Если у вас есть электрическая энергия, её нужно использовать полностью. Даже если вам не нужно так много электричества, его всё равно нужно куда-то девать. В течение дня и ночи мы потребляем разное количество энергии, и потребность в ней в будние дни и выходные, зимой и летом неодинакова.
Самый простой способ избавиться от лишней энергии — это увеличить напряжение и частоту тока в сети. Это может быть вредно для оборудования, но существуют безопасные интервалы для таких изменений.
С гидроэлектростанциями (ГЭС) проще всего регулировать поток энергии. Если спрос на электроэнергию снижается, можно просто уменьшить сброс воды.
С тепловыми электростанциями (ТЭС) сложнее регулировать поток энергии. Если нужно меньше энергии, то нужно сжигать меньше топлива или давать на турбину меньше пара, сбрасывая его в трубу. Однако ТЭС не только производят электричество, но и тепло, которое передаётся через горячую воду. Ночью нужно меньше электричества, но больше тепла. Выпускать вырабатываемую энергию в трубу — это расточительство.
С атомными электростанциями (АЭС) ещё сложнее. Они производят одинаковое количество энергии днём и ночью. Всегда. Снижение производства на АЭС — это не только сложное, но и опасное дело. Поэтому АЭС стараются строить там, где энергия будет востребована круглосуточно. Избыток энергии в виде пара можно сбросить на градирни.
С ветряками и солнечными батареями сложнее всего управлять энергией. Они работают только тогда, когда есть ветер или светит солнце. Здесь не нужно отключать энергию, а нужно наоборот, подстраиваться под условия, когда эта энергия может быть использована. Радикальные экологи предлагают перейти с непрерывных процессов в промышленности на периодические. С помощью спутников можно заранее предсказать ветер и ясные дни.
А как быть с нуждами населения? С больницами? С освещением улиц? Кто-то может потерпеть ради борьбы с потеплением климата. Но как быть остальным?
Аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы обладают большими преимуществами:
- при своих небольших размерах сохраняют много энергии;
- готовы к использованию в любой момент;
- сохранят и вернут вам 95% от вложенной энергии, что особенно важно в глобальных масштабах.
Отличный вариант? Для электромобиля и ноутбука - лучший, но в масштабах города уже нет:
- литий-ионные аккумуляторы дороги. Если вы будете использовать на даче солнечную панель, запас энергии на пару дней обойдется вам в два-три раза дороже, чем сама панель;
- литий-ионные аккумуляторы быстро изнашиваются. 1000 циклов заряда или 3-5 лет использования - и нужны новые.
- при высоких температурах работа аккумуляторов ухудшается, при низких - сильно снижается емкость. В Европе с её климатом, возможно, это приемлемо, но на даче в Подмосковье - уже напрягает.
- литий-ионные аккумуляторы хорошо взрываются и горят!
Последний недостаток могут компенсировать линий-титановые батареи - они уступают литий-ионным батареям примерно в полтора раза, но быстрее заряжаются, устойчивы к холоду и менее пожароопасны. Производство подобных батарей есть и расширяется во многих странах, в том числе в России - этим занимается КБ Энергия.
Наиболее распространенный способ хранения энергии на русских дачах - это свинцово-кислотный аккумулятор. Аккумулятор прост в производстве и дешев. Требует минимального обслуживания, неприхотлив и достаточно вместителен. Однако, такие аккумуляторы тяжелы, неудобны, разряжаются на холоде и их сложно масштабировать. Его КПД составляет порядка 75%.
Экологичность обоих видов аккумуляторов лучше вынести за скобки - там всё печально и на этапе производства, и на этапе утилизации
Термальный накопитель запасает энергию за счет заморозки воздуха до жидкого состояния. Когда же требуется электричество, воздух нагревается, расширяясь в 790 раз, и совершает работу с получением электроэнергии. Накопитель имеет невысокий КПД - около 50%, но может хорошо себя проявить при обеспечении многоквартирных домов, учреждений или санаториев. Ночью электричество покупается по дешёвым ночным тарифам, охлаждает воздух. А днем воздух потихоньку размораживается, снабжая дом энергией, попутно охлаждая его и снижая затраты жильцов на кондиционеры.
Термальные накопители состоят из распространенного промышленного оборудования, просты в монтаже и экологичны. Но дороги, требуют ухода и, как и любое оборудование, работающее под большим давлением, взрывоопасны.
Водородная энергетика и другие топлива
Водород можно получить, просто электролизуя воду - была бы энергия. Однако водород взрывоопасен, его сложно хранить, и эффективность хранения энергии в виде водорода - всего 20%. То есть, затратив 5 МВт на получение водорода, обратно мы получим лишь 1 МВт. Не очень-то экономно в случае хранения бытовых запасов, однако для ГЭС или АЭС, стабильно имеющих значительные избыточные мощности, это лучший вариант. Согласно Энергетической стратегии развития до 2035 года, Россия планирует расширять производство водорода и стать одним из крупнейших его поставщиков на внешний рынок. Все ресурсы для этого у нас есть.
