэнергии (около 132,2 ГВт) обеспечивают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). На все прочие технологии накопления приходится 1%, в основном речь идет о накопителях на сжатом воздухе, сульфидных натриевых аккумуляторных батареях и литиевых аккумуляторных батареях. Наиболее проверенными из накопителей являются ГАЭС и устройства, работающие на технологии сжатого воздуха. Остальные технологии пока еще находятся в процессе развития.
При этом если ГАЭС и устройства, использующие технологии сжатого воздуха, могут хранить достаточно большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов, они достаточно ограничены в плане подвода большого количества энергии для поддержки или противодействия различным краткосрочным колебаниям.
Что касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.
Нужны ли России технологии хранения энергии?
Хранение электроэнергии названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. По оценкам BCC Research, совокупный среднегодовой темп роста рынка аккумуляторных батарей всех типов составит за ближайшие десять лет 18,7%: с $637 млн в 2014 году до $3,96 млрд в 2025 году.
Мощность электрических накопителей в странах ЕС, США и Китае, по различным сценариям Международного энергетического агентства, к 2050 году возрастет от двух до восьми раз. В России после 2022 года прогнозируется новый инвестиционный цикл в энергетике. Потенциальная ниша для новых энергообъектов оценивается в 15-30 ГВт. Инвестиции могут составить $500-700 млрд к 2035 году. При этом выиграть от применения накопителей смогут практически все участники рынка.
Новейшие разработки в области производства и хранения альтернативной электрической энергии вполне ощутимы, и в некоторых случаях даже способны конкурировать с традиционными источниками электроэнергии ( , ). С помощью возобновляемых (альтернативных) источников энергии можно ощутимо снизить вредные выбросы от ТЭС. В некоторых государствах такие исследования ведутся не только на частном, но и на государственном уровне. Например, исследования, проведенные Texas utility Oncor Electric Delivery Co., ярко осветили плюсы таких технологий для современных энергосистем:
- Энергия, хранимая в аккумуляторных батареях, может быть подключена в любой точке энергосистемы;
- Аккумуляторные батареи помещаются в систему распределения энергии (подстанцию или фидер) и могут использоваться для предотвращения аварийных ситуаций (потреблять или отдавать электроэнергию в случае необходимости);
- Могут активно использоваться в , что позволит улучшить энергетику системы и уменьшит капитальные затраты;
- Данные батареи смогут отдавать или поглощать электрический ток в зависимости от режима работы системы;
Дополнительные исследования будут вестись в этом году после получения компанией Saft (специализируется в проектировании, производстве, и внедрению аккумуляторных батарей для промышленных предприятий и транспорта) контракта на аккумуляторные батареи для хранения мегаватт электроэнергии от финской энергетической компании Fortum.
Saft Intensium Max – батареи контейнерного типа с номинальными мощностями в 1 МВт и 2 МВт, которые будут установлены для компании Fortum Suomenoja на электростанции Эспоо (Финляндия) для хранения электроэнергии в рамках пилотного проекта в странах Северной Европы.
Целью данного пилотного проекта является исследование пригодности и максимальной оптимальности использования аккумуляторных батарей для хранения электроэнергии и поддержания баланса мощности в системе электроснабжения.
Кроме того, также будут проводится исследования новых возможностей в области гибкости данных систем при накоплении и отдаче электроэнергии. Мощности данной электростанции будут предложены национальной энергокомпании Fingrid для поддержания постоянного баланса мощности в системе электроснабжения.
«Литий-ионные аккумуляторы имеют хороший жизненный цикл и большую плотность энергии. Для реализации данного проекта Saft будет использовать литий-никель-кобальт-алюминий оксидный аккумулятор» — сказал Майкл Липперт, менеджер по маркетингу компании Saft. Кроме подчеркивания преимуществ использования литий-ионных аккумуляторов, он также отметил важность данного пилотного проекта, так как он позволит экспериментально исследовать преимущества хранения больших мощностей электрической энергии, а также определить, как литий-ионные аккумуляторы будут себя вести при хранении таких больших объемов энергии.
