Способы хранения электрической энергии

Как хранить энергию. Расплавленная соль, сжатый воздух и супермаховик

Электроэнергетика — одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей — следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро — вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии — из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.

Гидроаккумуляторы

Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды — один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.

В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть Загорская ГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС — важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.

Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире — порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.

Накопители энергии сжатого воздуха

Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию — однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.

Недостаток такого рода накопителей — низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.

Расплавленная соль для хранения солнечной энергии

Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов ( больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри — в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре — более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.

Эта технология помогает продлевать рабочее время, либо обогревать помещения и давать электричество в вечернее время.

Подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума — самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи.

Проточные редокс-системы

Проточные батареи представляют собой огромный контейнер с электролитом, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Электролитом может служить ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы.

Пока нет коммерческих проектов, общая установленная мощность — 320 МВт, в основном в рамках исследовательских проектов. Главный плюс — пока единственная технология на батареях с длительной выдачей энергии — более 4 часов. Среди недостатков — громоздкость и отсутствие технологии утилизации, что является общей проблемой для всех батарей.

Немецкая электростанция EWE планирует построить в Германии крупнейшую в мире проточную батарею на 700 МВт/ч в пещерах, где раньше хранили природный газ, сообщает Clean Technica.

Традиционные аккумуляторы

Это батареи, подобные тем, что работают в ноутбуках и смартфонах, только промышленного размера. Tesla поставляет такие батареи для ветряных и солнечных станций, а компания Daimler использует для этого старые автомобильные аккумуляторы.

Термальные хранилища

Современный дом необходимо охлаждать — особенно в регионах с жарким климатом. Термальные хранилища позволяют в течение ночи заморозить хранящуюся к цистернах воду, днем лед тает и охлаждает дом, без использования привычного всем дорогостоящего кондиционера и лишних расходов электроэнергии.

Калифорнийская компания «Ice Energy» разработала несколько подобных проектов. Их идея заключается в том, что лед производится только во время непиковой нагрузки на электросети, а затем, вместо расхода дополнительной электроэнергии, используется лед для охлаждения помещений.

«Ice Energy» сотрудничает с австралийскими фирмами, которые собираются внедрять технологию «ледяного аккумулятора« на рынке. В Австарлии из-за активного солнца развито использование солнечных батарей. Сочетание солнца и льда увеличит общую энергоэффективность и экологичность домов.

Маховик

Супермаховик — это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.

Источник

Как сохранять МНОГО электричества?

Завершились времена, когда стройные ряды рабочих в семь утра отправлялись к станкам, а в восемь вечера так же организовано покидали фабрики и затем почти одновременно засыпали перед телевизором. Теперь мегаполисы никогда не засыпают, а вместе с ними в режиме 24/7 и всё прогрессивное человечество, «совы», индустрия развлечений и глобальные сетевые корпорации. Всем им нужно электричество, причём в любое время, без выраженной цикличности. А между тем мир переходит к возобновляемым источникам энергии, чья выработка зависит от природных условий, никак не контролируемых человеком. Как в этом мире запасаться, а затем делиться электроэнергией, не допуская блэкаутов? Рассказываем на примере технологий Toshiba.

Плюс электрификация всей планеты

Потребление электричества будет нарастать. Главные направления этого процесса — электрификация автотранспорта, перевод некоторых промышленных процессов от теплоэнергии на электропитание, а также рост бытового потребления электротока. В частности, по прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году по нашей планете будут ездить 130 млн электромобилей, хотя в 2018 году их насчитывалось 5,1 млн единиц. Всего же количество автомобилей сейчас оценивается в 1 млрд, а к 2035 году оно может вырасти до 2 млрд единиц. В пищевой, фармакологической, текстильной, бумажной и других отраслях электричество будет заменять уголь и газ при выработке средне- и низкотемпературного тепла. Продолжится и электрификация бедных стран, где электричество будут шире применять в быту. А доля электричества в общем энергопотреблении увеличится с 19% в 2018 году до 24% в 2040-м.

Соответственно повысятся риски блэкаутов — масштабных аварийных отключений электроснабжения, затрагивающие большое число разнообразных потребителей. По данным Всемирного банка, в 2019 году в среднем по всем странам мира различные организации испытывали 6,8 отключений энергии в месяц. Правда, в странах ОЭСР этот показатель составил 0,4 отключений, а в России — 0,2 отключения в месяц.

Авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году — взгляд из космоса. 14 августа 2003 года 10 млн человек в Канаде и 40 млн человек в США остались без электричества. Источник: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons

В то же время внедрение в производство и быт таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей (в том числе промышленный интернет вещей) требует минимизации отключений электричества, способных серьёзно нарушить работу сложных интеллектуальных систем.

