«Технологии хранения энергии: в ожидании прорыва»

Запасы воды

Мир уже в конце XIX века освоил понятную механическую технологию хранения энергии: сейчас ежегодно в мире в строительство новых гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) вкладывается $7–10 млрд, их общая установленная мощность – более 300 ГВт. Принцип работы ГАЭС прост: когда нужно запасать электроэнергию, насос перекачивает воду в верхнее водохранилище. Когда нужно выдать электроэнергию в сеть – вода под действием силы тяжести сбрасывается вниз на турбину. Такой манёвренный источник генерации необходим для регулирования частоты в энергосистеме: при снижении потребления включаются насосы – при увеличении потребления происходит сброс воды. В период низкого спроса на энергию она расходуется на перекачку воды в верхний резервуар – в период высокого спроса происходит выработка энергии и ее поставка в сеть.

Однако повсеместному внедрению технологии ГАЭС мешает несколько фундаментальных проблем. Проблема первая – необходимость подбора естественного рельефа с большим перепадом высот. Проблема – потребность затопить огромную площадь под озеро (площадь только верхнего басcейна Загорской ГАЭС в Подмосковье – около 2,6 кв. км), что ведёт как к снижению КПД из-за испарения воды, так и к локальным экологическим последствиям.

В отсутствие рельефа научились строить искусственные насыпи и водоёмы, так называемые turtleneck (в переводе – «водолазка»), где вода сливается в специально построенный цилиндр, как в горлышко. На ГАЭС данного типа в Орландо (США) два года назад произошла крупная авария, в результате которой под угрозой затопления оказались соседние населённые пункты.

Жизнь заставила копить

Мировая энергетика пытается найти другие решения по хранению энергии, более простые с инженерной точки зрения и меньшей мощности, чем ГАЭС. По прогнозам мирового аналитического агентства Navigant Research, к 2025 году суммарная установленная мощность систем накопления энергии в мире увеличится по отношению к 2016 году почти в 20 раз – до 22 ГВт (без учёта ГАЭС; среднегодовой рост – 38,7%). Мировой рынок систем накопления энергии к 2025 году достигнет $75 млрд, если брать в расчёт накопители на электротранспорте.

За последние несколько лет в мире произошло два события, усилившие значимость систем хранения в энергетике. Во-первых, увеличение мощности ВИЭ привело к проблемам с регулированием частоты. В Германии произошла авария с системными последствиями из-за сильного ветра на Северном море и работы ветропарков на полную мощность.

Выработка возобновляемых источников непредсказуема, их диспетчеризация невозможна. Из-за этого страдает экономика: например, немцы вынуждены платить соседям за потребление энергии с немецких ВЭС в случае избыточной выработки. При наличии доплаты энергетики соседних стран запасают её на собственных ГАЭС. В Великобритании дошло до того, что в некоторых районах владельцам ветряков доплачивают, чтобы их не включали в сеть в отдельные часы.

Второй мощный сигнал для инвесторов – первые крупные заказы на системы централизованного хранения энергии. Так, Калифорния около двух лет назад провела тендер на строительство 1,3 ГВт хранения за счёт любых решений. Подобные заказы свидетельствуют, что технологии промышленного хранения будут неизбежно развиваться и пользоваться спросом.

Пока единое решение высокой ёмкости смог представить только Илон Маск, поставив в Австралию накопитель мощностью 100 МВт. Он эксплуатирует идею удешевления батареек за счёт вторичного использования – то есть после использования аккумуляторов в течение двух-трёх лет в автомобилях, немного «деградировавшие» батарейки почти бесплатно достанутся энергетикам. Но для масштабного развития таких систем нужен как минимум огромный парк легковых электромобилей, ёмкость аккумуляторов которого будет сопоставима с потребностями энергосистемы в централизованном хранении.

Фокус на электрохимии

Наибольшие усилия в мире пока сконцентрированы в области электрохимических технологий хранения, построенных на взаимодействии двух электродов и специальной жидкости – электролита (в последнее время ведётся много работ по использованию не только жидкого, но и твёрдого электролита). По этому принципу работают уже известные свинцовые, щелочные и семейство литиевых аккумуляторов.