По мере роста количества проектов по хранению электрической энергии во всем мире, стоит отметить одного из финалистов 2015 года Project of the Year Awards в области возобновляемых источников энергии: The Grand Ridge Energy Storage Project at Invenergy’s Beech Ridge Energy Center:
Проект Гранд-Ридж позволяет хранить 31,5 МВт электрической мощности в литий-ионных аккумуляторах, расположенных в Марселе, штат Иллинойс. Проект имел довольно большой успех, так как помогал операторам сети PJM балансировать спрос и предложение, используя запатентованную технологию железо-фосфатного аккумулятора BYD.
По рыночным исследованиям фирмы IHS, рынок хранения электроэнергии находится во «взрывном» положении. Это значит, что годовая емкость хранилищ электроэнергии вполне может достигнуть 6 ГВт в 2017 году, а к 2022 достигнуть 40 ГВт, и это при том, что в 2012 – 2013 году эти хранилища не превышали 0,34 ГВт. Энергетические компании вполне заинтересованы в развитии этого перспективного направления, так как это позволяет сделать энергосистемы более гибкими, а также стимулировать развитие альтернативной энергетики, снижая, тем самым, выбросы вредных веществ в атмосферу.
Вы заметили, что в названии станций, на которых производят энергию, обязательно присутствует слово “электро”? То есть, что бы мы ни подавали “на вход”, “на выходе” получается энергия в виде электричества.
С тех пор как было обнаружено, что в металлах может протекать электрический ток, а в проволочной рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает напряжение, стало ясно, что получен прекрасный способ преобразования, передачи и распределения энергии.
Действительно, как передать на расстояние энергию падающей воды или выделенное при сгорании тепло? Конечно, можно на месте использовать вращение гидроколеса, приводящего в движение мельницу. Можно передать по трубам горячую воду, как это делают в городах для обогрева домов. Но не устанавливать же многокилометровый крутящийся вал! Да и вода остынет, если трубы будут слишком длинными.
А вот электрогенераторы, получающие энергию в принципе от всего, что способно создать вращение, производят электрический ток, который затем по проводам переносит энергию на сотни и тысячи километров. Им питаются и электрический транспорт, и лампы на улицах городов и в наших домах, и все приборы, которые достаточно включить в сеть. Без преувеличения можно сказать, что сегодня практически весь мир зависит от питания электроэнергией, как грудной ребенок — от соски.
А что делать, если в какое-то место энергия не подается по” проводам? Тогда нас выручат батарейки. Вот уж действительно палочка-выручалочка! В переносных радиоприемниках и магнитофонах, калькуляторах и слуховых аппаратах — в необозримом количестве современных приборов “сидят” эти маленькие источники электричества.
Кроме этих миниатюрных устройств существуют и довольно крупные аккумуляторы, знакомые вам, конечно, по автомобилям. Для них производят более 100 миллионов свинцовых аккумуляторов в год. А дизельные подводные лодки флотов всех стран оснащены подобными аккумуляторами массой до 180 тонн!
К сожалению, большая масса, а также вредные химические вещества, используемые в них, служат пока препятствием для создания транспорта на автономной электрической тяге.
Это задача, над которой бьются не одно десятилетие тысячи ученых, инженеров, изобретателей. Никак пока не удается сконструировать принципиально новый аккумулятор, который позволял бы долго двигаться в удалении от иных источников энергии, то есть без частой подзарядки.
Впрочем, похоже, ситуация с состоянием окружающей среды просто заставит нас сделать это изобретение. Ведь создали же батарейку, целиком состоящую из пластмассы! Она прекрасно работает и в жару, и в мороз, ее можно до ста раз разряжать и заряжать, она почти не токсична. Не во всем ее можно сравнить с уже известными батареями, но это обнадеживающий шаг!