Помимо этого, подход к потреблению энергии изменится и после внедрения возобновляемых источников энергии, которые дают разную выработку в зависимости от времени суток и погоды. В дневные часы или ветреную погоду солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют больше тока, чем ночью и в штиль. Соответственно, излишки энергии лучше сохранять на всякий случай. Но как?

Энергетические метаморфозы

Сохранять энергию, особенно в промышленных масштабах, непросто. Несмотря на то, что природа электричества хорошо изучена, его сохранение требует либо громоздких, либо дорогостоящих (либо и тех и других одновременно) технических решений. Что же защитит сильно электрифицированный мир будущего от блэкаутов?

Если ответить коротко, химия и механика. Практически все способы накопления электроэнергии сводятся к её преобразованию с помощью химических реакций или механического движения.

Первая идея, возникающая у каждого пользователя смартфона или владельца электромобиля: почему бы не использовать в промышленных масштабах огромные литий-ионные аккумуляторы? Попытки создания крупных накопителей такого типа уже есть. К примеру, сейчас Tesla занимается увеличением мощности (со 100 до 150 МВт) самого большого в мире литий-ионного хранилища электричества, собранного в 2017 году в штате Южная Австралия на Зелёном континенте. Оно состоит из литий-ионных батарей Tesla Powerpack, созданных для коммунальных и промышленных потребителей. Внутри — 16 отдельных аккумуляторных блоков, каждый с изолированным преобразователем постоянного тока.

Мощность каждой из них достигает 130 кВт, а энергоемкость — 232 кВт·ч. Южно-австралийское хранилище на основе Tesla Powerpack помогает сохранять энергию расположенной здесь же ветряной станции. При полной зарядке этот «аккумулятор» емкостью 129 МВт·ч может обеспечить электроэнергией до 30 тыс. домовладений.

Подпись: Каждый Powerpack — это как кирпич, из которого строится хранилище энергии. К одному инвертору можно подключить от одного до 20 Powerpack’ов. Из таких блоков батарей и инверторов можно создавать хранилище огромной энергоемкости. Источник: Tesla

Однако помимо известных недостатков таких батарей, есть еще и такая: увеличивая до промышленного масштаба литий-ионные батареи, в такой же степени мы усиливаем проблему их утилизации. Поэтому оставаясь экологически чистыми в период работы, огромные аккумуляторы в будущем создадут угрозу для окружающей среды и хлопоты при их списании.

Другой способ преобразования энергии — электролиз.

Поясним на примере нашей установки H2One, о которой мы уже рассказывали: солнечные батареи обеспечивают процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород; водород либо запасается, либо подается потребителю, причем водород может дать сразу тепло, механическую энергию или электричество при окислении в топливной ячейке. Проблема пока лишь в том, что пока энергии одной станции H2One хватает только небольшим объектам, например, железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония). Промышленные масштабы — в будущем.

Наиболее простые по принципу, но сложные по воплощению варианты — механические. Общая схема такова: электроэнергия в период пика выработки запасается с помощью накачки газа или воды в специальные резервуары, поднятия на высоту грузов или сжатия пружины. В период нехватки электричества энергия высвобождается механическим путем за счет обратной подачи вещества, груза или ослабления пружины. Принцип простой, экологически чистый, промышленно масштабируемый и очень долговечный. Именно поэтому, по данным Vygon Consulting, 95% накопителей энергии в мире — это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), использующие для хранения энергии лишь то, что дала нам природа — воду и гористые ландшафты.

Кручу, верчу, намагнитить хочу

Впервые использовать воду и гористые ландшафты для накопления энергии придумали в Швейцарии. В 1909 году недалеко от города Шаффхаузен в одноименном кантоне была построена первая в мире гидроаккумулирующая станция Engeweiher мощностью 1,5 МВт. Воплощенный в той установке принцип работы ГАЭС сохранился в целом и в наши дни.

Станция состоит из насоса, двух резервуаров, размещенных на разной высоте, и турбины. Когда электроэнергия в избытке, насос закачивает воду в верхний резервуар. Когда электричества в сети не хватает, воду отводят в нижний накопитель через турбину, которая дает электричество. Простота и надежность этого принципа доказана временем, а также историей самой станции Engeweiher, которая работает до сих пор, — её мощности оказались весьма кстати на фоне развития ВИЭ в Швейцарии.

