В 2021 году возобновляемые источники — ветер и солнечная энергия — обеспечили рекордные 10 процентов в мировой выработке электроэнергии. К 2026 году их совокупная мощность может увеличиться более чем на 60 процентов. Но отказаться от ископаемого топлива все еще не так просто. Если нефть и газ стабильно обеспечивают нас энергией, то, например, выработка гидро-, солнечных и ветряных электростанций во многом зависит от погодных условий. Устранить этот недостаток могут системы накопления и хранения энергии. Вместе с научно-просветительской платформой Homo Science рассказываем, какими они бывают.
Избавиться от метеозависимости
Представьте, что вы живете в доме, который питается исключительно от солнечных панелей. Они преобразуют энергию Солнца в электричество, не сохраняя ничего на будущее. В хорошую погоду такая система работает отлично, но наступает вечер, и ваше жилище вдруг оказывается обесточено. Еда в холодильнике портится, освещать комнату приходится с помощью свечей, а если у вас нет пауэрбанка, то нет и возможности зарядить смартфон или ноутбук.
Конечно, на самом деле в энергосистеме всегда есть резервные источники энергии — например, солнечную электростанцию без аккумуляторов можно использовать только в светлое время суток, а в отсутствие солнца пользоваться электричеством из городской сети. Однако это не решает глобальной проблемы: альтернативная энергетика по-прежнему сильно зависит от погоды. Между тем пик энергопотребления, как правило, наступает утром и вечером — как раз в отсутствие солнечного света. Миллионы людей встают по утрам на работу и включают электрические чайники, а вечером смотрят телевизор или проводят время за видеоиграми. Ситуация усугубляется осенью и зимой, когда солнце может быть скрыто за тучами почти целый день.
Компенсировать пиковые нагрузки можно с помощью невозобновляемых источников энергии — угля или газа. Но смысл альтернативной энергетики в том, чтобы научиться обходиться без них. Стоит учитывать и возможность сбоя в системе энергоснабжения. Что делать, если всю неделю стоит пасмурная погода, солнечные батареи вырабатывают мало энергии, а на электростанции как раз в это время произошел сбой?
На такой случай обеспечить дом светом могут системы накопления и хранения энергии. Они не только позволяют запасаться ею впрок, но и снижают нагрузку на электростанции. Накопители позволяют компенсировать недостатки возобновляемых источников, которые не производят энергию постоянно с одинаковой мощностью или именно в те периоды, когда это нужно людям, и больше полагаться на силу ветра и солнечный свет.
Накопительные системы устраняют необходимость одновременного производства и потребления энергии, а вот принципы их работы могут быть самыми разными.
Зарядить батарейку
Хранить энергию можно в химических связях, которые соединяют атомы в молекуле вещества. Уголь и нефть тоже в определенном смысле система хранения энергии, накопившейся за миллионы лет формирования месторождений. Однако у ископаемых источников энергии есть существенный минус: они исчерпаемы.
Этого недостатка лишены Солнце и ветер, а полученную с их помощью энергию тоже можно превратить в химические связи. Например, направить ее на электролиз воды, чтобы получить водород (эта технология так и называется — power-to-gas), который можно использовать в качестве топлива. Газ хранится в специальных резервуарах и высвобождается по мере необходимости. При сгорании водородного топлива получается вода, и, таким образом, цикл замыкается.
Еще один способ перевести энергию ветра или Солнца в химические связи — использовать перезаряжаемую аккумуляторную батарею. У литий-ионных аккумуляторов есть несколько преимуществ: они быстро производятся, эффективно хранят энергию и практически мгновенно выдают ее устройствам. Первые аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году. С тех пор их емкость выросла практически в два раза, однако сейчас прогресс замедлился.
