Копить энергию: за какими технологиями хранения электричества будущее?

Глобальный переход на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) сегодня невозможен без интеграции с технологиями накопления энергии в промышленных масштабах для нужд энергообеспечения. В первую очередь они решают одну из основных проблем зеленой энергетики — нестабильная выработка и потенциальный энергодефицит. Накопители позволяют аккумулировать энергию и выдавать ее в сеть в пиковые часы или по необходимости — например, когда в безветренные дни или пасмурную погоду источник генерации не может производить электричество. О перспективных направлениях и технологических трендах, которые сегодня есть на рынке, — в материале«Моей энергии».

По мнению экспертов¸ литий-ионные аккумуляторы станут одним из трендов энергетики в 2022 году. Обширная область применения — от гаджетов и автомобилей до больших энергообъектов, а также низкая себестоимость производства почти не оставляет  шансов конкурирующим проектам.  

Прототипы химических источников тока на основе лития получили распространение в 80-е годы прошлого века. Физик Джон Гуденаф, предложивший использовать в батарейках кобальтат лития, в 2019 году был удостоен Нобелевской премии за свою разработку. Литиевые батарейки уже в конце XX века стали применяться в часах, калькуляторах, материнских платах компьютеров. В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на такие батареи резко подскочил. Тогда в аккумуляторах стали использовать железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре.  

По мере появления новых технологий в области накопления энергии, литий-ионные аккумуляторы не теряют своей популярности и не уступают новинкам по характеристикам. Тем не менее показатель стоимости хранения единицы энергии, отдаваемой накопителем в сеть с учетом всех затрат на протяжении всего срока службы для литий-ионных аккумуляторов оказался на 16% выше, чем у твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС), о которой речь пойдет ниже.  

К другим минусам литий-ионных аккумуляторов стоит отнести высокую пожароопасность (для воспламенения достаточно небольшого повреждения оболочки и проникновения кислорода), высокую температурную чувствительность, саморазряд при неактивном состоянии, из-за которого зачастую невозможно хранить энергию годами. Еще одно слабое место технологии — неэкологичность, однако в последние годы проекты по переработке таких батарей набирают обороты. 

Например, в марте 2019 года финский энергетический концерн Fortum объявил, что компания начинает оказывать услуги по глубокой переработке литий-ионных аккумуляторов в промышленных масштабах. Технология, применяемая на производстве в финском городе Харьявалта, позволяет восстановить для повторного использования более 80% содержащихся в литий-ионных аккумуляторах материалов, снижая тем самым потребности в добыче кобальта, никеля и других дефицитных металлов. Также в декабре 2020 года канадская Li-Cycle Corp. объявила о запуске перерабатывающего завода в Eastman Business Park в Рочестере, штат Нью-Йорк. А в феврале 2021 года Фольксваген открыл пилотный завод по глубокой переработке литий-ионных аккумуляторов в немецком Зальцгиттере. 

Ведущие компании все больше заинтересованы в производстве литий-ионных аккумуляторов. Успешным вариантом использования усовершенствованных li-ion батарей стала их интеграция в гибридные энергетические системы, которые позволяют объединить преимущества разных способов аккумулирования энергии. Ярким примером такой интеграции являются аккумуляторные станции Tesla.

Экспериментальную станцию хранения энергии Hornsdale Power Reserve компания ввела в эксплуатацию в Австралии в 2017 году, построив ее всего за три месяца. Объем инвестиций составил около 5 млрд долларов. Станция работает на промышленных литий-ионных аккумуляторах Tesla Powerpack и инверторах, произведенных компанией Gigafactory, сохраняя выработанную ветряной электростанцией энергию. Гигантские аккумуляторы имеют совокупную мощность 100 МВт — этого достаточно для того, чтобы обеспечивать экологичным электричеством более 30 тысяч домашних хозяйств. За первые дни работы расходы на обслуживание единой сети региона снизились на 1 млн долларов, то есть на 90%.   

Как это работает? Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а когда возникает дефицит, отправляет ее обратно в сеть. Таким образом, потребность в газогенераторах полностью отпадает. Батарея оперативно реагирует на скачки в электросети, однако и у нее есть свои минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому пока неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их необходимо будет заменить. Тем не менее в Австралии уже запланировано строительство подобных накопительных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

ГАЭС можно считать одним из самых старых систем хранения энергии — первые такие станции заработали около ста лет назад. Принцип работы ГАЭС напоминает ТАЭС, только вместо грузов применяется вода. В ночные часы, когда наблюдается спад потребления, станция работает в насосном режиме. Другими словами, электроэнергия расходуется на станции для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний бассейн, где она аккумулируется. В моменты пиковых нагрузок на систему вода из верхнего бассейна по специальному трубопроводу подводится к гидроагрегатам, работающим в турбинном режиме, как стандартная ГЭС. Так электричество поступает в сеть, а вода накапливается в нижнем бассейне.  

Крупнейшая в мире ГАЭС мощностью 3,6 ГВт была введена в эксплуатацию в 2021 году в Китае. Емкость хранения энергии на ней составляет 6,612 млрд кВт/ч. Станция подключена к энергосистеме северного Китая с помощью системы передачи постоянного тока высокого напряжения (VSC-HVDC). Осенью 2021 года Национальное управление энергетики Китая опубликовало план строительства гидроаккумулирующих электростанций на период 2021-2035 годов. Согласно документу, к 2025 году установленная мощность введенных в эксплуатацию станций должна вырасти до 62 ГВт, а к 2030 году — еще вдвое.

В России первой станцией такого рода стала Загорская ГАЭС. Решение о ее строительстве было принято в 1974 году, а первые сооружения появились в 1980-м. Сегодня ГАЭС установленной мощностью 1 200 МВт считается одним из наиболее значимых энергообъектов объединенной энергосистемы Центра, которая оптимизирует работу крупных тепловых электростанций всего Московского региона. Кроме Загорской ГАЭС, в России действуют ГАЭС на Большом Ставропольском канале и Зеленчукская ГЭС-ГАЭС.