Аккумулирующая гидроэлектростанция — один из старейших возобновляемых источников энергии в мире. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Следующий шаг в развитии технологии был сделан в 1930-е гг. Было понятно, что водяные турбины, соединенные с генераторами, могут работать с более высокой эффективностью, если регулировать их скорость вращения. Поэтому в 1930 году Toshiba разработала асинхронный гидрогенератор-двигатель мощностью 750 кВ·А, который был установлен на станции Ёсино в городе Канадзава (преф. Исикава, Япония). Скорость вращения турбины в нем могла изменяться для достижения максимальной эффективности выработки.

Однако широкого применения эта технология тогда не нашла, и впоследствии использовались в основном синхронные гидрогенератор-двигатели, которые работают с неизменной (синхронной) скоростью вращения, из-за чего нельзя менять и входную мощность. Это значит, что подстраивать работу станции под изменяющийся спрос (скажем, ночью, когда нужно тратить больше энергии на закачку воды и меньше отдавать её в сеть) было непросто — снижалась эффективность либо закачки, либо выработки.

В 1990-м году компания Toshiba вновь обратилась к технологии асинхронного гидрогенератор-двигателя.: совместно с Токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) на ГАЭС Ягасава была разработана и установлена первая в мире насосная установка с регулируемой скоростью, использующая двигатель-генератор с вторичным возбуждением переменного тока низкой частоты. Она управляется высокоскоростным и высокопроизводительным цифровым контроллером, который может изменять входную и выходную мощность гораздо быстрее, чем в обычных гидроагрегатах, что позволяет быстрее стабилизировать колебания мощности в сети, скажем, в случае аварийных ситуаций. С тех пор асинхронные генераторы-двигатели на ГАЭС стали применяться чаще, а сейчас являются наиболее перспективной моделью для гидроаккумуляции.

В июне 2014 года начала работать самая большая в мире насосная установка с регулируемой скоростью вращения и мощностью 475 МВ·А для четвёртого блока ГАЭС Кадзуногава (преф. Яманаси, Япония), которая имеет ещё и самую большую в мире высоту напора насоса (785 м) для одноступенчатой насосной турбины. Эта станция также управляется TEPCO. Источник: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube

Гидроагрегат с переменной частотой вращения повышает КПД насосного и турбинного режима, увеличивая тем самым эффективность полного цикла ГАЭС, а также снижает вибрацию и механический износ системы. Более того, такая машина может моментально реагировать на резкие изменения в спросе на электроэнергию, связанные, к примеру, с использованием нестабильных возобновляемых источников энергии или при блэкаутах.

И сказали мы: «Гидроаккумулирующие электростанции с асинхронным генератором двигателя, плодитесь и размножайтесь!». Источник: Абубакиров Ш. И. Опыт и перспективы использования асинхронизированных гидрогенераторов в проектах ОАО «Институт Гидропроект» // Гидроэнергетика. — 2010.— № 2 (19).

В поисках баланса

Описанные решения, как можно видеть, имеют большой — промышленный — масштаб. Но насколько разумна такая централизация? И не лучше ли внедрять распределенные решения, которые могут решать вопросы выравнивания дисбалансов в системе электроснабжения? Ничего не мешает сочетать два этих подхода, объединяя в рамках одной системы энергоснабжения крупные накопители энергии и локальные, такие, которые строятся на базе индивидуальных батарей, установленных на конкретных объектах и даже в жилых домах.

Для решения таких проблем лучше подходят аккумуляторные батареи, особенно SCiBTM, разработанная Toshiba. В основе её анода оксид лития-титана (LTO), который позволяет добиться большей эффекимвной ёмкости, а также обеспечивает длительный срок службы, работу при низких температурах, быструю зарядку, высокую мощность на входе и выходе. Toshiba SCiBTM можно применять в самых разных областях: от небольших (кВт) стационарных накопителей для жилых помещений до автомобилей, автобусов, железнодорожных вагонов, лифтов, электростанций и крупномасштабных хранилищ энергии (МВт) для электрических сетей, интеллектуальных сетей и солнечных электростанций. Источник: Toshiba

Более того, отдельные локальные хранилища электроэнергии могут в свою очередь быть также объединены в крупные структуры — виртуальные электростанции, о которых мы уже рассказывали в этом блоге. И такие решения уже реализуются.

К примеру, в Германии крупнейшая распределительная компания TenneT совместно с производителем домашних систем хранения электричества Sonnen объявила о создании своеобразного энергетического блокчейна: они планируют соединить домашние накопители энергии в сеть для выравнивания дисбалансов в энергетической системе на уровне страны. Однако пока число владельцев подходящих для этого накопителей гораздо меньше, чем хозяев домашних станций на ВИЭ.

Сочетание огромных хранилищ электроэнергии и небольших локальных, связанных воедино, как раз и поможет сгладить дисбалансы потребления и выработки, о которых мы говорили вначале, и минимизировать возможность блэкаутов.

Источник