Как устроен аккумулятор? ↓
Любой аккумулятор состоит из двух электродов, содержащих окислитель и восстановитель, а также проводящей среды — электролита. В разряженном аккумуляторе электроды не взаимодействуют друг с другом, но под действием электрического тока приходят в неустойчивое состояние, приобретая избыточный окислительный и восстановительный потенциал. Электроды начинают взаимодействовать между собой, обмениваясь электронами, которые можно пустить по внешней цепи и использовать, например, для зарядки смартфона. В аккумуляторной батарее химические реакции обратимы. Это означает, что их можно использовать многократно.
Эксперты прогнозируют, что рынок литий-ионных аккумуляторов будет только расти: они не только используются в большинстве компактных гаджетов, таких как смартфоны и лэптопы, но также способны питать электромобили и хранить энергию для коммунальных предприятий. Поэтому крупные корпорации, в частности автоконцерны, все еще доверяют этой технологии и инвестируют в нее. Однако для таких целей требуются значительно более емкие аккумуляторы.
Такие устройства производит, например, Tesla: гигантский литий-ионный аккумулятор Megapack предназначен для хранения энергии на электростанциях и коммунальных предприятиях. Накопленная энергия расходуется в часы пиковых нагрузок. А компания Mercedes-Benz Energy разрабатывает похожие системы на основе отработавших аккумуляторов и запасных частей от электромобилей.
В 2022 году государственная корпорация Росатом приступила к строительству фабрики накопителей энергии в Калининградской области. Производство должно обеспечить литий-ионными батареями до 50 тысяч электромобилей, а также стационарные системы накопления энергии. На предприятии аккумуляторы будут делать с нуля: от смешения компонентов катодных и анодных масс до выходного контроля готовой продукции. Ожидается, что первые батареи сойдут с конвейера в 2025 году.
И все-таки литий-ионные аккумуляторы не идеальны. Они дорого обходятся в производстве и быстро деградируют, а еще чувствительны к повреждениям и высоким температурам. Это не только приводит к износу самих батарей, но и вызывает пожары, которые сложно тушить: их горение сопровождается бурной химической реакцией. Комиссия по безопасности потребительских товаров США сообщила, что за пять лет было зарегистрировано более 25 000 проблем, связанных с возгоранием или перегревом литий-ионных аккумуляторов.
Так, например, в 2016 году, через 2 месяца после старта продаж, компания Samsung отозвала более 2,5 млн смартфонов Galaxy Note 7 из-за многочисленных случаев возгораний и взрывов — ущерб составил примерно $5 млрд. Это произошло из-за неправильной конструкции аккумулятора. А в 2021 году на строящемся хранилище энергии в Австралии загорелся 13-тонный аккумулятор Tesla Megapack. Утечка в системе жидкостного охлаждения вызвала тепловой разгон внутри аккумуляторных модулей, что и привело к возгоранию.
Что такое тепловой разгон? ↓
В процессе зарядки аккумулятора электролит нагревается, что приводит к росту зарядного тока. При определенных условиях он может возрасти до значения, которое приближается к значению тока короткого замыкания, — это явление называется тепловым разгоном. Его вероятность возрастает, если нарушен теплообмен аккумулятора и окружающей среды. Стремясь не допустить возгорания батарей, компании добавляют в устройства системы, отслеживающие состояние аккумулятора.
Ученые и инженеры работают над устранением недостатков литий-ионных аккумуляторов. Например, учат их отключаться при чрезмерном нагреве, встраивают пламегаситель и пробуют использовать в качестве электрода не углерод, а кремний-углеродный нанокомпозит. Также разрабатываются литиевые аккумуляторы с твердым электролитом и быстрозарядные аккумуляторы из наноматериалов и органики.
Помимо литий-ионных аккумуляторов, существуют также свинцово-кислотные, натрий-серные, никель-металлогидридные, никель-кадмиевые и никель-железные батареи, натрий-ионные аккумуляторы, а также алюминиевые батареи, которые полностью заряжаются за 45 минут и не горят. Все они отличаются друг от друга сроком эксплуатации, устойчивостью к высоким и низким температурам и скоростью потери заряда, а также мощностью и энергоемкостью. Универсального накопителя нет — каждый из них лучше подходит под решение конкретной задачи.