Интересное решение предлагают проточные батареи, которые имеют увеличенную ёмкость, за счёт применения двух банок с электролитом – заряженным и разряженным. В них электролит «прокачивается» между электродами. Американская Primus Power, в которую два года назад Российско-Казахстанский фонд нанотехнологий (РКФН, его соучредитель – «Роснано») инвестировал $5 млн, внедряет проточные системы накопления на ВИЭ-объектах в Казахстане.

Главная проблема всех электрохимических технологий – ограниченный ресурс, то есть количество циклов заряда и разряда, после которых батареи начинают садиться, поскольку реакция не полностью обратима. Любые батарейки постепенно деградируют и перестают работать. Даже у лучших образцов ресурс достигает 3–10 тысяч циклов. Соответственно, если цикл заряда/разряда происходит хотя бы раз в день, то срок службы составит около 8 лет, два раза в день – аккумулятор прослужит только 4 года. Энергетика мыслит длинными циклами, а значит, решение будет относительно дорогим с учётом необходимости замены ячеек. При этом ёмкость хранилища может быть любой – она варьируется количеством ячеек.

Сегодня стоимость электрохимических накопителей колеблется в диапазоне от $350 до $500 за 1 кВт•ч хранения с учётом комплексного решения. Они постоянно дешевеют, но пока непонятно, за счёт чего произойдёт дальнейшее значительное удешевление в электрохимии. Пока основную ставку делают на технологии «литий – сера» и «литий – воздух», но они не дошли до промышленного использования.

Ключевое преимущество электрохимии перед механическими накопителями – высокая плотность хранения энергии, что сокращает вес и объём аккумулятора. Компактность решений позволяет применять их в мобильных объектах – электропоездах, погрузчиках, автомобилях, скутерах, велосипедах, а также в самолётах и дронах.

Литий-ион вытесняет дизель

В январе 2017 года «Россети» и «Хевел» запустили первую автономную гибридную энергоустановку (АГЭУ) в селе Менза Забайкальского края, снабжающую три посёлка. АГЭУ состоит из солнечных модулей общей мощностью 120 кВт, двух дизельных генераторов по 200 кВт каждый и накопителя ёмкостью 300 кВт•ч. Экспериментальное технологическое решение привело к снижению потребления привозного дизтоплива в три раза. Решение может быть масштабировано в изолированных энергорайонах Дальнего Востока. Применение АГЭУ там практически всегда приводит к снижению стоимости электроэнергии на фоне дорогого дизеля, установка гарантированно окупается через механизм энергосервисного контракта при текущих тарифах. Сейчас «Роснано» обсуждает развитие сотрудничества по АГЭУ с «Хевелом».

В настоящий момент дочернее предприятие «Роснано» – «Лиотех» ведёт работу над созданием передвижного накопителя на базе КамАЗа, который бы позволял сетевой организации компенсировать пики нагрузки в центре и добавлять мощность локально, в случае ограничений при проведении аварийных работ, либо временном увеличении потребления. Грузовик может оперативно запитать около 150 кВт до 4 часов в любой транспортно доступной точке. До сих пор в таких ремонтных схемах использовались дизель-генераторы, но подобные решения не всегда приемлемы в крупных городах, так как создают много неудобств горожанам. Мобильное решение с накопителем для сетевой компании в расчёте на жизненный цикл уже обходится не дороже эксплуатации дизель-генераторов.

Механический «Энергозапас»

Особняком на фоне общей увлечённости электрохимией стоят редкие энтузиасты электромеханики. Среди них – проект «Энергозапас», базирующийся в наноцентре «Сигма» (входит в ФИОП, группа «Роснано») в Новосибирске. Он разрабатывает гравитационный накопитель, построенный на параллельной работе большого количества лифтов. На самом деле любой лифт является накопителем энергии, поэтому OTIS давно начал выпускать лифты с рекуперацией (вторичным использованием энергии в процессе торможения). Также используются автомобили с рекуперацией, они тоже тормозятся за счёт накопления энергии.

Пять лет «Энергозапас» отбирал наиболее жизнеспособные концепты с высоким собственным КПД: вагонетки на склоне карьера, гидравлика, электромотор. Оказалось, что использовать максимально тяжёлые грузы и поднимать их высоко – это принципиально, иначе будет теряться много энергии на разгоне и торможении. Нужно сделать как можно длиннее «полезный пробег» лифта, но чем выше здание, тем дороже его удельная стоимость. Золотое сечение между уровнем КПД, стоимостью и высотностью проходит, как мы выяснили, примерно на 300 м (выше рост КПД не оправдывает стоимость здания). Целевая стоимость хранения – $250 за 1 кВт•ч, что, по нашим расчётам, чуть дешевле ГАЭС. Дальнейшее снижение возможно за счёт крупного заказа электромеханических компонентов у единого поставщика.