И в этот час печальная природа Лежит вокруг, вздыхая тяжело, И не мила ей дикая свобода. Где от добра не отделимо зло. И снится ей блестящий вал турбины, И мерный звук разумного труда, И пенье труб, и зарево плотины, И налитые током провода. Н. Заболоцкий Ну, не давала человеку покоя безмятежная природа! Не терпелось ему…
Не один раз ученым-археологам приходилось ломать голову при раскопках стоянок древних людей. Например, находили палочку с обожженным концом. Одни говорят — это пытались в костре заострить копье или стрелу, другие утверждают — так получали огонь. Сходятся спорщики на том, что человек стал самостоятельно добывать огонь около 100 тысяч лет назад. Именно самостоятельно, потому что в…
Проходили тысячелетия, а “запрячь” огонь, заставить его работать человек так и не сумел. Тогда мысли его обратились к движущейся воде. Когда и где завертелось первое водяное колесо? Его запустили, видимо, и в Древней Индии, и на Ближнем Востоке, и в Древнем Риме. Где бы то ни было, а такие колеса издавна стали служить человеку для…
С изобретением паровой машины, а позже и турбины, люди смогли наконец заставить выделяемое при сгорании тепло вращать и двигать различные механизмы. Это были и лопатки турбин, и колеса на транспорте, и валы генераторов тока. Беда в том, что невозможно всю выделяемую при сгорании топлива энергию эффективно использовать — превращать в полезную для нас работу. При…
Да, именно экология уже диктует, а в скором времени, видимо, полностью будет определять требования к любым источникам энергии. Немудрено, что люди вновь и вновь обращаются к тому, что давно и настойчиво предлагает сама природа. Ведь если запасы ископаемого топлива рано или поздно подойдут к концу, если, сжигая его, мы нарушаем тепловой баланс Земли, то не…
А можно ли изобрести такой источник энергии, такой двигатель, который действовал бы “вечно” и вовсе не имел никаких недостатков? Не загрязнял окружающую среду, не нарушал тепловой баланс планеты, вообще не производил бы ничего, кроме “чистой” энергии. Иными словами, представлял бы собой этакое идеальное устройство, избавляющее нас от всех энергетических проблем. Сотни лет насчитывает история создания…
Вы, разумеется, слышали о том, что ток бывает постоянным и переменным. Вот на батарейках и аккумуляторах изображены значки “плюс” и “минус”. Это указывает на то, что перед вами источник постоянного тока. Иными словами, если вы подсоедините к нему лампочку или прибор, то по цепочке побегут заряженные частички, образуя электрический ток, причем в одном направлении. А…
Исследования мельчайшего строения вещества привели людей к открытию атомной энергии. Как ни печально, сперва это выдающееся достижение использовали для производства оружия. Но люди нашли способ не только мгновенного, взрывного выделения атомной энергии, но смогли и обуздать ее, то есть заставить ядерные реакции протекать медленнее, так сказать, под контролем. Тогда огромная энергия, скрытая в самых мельчайших…
Стоя под солнечными лучами, мы непосредственно ощущаем, сколько они несут с собой энергии. Но запасать ее так, как это делают растения, мы пока не можем. Однако проектов, изобретений и идей в этой области немало. Вот, например, полупроводниковые батареи, которые позволяют энергию солнечного излучения преобразовывать непосредственно в электричество. Эти источники питания устанавливают на панелях солнечных батарей…
Археологи установили, что самый древний накопитель энергии — маховик — был изготовлен пять с половиной тысяч лет назад. Это был гончарный круг из обожженной глины, довольно долго вращавшийся после раскрутки, постепенно расходуя запасенную энергию. Проведенные в Арктике исследования привели недавно к выводу, что белая шерсть северных животных, особенно медведей, обладает свойством улавливать до 95 процентов…
Как технологии хранения электроэнергии изменят мир
Текст: Андрей ВЕЛЕСЮК
В прошлом году миллиардер Илон Маск в очередной раз взбудоражил общественность: его компания за 100 дней построила и подготовила к эксплуатации хранилище для электроэнергии общей емкостью 100 МВт. Это обострило дискуссию о технологиях хранения электроэнергии и переменах, которые их развитие может принести. Мы решили разобраться, как в России готовятся к грядущим переменам и чего конкретно стоит ждать.