Существуют и другие аккумуляторные топлива - горючие вещества, которые можно получить, затрачивая избыточную энергию. Это метан и метанол. Например, русский инженер Алексей Архипов запатентовал способ получения углеводородов из углекислого газа через кавитацию водно-газовой смеси. Такие углеводороды тоже можно назвать аккумуляторным топливом.
Однако все эти способы требуют промежуточного получения водорода, и потому эффективность использования подобных топлив как накопителей еще ниже, чем у него. Получать их для создания энергетических запасов можно. Но оперативно хранить этим способом энергию, для того чтобы в любой момент вернуть её в сеть - невыгодно.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)
ГАЭС - самые масштабные накопители энергии, созданные руками человека. В период малого энергопотребления вода закачивается в расположенный на возвышенности пруд, а затем в необходимое время сбрасывается через турбины гидроэлектростанции.
ГАЭС позволяют сохранить огромные объемы энергии и состоят из типового оборудования: труб, насосов, турбин. Построить их можно не везде: требуется значительная свободная площадь, перепад высот, чтобы можно было устроить рядом верхний бассейн и нижнее водохранилище. Строительство ГАЭС дорого, но это капитальная постройка, которая при правильном обслуживании может работать больше века. При этом, КПД ГАЭС составляет от 65% до 85%.
Первая подобная электростанция появилась в 1882 году в Швейцарии. В XIXвеке их насчитывалось 4, в 60-ых годах XX века - 72, в 2010 году - уже 460.
Самая крупная ГАЭС в мире, Fengining, построена в Китае в 2021 году, и может хранить до 3,6 ГВт энергии. Её строительство обошлось в 1,9 миллиарда долларов. В Италии и Японии мощности ГАЭС составляют более 10% от суммарной мощности всех электростанций.
Самая большая ГАЭС в России - Загорская ГАЭС в Подмосковье. Она создает энергетический резерв для столичного региона. Кубанская ГАЭС способна не только аккумулировать энергию, но и восполняет недостаток воды во время сезонного обмеления реки Кубань. Достойное продолжение дел кубанских казаков, которые были большими мастерами по делу прокладки каналов
Гравитационный аккумулятор
Если ГАЭС занимает существенную площадь и её не везде получится построить, то проект шведской компании Energy Vault можно возвести там, где найдется место для 100-150 метрового небоскреба.
Используя энергию, специальный кран поднимает бетонные блоки вверх, возводя башню. Затем, при потребности в энергии, сбрасывает их вниз, преобразуя потенциальную энергию многотонного бетонного блока в электрическую с КПД 80-85%. Подобная башня способна накапливать до 35 МВт*час, и стоит около десяти миллионов евро. Хватит на обеспечение посёлка из 2-3 тысяч квартир. Гравитационная башня не требует каких-либо редких материалов или сложных механизмов, ремонтируется раз в 15-20 лет и, по расчётам, выходит дешевле литий-ионных батарей. Однако, даже с ней стоимость стабильной электрической сети на основе солнечных панелей и ветрогенераторов поднимается в 2 раза.
Амбициозные швейцарцы рассчитывали построить первую башню в 2019 году, а воз и ныне там. Пока что у Energy Vault есть несколько демонстрационных образцов высотой 20 метров, с мощью и КПД существенно ниже, чем было заявлено.
Альтернативой башням могут послужить выработанные шахты. Там и строить ничего не надо: имеются вырубленные стволы, в которых можно поднимать и опускать грузы, запасая энергию сколько душе угодно. Пока это только проект Международного института прикладного системного анализа, но выглядит он вполне интересно, и такое начинание может дать новую жизнь старым шахтам.
Рассмотренные в статье накопители энергии имеют свою нишу и потенциал к дальнейшему развитию. Раньше их широкое использование тормозилось высокими ценами, однако с широким внедрением солнечных и ветряных электростанций накопители стали необходимостью. Накопители полезны и для традиционных источников энергии - они существенно повышают производительность.
В настоящее время накопители энергии, солнечные и ветряные электростанции могут создать децентрализованную стабильную энергосистему. Она будет работать круглые сутки, но по стоимости получится дороже обычной АЭС в 8-10 раз при аналогичных мощностях.
Применение накопителей принесет пользу энергосистеме России. Однако для этого нужно избегать слепого копирования Запада, разумно дополняя свою энергосистему передовыми разработками.
Список использованных источников прилагается в закрепленном комментарии