Для стационарных аккумуляторов большой емкости создают проточные редокс-батареи. Это огромные контейнеры с электролитами: ванадием, соленой водой или раствором хлора или цинка, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Редокс-батареи дешевле аккумуляторов, а их содержимое не заключено в единый корпус, как у аккумуляторов. Это позволяет изменять размеры резервуаров с электролитом, а также размеры модулей, преобразующих энергию химических веществ в электроэнергию, и гибко управлять мощностью и емкостью. Мощные проточные батареи сегодня используются в сочетании с солнечными и ветряными электростанциями.
Еще одна важная разработка — суперконденсаторы. Это устройство, состоящее из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора, не допускающего перемещения заряда между электродами. Особенность суперконденсаторов заключается в том, что они способны заряжаться всего за несколько секунд или минут. Поэтому используют их там, где требуется большая мощность на небольшой срок: для запуска двигателя в автомобилях, чтобы снизить нагрузку на аккумулятор, в общественном транспорте (троллейбус может обходить на суперконденсаторе небольшие участки, где отсутствует контактная сеть) и в бытовой электронике — фотовспышках и автомагнитолах.
Преобразовать энергию
Но что, если обратиться не к химии, а к физике? Человечество придумало, как использовать для хранения электроэнергии гравитацию, энергию вращения и давление сжатого воздуха.
Плотина гидроэлектростанции (ГЭС) сохраняет потенциальную гравитационную энергию воды: накопленная в резервуарах жидкость сбрасывается с большой высоты и вращает лопасти генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Более сложный вариант — гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Они позволяют более равномерно расходовать энергию в течение дня, снижая нагрузку на электросеть. В часы пиковой нагрузки затраты на получение энергии возрастают, а по ночам, когда энергопотребление низкое, энергия намного дешевле. По ночам ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее, перекачивая воду наверх с помощью насосов, а во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления вода сбрасывается на лопасти генератора. Так вырабатывается дорогая электроэнергия, которая отдается в сеть.
ГАЭС хороши, когда надо обеспечить электроэнергией населенные пункты. Такие системы могут сохранять большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов и в то же время не позволяют быстро забрать большое количество энергии, чтобы справиться с краткосрочным сбоем в сети.
Тем не менее в ближайшие годы использование ГАЭС будет расти. В США планируют превратить живописное водохранилище Сан-Висенте в Сан-Диего в гигантский «водяной аккумулятор». Китай расширяет свою сеть гидроаккумулирующих электростанций: в начале 2022 года заработала крупнейшая в мире ГАЭС в провинции Хэбэй, а к 2025 году собираются построить 200 насосных гидроэлектростанций общей мощностью 270 гигаватт. В России на данный момент действуют две ГАЭС: одна — в составе Каскада Кубанских гидроэлектростанций, другая — в Сергиево-Посадском районе Московской области. Еще четыре проектируются или уже строятся.
Помимо ГЭС и ГАЭС, гравитация также используется в железнодорожных накопителях. В начале 2022 года компания Fortescue Future Industries объявила о создании электрического поезда Infinity Train для перевозки железной руды. Его батарея будет перезаряжаться благодаря силе тяжести — иначе говоря, поезд будет служить гравитационным аккумулятором для самого себя.
Еще один способ сохранить электричество — преобразовать его в кинетическую энергию вращения массивного колеса (маховика). Когда энергию необходимо накопить, потребляющий электроэнергию от внешнего источника механизм разгоняет маховик. И наоборот: когда электрическая машина переходит в генераторный режим, энергия вращения маховика преобразуется в электрическую и отдается в сеть, а маховик при этом замедляется.