Фото: Flickr.com, Flickr/U.S. Department of Energy, Siemens.com, Росатом,
Newsroom.ucla.edu
Общее положение дел
В августе прошлого года министерство энергетики опубликовало «Концепцию развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации».
Россия с существенным отставанием приступает к формированию национальной промышленности систем накопления энергии и развитию рынка применения этих систем в различных секторах экономики. К примеру, в США уже в 2010 году запустили программу California Energy Storage Mandate, согласно которой в стране к 2020 году будет 1325 МВт мощностей хранения. Великобритания и Китай озаботились этим вопросом в 2016 году: первая приобрела 201 МВт систем хранения, второй планирует к 2021 году построить системы хранения емкостью 46 ГВт. А в прошлом году СМИ растиражировали историю, главным героем которой стал опять же Илон Маск: в Австралии за 100 дней была построена самая большая в мире система литий-ионных батарей (См. справку).
Авторы российской «Концепции» перечислили основные события на рынке систем хранения электроэнергии, которые уже происходят в стране: «создано множество стартапов», проводятся профильные конференции, Минобрнауки за три года выделило 1,3 млрд руб. на соответствующие НИОКР, есть программы инновационного развития. Из всего этого сделан вывод: в России пока ведутся разрозненные и нескоординированные действия, не обеспечивающие достижения прорывного эффекта в развитии отрасли и рынка систем хранения электроэнергии.
- «Интернет энергии» - использование систем хранения электроэнергии в составе распределительной энергетики;
- «новая генеральная схема» - использование систем хранения электроэнергии в составе крупной централизованной энергетики;
- «водородная энергетика» - использование систем хранения электроэнергии в водородном цикле для энергетики с высокими требованиями к автономности, мобильности, экологичности.
Авторы документа утверждают, что к 2025 году объем мирового рынка систем хранения электроэнергии составит около $ 80 млрд. В оптимистичном сценарии российский рынок этих систем к тому времени достигнет около $ 8 млрд в год, а общий экономический эффект, за вычетом инвестиций и с учетом экспорта (систем хранения электроэнергии и водородного топлива), составит около $ 10 млрд в год.
Спор на $25 млн
В австралийском штате Южная Австралия, зависящем от возобновляемых источников энергии, живет 1,7 млн человек; у них регулярно возникали проблемы с энергоснабжением. На территории штата было недостаточно хранилищ, чтобы поставлять больше электроэнергии во время пиковых нагрузок. В марте прошлого года основатель и глава компании Tesla Илон Маск пообещал решить эту проблему.
Миллиардер написал в своем твиттере, что готов в течение 100 дней обеспечить бесперебойную поставку электроэнергии в штат Южная Австралия. Он пообещал установить там систему батарей общей мощностью 100 МВт, стоимость которой составит $ 25 млн без учета затрат на работы по установке и налогов. Если бы компания не успела сделать это за 100 дней, заказчики не заплатили бы Tesla ни цента.
В июле Илон Маск объявил, что получил от властей Австралии согласие на строительство там самой большой в мире системы литий-ионных батарей. Станцию хранения электроэнергии подключили к ветряной электростанции в городе Джеймстаун, принадлежащей компании Neoen. Общая мощность системы батарей составила 100 МВт, емкость - 129 МВт∙ч.
В ноябре компания Tesla отчиталась о завершении работ по установке системы сверхъемких аккумуляторов Powerpack выходной мощностью 100 МВт. Правда, тогда же издание Mashable обнаружило, что к моменту официального старта работ система уже функционировала на половине проектной мощности - 50 МВт. То есть формально условие было выполнено, но Маск подстраховался, начав строить станцию раньше официального одобрения.
Впрочем, компания Neoen, за два дня заработавшая на этих аккумуляторах $ 800 тыс. (австралийских), возмущаться не стала.