Перед инженерами «Энегрозапаса» стояла задача максимально удешевить здание, чтобы конструкция выигрывала по стоимости у ГАЭС. Надо понимать, что гравитационный накопитель – это лёгкое нежилое здание, в нём не нужны окна, двери, твёрдые стены, глубокий фундамент и перекрытия. Достаточно обеспечить тепловую изоляцию и ветрозащиту. Даже с учётом тяжёлого груза на большой высоте проблема устойчивости здания решается шириной стен: здание будет похоже на широкий конусовидный цилиндр. Кроме того, тяжёлые грузы на высоте выполняют роль сейсморегулятора и термостата (медленно остывают).

Для проверки эффективности разработанных решений «Энергозапас» планирует построить опытно-промышленную установку высотой 80 м, при этом движущиеся грузы будут уже в натуральную величину, как для 300-метрового здания. Энергетическая ёмкость установки экспериментальная – 4–5 МВт на 12–15 минут хранения. Пока определяется площадка в границах Московской области. На последнем заседании в 2017 году Национальная техническая инициатива поддержала реализацию проекта.

Отказ от манёвренности

Появление большого количества накопителей фундаментально меняет саму энергосистему. Пока для регулирования частоты диспетчер закладывает большой резерв мощностей, чтобы покрывать пики в отдельные часы, что приводит к низкой загрузке станций.

С появлением промышленных накопителей, по сути – складов электроэнергии, графики выработки и потребления можно развести и сделать комфортными каждой стороне. Это фундаментально меняет и рынок электроэнергии, и рынок энергомашиностроения, ориентированного на манёвренность. Если в ней не будет необходимости, достаточно поставить в базовый режим работы АЭС и не содержать «запасные» мощности. Для любой генерирующей установки нет ничего лучше ровного графика, это как в автомобиле: при ускорении резко растёт расход топлива и при дёрганой езде бензин расходуется неэффективно. При постоянной «скорости» удельный расход топлива оптимальный: у электростанций КИУМ он может достигать 70–80% и могут сокращаться расходы на ремонты. Неминуемо трансформируются и расчёты на рынке электроэнергии и мощности: бессмысленно вести почасовые торги при ровном графике и оплачивать лишние мощности. Постепенно будет возникать развилка: строить новую станцию для покрытия максимального спроса или достаточно присоединить накопитель к существующей генерации?

Но это довольно отдалённое будущее, до него осталось около 20 лет. Если представить, что энергетика резко перейдёт на накопители, то российской энергосистеме потребуется всего 15 ГВт хранения, чтобы полностью развязать производство и потребление при общей установленной мощности в ЕЭС России около 200 ГВт. Конечно, процесс перехода на накопители будет инерционным из-за приоритета потребления органического топлива – угля и газа.

Нетривиальные решения

Один из самых экзотических способов – хранилище на сжатом воздухе. Идея заимствована у газовых хранилищ: под землёй в карстовую пещеру закачивается воздух под большим давлением, а в нужный момент выпускается. Около 10 лет назад большие надежды возлагали на маховики: тяжёлые конструкции на магнитных подвесках вращаются с минимальным трением, сохраняя энергию или передавая её генератору. Маховики получились, как правило, совсем небольшой мощности и за счёт быстрого разгона «прижились» для поддержания частоты.

К числу пока экстравагантных технологий хранения можно отнести и тепловое накопление. Электричество при помощи огромной «соляной банки» переводится в тепло, которое может долго хранится и преобразовываться обратно в электричество. Таким способом можно преобразовывать в электричество и солнечную энергию. Сначала жидкость разогревается на солнце: предварительно на ней фокусируют зеркала, преобразовывают в пар, а затем пар подают на турбину для выработки электричества. Такая станция установлена, например, в Калифорнии.

ОАЭ рассматривает возможность строительства необычной ГАЭС под землёй. За счёт опускания тяжеленного гранитного поршня вода из подземного резервуара загоняется под давлением в узкую трубку, под которой стоит небольшая турбина. Когда нужно потреблять электроэнергию, вода и поршень поднимаются насосами обратно вверх.

31 января 2018 в 18:07