Наконец, в накоплении электроэнергии в больших объемах помогает давление сжатого воздуха. Дешевое электричество можно потратить, закачав воздух в специальный накопитель с помощью электродвигателя. Когда нужно получить электроэнергию, сжатый воздух выпускается из накопителя и вращает турбину генератора.
Энергию солнца можно также преобразовать в тепловую и сохранять в таком виде некоторое время. Удерживать энергию может, например, расплавленная соль. Сперва соль нагревают с помощью гелиостатов — сконцентрированных на солнце зеркал, которые собирают тепло солнечного света. Затем она направляется в резервуар и по мере необходимости приводит в действие парогенератор. Полученный пар вращает турбину, которая вырабатывает электроэнергию. Эта технология помогает подавать в дома электричество по вечерам.
Копить на будущее
По оценкам экономистов, к 2040 году мировой рынок систем накопления и хранения энергии (без учета ГАЭС) вырастет в 122 раза от уровня 2018 года, а их совокупная мощность превысит порог в 1000 ГВт, а энергия — 2,850 ГВтч. На сегодняшний день совокупная мощность систем хранения энергии в мире — примерно 150 ГВ·т.
Важнейшие параметры для накопителей — это коэффициент мощности, время заряда-разряда, продолжительность хранения и стоимость внедрения. Необходимо учитывать, что на поддержание их работы — сохранение подходящей температуры или преобразование энергии — также затрачиваются ресурсы. Поэтому наиболее перспективными сегодня выглядят именно электрохимические накопители. Другие варианты накопителей только разрабатываются, а если используются, то в экспериментальном режиме.
Проблема системы power-to-gas заключается в том, что во время электролиза теряется от 19 до 33 процентов энергии. Кроме того, электролиз — это довольно дорогой процесс. В частности, из-за того, что для уменьшения энергозатрат и ускорения реакции используются катализаторы на основе металлов платиновой группы, главным образом платины и палладия. Сегодня технологию power-to-gas целесообразно использовать только для долгосрочного хранения энергии. И наконец, перевозка водорода — также сложное предприятие, которое сопровождается риском утечек и взрывов при контакте с кислородом.
Как сделать технологию power-to-gas более доступной?
Корпорация Росатом ведет разработку новых электролизеров. В этих установках используется прочная матрица из особого материала, которая проводит анионы — отрицательно заряженные ионы ОН— — и тем самым позволяет снизить расходы на катализаторы. В 2023 году новые электролизеры планируют отправить на Кольскую АЭС, где появится испытательный комплекс производства водорода.
Кроме того, ученые изучают вещества, которые частично состоят из водорода и при этом легче транспортируются, например аммиак, который можно получить, соединив водород с азотом. Однако после транспортировки из аммиака необходимо будет вновь получить водород, а этот процесс требует дорогостоящих установок. Поэтому исследования продолжаются.
Компании со всего мира разрабатывают гибридные системы, которые объединяют преимущества и компенсируют недостатки разных типов накопителей. Например, в Нидерландах с 2020 года работают гибриды из литий-ионных аккумуляторов и маховиков от голландской компании S4 Energy. Как утверждают разработчики, использование литий-ионных аккумуляторов в сочетании с маховиками продлевает срок службы батарей как минимум до 15 лет.
Системы накопления энергии не новая технология. В конце концов, прототипы аккумуляторов появились еще в XIX веке. Однако накопители лишь относительно недавно стали достаточно эффективными, чтобы устранить характерные недостатки возобновляемой энергетики. Использование таких систем позволяет сокращать выбросы углекислого газа и расширять использование альтернативных источников энергии, а значит, приближает мир к экологичному будущему.
Хотите быть в курсе новых технологических прорывов в области энергетики? Присоединяйтесь к Homo Science! На этой научно-просветительской платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки рассказывают удивительно интересно и просто о самых сложных научных темах.
Реклама: ЧУ «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344