Технологии хранения изменят ландшафт энергетики
Консультанты компании VYGON Consulting уверены, что развитие систем хранения энергии сыграет ключевую роль и в росте доли объектов генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Хотя в развитых странах этот сегмент и так растет достаточно быстро: в 2017 году в Германии 36,1% электроэнергии вырабатывалось из ВИЭ (на 3,8% больше, чем годом ранее). В Дании с помощью таких источников удовлетворяется более 40% общенационального спроса на электроэнергию.
Стоит также учесть, что, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), в ближайшие 25 лет более трети действующих мощностей в мире (2,3 тыс. ГВт) достигнут предельного возраста и будут выведены из эксплуатации. И скорее всего, в случае значительного удешевления технологий хранения энергии, все эти электростанции будут замещены распределенными генерирующими объектами ВИЭ. Но пока все упирается в дороговизну решений.
Эксперты VYGON Consulting считают также, что в ближайшей перспективе прорывом станет достижение сетевого паритета между технологиями хранения энергии и генерацией ВИЭ в островных и автономных системах, не обладающих значительными запасами прочности по резервам. Яркие примеры таких территорий - изолированные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока России. Именно они могут стать пилотными регионами для опытного и промышленного применения гибридных решений энергоснабжения на основе генерирующих мощностей ВИЭ в сочетании с системами хранения.
Заместитель председателя правления УК «РОСНАНО» Юрий Удальцов также считает, что появление большого количества накопителей фундаментально изменит энергосистему. Сейчас для регулирования частоты диспетчер закладывает большой резерв мощностей, чтобы покрывать пики в отдельные часы. В итоге станции в среднем загружены меньше, чем могли бы быть. С появлением промышленных накопителей графики выработки и потребления можно будет развести и сделать удобными для каждой стороны. Это принципиально изменит рынки электроэнергии и энергомашиностроения, ориентированного на маневренность. Если в ней не будет необходимости, достаточно поставить АЭС в базовый режим работы и не содержать «запасные» мощности. Ю. Удальцов заметил, однако, что это станет возможным не ранее чем через 20 лет.
Еще один тренд в изменении ландшафта энергетики касается потребления электричества, в частности, бурно растущего сегмента «умный дом». Речь идет о жилье, в котором управление системами жизнеобеспечения максимально автоматизировано. По данным отчета маркетинговой компании Zion Market, сейчас мировой рынок решений для «умного жилья» составляет $ 246 млрд и до 2022 года его среднегодовой темп роста выручки составит 17,5%. Аналитики IDC, в свою очередь, утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», и в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн аналогичных устройств. В программе «Цифровая экономика Российской Федерации» создание «умных городов», состоящих из «умных домов», названо одним из ключевых направлений.
Особенность энергообеспечения «умного дома» в том, что из-за подключенных видеоустройств, систем безопасности, датчиков дыма, «умных» осветительных приборов и т. п. он становится весьма энергоемким. Если безопасность дома зависит от энергообеспечения, потребителю очень важны надежность и бесперебойная работа оборудования. Все чаще владельцы «умных домов» используют автономные генераторы и источники бесперебойного питания (ИБП), к которым подключают самые важные системы: освещения, оповещения и пожарной безопасности. Таким образом, мы наблюдаем активное развитие сегмента распределительной энергетики.
Почему аккумуляторы не используют повсюду?
Первая понятная технология хранения энергии появилась еще в конце XIX века - это были гидроаккумулирующие электростанции. ГАЭС в период низкого спроса на электроэнергию (например, ночью) потребляют ее для набора воды в верхнее водохранилище. А в моменты пиковых нагрузок (например, в утренние часы в мегаполисе) производят электроэнергию за счет резкого сброса воды.
В России единственная действующая станция такого типа - Загорская ГАЭС в Московской области. Она помогает покрывать пиковое потребление электроэнергии столичного региона.
Сегодня совокупная мощность разного рода систем хранения энергии в мире - примерно 150 ГВт. Подавляющая доля систем хранения (97%) приходится на гидроаккумулирующие электростанции, причем в строительство новых ГАЭС ежегодно вкладывается $ 7−10 млрд. Лидеры по установленной мощности ГАЭС: Китай (31 999 МВт, 34 ГАЭС), Япония (28 252 МВт, 43 ГАЭС) и США (22 561 МВт, 38 ГАЭС). Среди прочих накопителей выделяются системы на сжатом воздухе, сульфидные натриевые и литиевые аккумуляторные батареи.
Что касается аккумуляторных батарей, эксперты оценивают затраты на их установку в пределах $ 200−800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты - у свинцово-кислотных аккумуляторов. Основной недостаток аккумуляторных батарей - низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС. Срок службы батарей может довольно сильно варьироваться в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.
Есть у систем хранения электроэнергии еще одна неочевидная сторона, помимо финансовых и технологических, - это моральный аспект. Дело в том, что для производства аккумуляторов и аккумуляторных батарей, на которых работает вся современная техника, используют кобальт. Каждый год в мире добывают примерно 120 тыс. тонн кобальта, и 60% его добычи приходится на Демократическую Республику Конго. Для сравнения: на Канаду приходится 6% добычи, на Австралию - 4%, на Россию - 3%. Цены на кобальт растут стремительно, и это стимулирует рост его добычи в Конго.
По данным ЮНИСЕФ, которые приводит интернет-издание «Медуза», в 2014 году из 150 тыс. местных горняков около 40 тыс. были детьми. Причем после того, как кобальт начал дорожать, детей в шахтах стало больше, считает Amnesty International. Некоторые из них не старше четырех лет. Рабочий день ребенка длится в среднем 12 часов, дневной заработок колеблется в районе $ 1−2.
Однако эксперты полагают, что можно избежать роста цен на кобальт и снизить объемы его потребления. Один из металлов, способных заменить кобальт (а точнее, снизить его долю в аккумуляторах до 10% с нынешних 50%), - никель. Его запасы в мире больше, он равномернее распределен между странами и потому дешевле. В таком случае удастся решить и моральную проблему.
Альтернатива литий-ионным аккумуляторам
Первые литий-ионные аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году. С того времени их емкость практически удвоилась: 110 Втч/кг превратились в 200 Втч/кг; они до сих пор главенствуют в мире аккумуляторов, но ученые активно работают над новыми технологиями хранения энергии. Вот самые интересные из них.
Натрий-ионные аккумуляторы. В таких аккумуляторах в качестве ионов, перемещающихся между электродами, используют натрий. При низкой себестоимости главный недостаток таких батарей - небольшая емкость. Ученые из Стэнфордского университета разработали новый натриевый катод, позволяющий добиться увеличения емкости. Несмотря на то что пока прошли только первичные тесты, в будущем ученые планируют оптимизировать материал и строение анода для создания полноценного эффективного аккумулятора.
Аккумуляторные батареи на основе алюминия. Группа исследователей все того же Стэнфордского университета уже несколько лет работает над недорогим решением, которое позволило бы накапливать и хранить солнечную энергию. Батарея состоит из алюминиевого анода и графитового катода, погруженных в электролит. В качестве последнего пока остановились на мочевине - химическом соединении, которое активно используется в качестве удобрения.
Такая батарея полностью заряжается за 45 минут и не горит, в отличие от литий-ионных аккумуляторов. Сейчас ученые работают над коммерческой версией батареи, в первую очередь над продлением срока ее службы - нынешняя версия выдерживает всего 1500 циклов.
Органические быстрозарядные аккумуляторы. Израильский стартап StoreDot в прошлом году представил аккумулятор для электромобилей, разработанный на основе собственных технологий. Они используют слои наноматериалов и органических соединений, которые, по словам представителей компании, никогда раньше не использовались в аккумуляторах.
В результате получился аккумулятор, который заряжается за 5 минут и может проехать на этой зарядке 300 миль. CEO StoreDot Дорон Майерсдорф говорит, что такая зарядка поможет росту популярности электромобилей. Во-первых, из-за скорости зарядки. Во-вторых, потому что FlashBattery безопаснее литий-ионных аккумуляторов - она выдерживает более высокие температуры и не горит.
Твердотельные аккумуляторы. В прошлом году Toyota объявила о прорывном открытии в собственном производстве. К 2020 году автогигант планирует начать выпуск полностью твердотельных литиевых аккумуляторов, внутри которых - жидкий или гелевый электролит. Они будут плотнее, меньше и легче нынешних. Еще один плюс - длительный срок службы.
Супер- и ультраконденсаторы. Это гибриды конденсатора (электронного компонента, способного накапливать и отдавать электрический заряд) и химического источника тока (батарейки или аккумулятора). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы обладают более высокой скоростью зарядки-разрядки и бóльшим ресурсом.
В интервью EnergyLand.info руководитель проекта «Конгран» Семен Червонобродов рассказал, что его группе удалось создать прототипы двух накопителей электрической энергии, принципиально различающихся по физическим принципам действия. Первый - суперконденсатор с высокой для этого типа энергонакопителей удельной емкостью. Второй - литий-ионный гибридный суперконденсатор с принципиально новым катодом. Также создан новый, экологически чистый электролит на основе полиаминокислот.
Основной сферой применения суперконденсаторов он считает транспортную отрасль. Сейчас ведутся работы над удешевлением производства.
Строительство аккумулирующих станций неизбежно
В современном мире очевиден тренд к постепенному выводу угольной генерации без установок по улавливанию и хранению CO2. Согласно прогнозам, к 2030 году будут выведены из эксплуатации 2/3 мощностей действующей генерации. Взамен в ряде государств переходят на ВИЭ.
Интеграция в энергосистему нестабильных ВИЭ ведет к снижению выбросов, но ставит вопрос о повышении гибкости энергосистемы.
Параллельно стремительными темпами растет потребность в электроэнергии, в том числе вследствие развития технологий «умного дома». В ближайшие годы миллионы устройств дополнительно будут подключены к Интернету. К примеру, аналитики IDC утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», таких как датчики дыма, сигнализации, системы видеонаблюдения; в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста продаж составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн устройств такого рода. Всё это не может не затронуть различных аспектов функционирования энергетики, и в первую очередь -объемов ее потребления и способов хранения.
В связи со всеми этими переменами в ряде государств уже сейчас в планах по развитию ВИЭ зафиксирована необходимость строительства гидроаккумулирующих станций, например, в Индонезии (3 ГВт к 2025 году) и в Испании (8,8 ГВт к 2020 году). А в штате Калифорния политика в отношении хранения энергии определена законодательным органом штата в 2010 году и требует, чтобы коммунальные предприятия и прочие энергокомпании планировали закупки объектов хранения.
Основной рост объема накопителей энергии, согласно прогнозам экспертов, в ближайшие годы будет обеспечен за счет интеграции ВИЭ с применением литий-ионных батарей. Ожидается, что к 2023 году ежегодный доход от таких аккумуляторов возрастет до $ 18 млрд. Хотя наверняка гидроаккумулирующие станции, самые крупные из доступных систем накопления энергии, еще какое-то время сохранят лидерские позиции среди общесистемных накопителей энергии.
Как собирается участвовать в этом глобальном тренде Россия? Ответа пока нет. Ведомственных концепций для реального развития рынка мало. Мы готовим обзор ситуации внутри страны в части развития технологий хранения энергии и перспектив спроса. Ищите его в одном из ближайших выпусков журнала.
Как в мире сохраняют электроэнергию
Ирландско-немецкие гибриды
Ирландские власти планируют к 2020 году добиться того, чтобы 40% энергобаланса в стране обеспечивали ВИЭ; к 2035 году они хотят довести этот показатель до 100%. Большая часть этой электроэнергии поступает с крупных ветряных электростанций.
Для того чтобы стабилизировать систему, немецкая компания Freqcon GmbH в Южном Дублине в 2016 году ввела в эксплуатацию систему хранения энергии, интегрированную с ультраконденсаторами Maxwell и литий-ионными батареями, для Tallaght Smart Grid Testbed. Литий-ионная батарея UltraBattery - это гибрид химической батареи и ультраконденсатора. Поставщик батареи, компания Ecoult, утверждает, что изобретение безопасно, устойчиво, надежно и пригодно для вторичной переработки. Система имеет установленную мощность 300 кВт и емкость 150 кВт∙ч.
Она разработана в первую очередь для демонстрации работы системы поддержки стабильности распределительной сети и решения проблем, связанных с нерегулярностью производства электроэнергии на электростанциях, работающих на ВИЭ.
Если система покажет свою жизнеспособность, ее развернут по всему Дублину и в дальнейшем - по всей Ирландии.
Нидерландские автомобили-батарейки
В апреле этого года в Mitsubishi анонсировали совместный проект с компаниями Hitachi и Engie, который позволит использовать электромобили в качестве хранилищ возобновляемых источников энергии для зданий.
Тестовые работы развернут в офисном здании Engie, расположенном в голландском городе Заандаме. Там Hitachi установила свое двунаправленное зарядное устройство V2X, способное отправлять энергию обратно в сеть.
Зарядное устройство подключено к энергоснабжению здания, которое, в свою очередь, оснащено солнечными батареями. Поскольку батареи зачастую генерируют избыточную электроэнергию, она будет храниться в аккумуляторе электромобиля. В случае перебоев эти автомобили будут действовать как аварийное питание. В качестве батареи компании будут использовать электромобиль Mitsubishi Outlander (PHEV).
Если эксперимент окажется успешным, линейку электромобилей, которые могут участвовать в создании аналогичных систем регулирования энергии, обещают расширить. В британской энергокомпании Moixa утверждают, что всего десять новых автомобилей Nissan LEAF могут хранить столько энергии, сколько хватит на час стандартного энергопотребления тысячи домов.
Первыми о подобном использовании электромобилей заявили специалисты Renault: они пообещали создать на португальских островах Мадейра интеллектуальную электрическую экосистему, в которой батареи будут использоваться как стационарные хранилища энергии.
Ультраконденсаторы из Сан-Диего
С 2016 года кампус Калифорнийского университета в Сан-Диего обеспечивается электроэнергией в режиме микроэнергетической системы с пиковой мощностью 42 МВт.
В кампусе проживает 45 тыс. человек - как в небольшом городе. 85% потребления покрывает собственная генерация, включающая парогазовую установку (30 МВт), станцию на топливных элементах (2,8 МВт), солнечную фотоэлектрическую станцию (2,2 МВт).
Система хранения организована из стандартных литий-ионных хранилищ и ультраконденсаторов. Цель проекта - убедиться, что ультраконденсаторы могут обеспечить более экономичную систему хранения энергии и лучшее время отклика, чем батареи.
Как мы уже говорили, в ультра-, или суперконденсаторах заряды разделяются электростатически, а не химически. Это позволяет ультраконденсаторам заряжаться и разряжаться за доли секунды, нормально функционировать в широком температурном диапазоне (от -40 0С до +65 0С), надежно отрабатывать 1 млн циклов зарядки/разрядки и противостоять вибрации. Батарея конденсаторов включается параллельно автомобильному аккумулятору. Параллельная схема значительно увеличивает срок службы аккумулятора, позволяя ему иметь меньшую емкость и, следовательно, меньшие габариты.
До появления ультраконденсаторов эта схема была нереализуема из-за больших размеров конденсаторов. Теперь, если происходит резкое снижение мощности, модули ультраконденсатора поддерживают систему, а когда солнечная энергия возрастает, они заряжаются. Таким образом, ультраконденсаторы выполняют быстрые функции, такие как управление частотой, в то время как батареи используются для сдвига пика потребления и формирования оперативного резерва.
