Самые большие на свете батарейки Как запасти действительно много энергии

У альтернативной энергетики много преимуществ – относительная экологичность, условная бесплатность источников, стимулирование развития технологий. Однако есть у нее и врожденные слабые места, не преодолев которые нельзя рассчитывать на замещение энергетики традиционной. И одно из самых заметных – неравномерность генерации.

Тепловая электростанция выдает энергию ровно, прогнозируемо и управляемо. Зима или лето, ночь или день – знай кидай себе уголь в топку. Нужно побольше – кидай интенсивнее, спрос снизился – кидай реже. Ну да, дымит. Но работает же! Это, конечно, серьезное упрощение, но в общем и целом дела обстоят именно так – стабильная генерация ТЭС позволяет им балансировать электросети в том числе и для других источников. Когда солнце не освещает фотопанели, когда ветер не дует на ветряки, когда штилевое море не качает поплавки приливных станций, только старая добрая тепловая генерация позволяет людям дождаться дня/лета/ветра.

При этом когда с солнцем, ветром и волнами все хорошо – проблема обратная, альтернативная энергетика генерит много и дешево, но все это пропадает впустую, потому что пики генерации никак не хотят совпадать с пиками потребления. Просто как назло – солнце светит днем, а свет дома нужен ночью. И, разумеется, возникает логичный вопрос – а что, если лишнюю энергию запасти на пике генерации, а потратить – на пике потребления?

Это было бы идеально, но вот беда – запасать сколько-нибудь приличные объемы энергии очень сложно. Настенная батарейка PowerWall от Илона Маска пыталась решить эту проблему в масштабах одного домохозяйства – с большими или меньшим успехом, тут мнения экспертов расходятся. Но, к сожалению, это решение очень плохо масштабируется. Когда речь идет не о киловаттах, а о мегаваттах, найти подходящую батарейку не выходит.

Но это не значит, что люди ничего не придумали!

Бытовая химия

Аккумуляторы, с которыми мы сталкиваемся в быту, в подавляющем большинстве запасают энергию химически. Это вторичный химический источник тока многоразового действия. При заряде происходит одна реакция, при разряде – обратная. Это удобно, но много так не запасешь. Скажем, одни из наиболее емких бытовых аккумуляторов, на кобальте лития, имеют удельную плотность энергии 150–190 Втч/кг. Чтобы запасти дневную выработку довольно средненькой ТЭЦ (200 МВт) понадобится целая гора лития.

Рабочие эксперименты с химическим накоплением больших объемов проводились. Компания Tesla миллиардера Илона Маска установила в штате Южная Австралия системы сверхъемких аккумуляторов Powerpack на 100 МВтч, в начале 2016 года в Японии компания Митсубиси запустила в строй аккумуляторную станцию на 50 МВт/300 МВтч и так далее. Однако это осталось единичными решениями для узкого круга задач. В основном химическое накопление энергии для таких объемов не используется.

Химические аккумуляторные накопители твердого типа либо используются для балансировки сети, либо предназначены для работы в удаленных районах с небольшим числом потребителей.

Жидкая химия

Поскольку для промышленных объемных накопителей энергии размер не важен, то вместо дорогих и малоемких твердых батарей можно использовать огромные баки с жидкими электролитами. Это так называемые «проточные редокс-батареи» – тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается за счет двух химических компонентов, растворенных в жидкости, содержащейся в системе и разделенной мембраной.

Аккумуляторы приводятся в действие мощными насосами. Когда электролит прокачивается в одном направлении — на электродах аккумулятора вырабатывается электричество, а когда аккумулятор необходимо зарядить, – направление прокачки изменяется на противоположное

Преимущество проточных батарей – линейное масштабирование мощности и емкости (определяется объемом электролита), длительный срок службы (они не подвержены деградации, как твердые), более низкая общая стоимость владения. Недостатки – низкая энергоэффективность цикла (50–80%) по сравнению с литий-ионными батареями, а также высокая техническая сложность. Помимо этого, для электролита нужен ванадий — металл не самый дешевый.

Вода и гравитация

Самая старая, проверенная и надежная система накопления действительно больших объемов энергии – водно-гравитационная. Она старше «альтернативной энергетики» и использовалась для балансировки потребления в энергосистемах с классической генерацией – потому что та, хотя и более стабильная, чем «экологическая», тоже имеет свою инерционность и не любит пиков.

Устроена система просто – нужно два водоема с перепадом высот. Часто для этого использовали природные озера в горах или строили разновысотные водохранилища. Цикл аккумуляция/генерация осуществляется за счет пары насос-турбина. Когда энергии избыток, насосы качают воду из нижнего водоема в верхний. Когда дефицит – вода течет обратно, раскручивая гидротурбину, приводящую генератор, как в обычной ГЭС. Этот метод используется в энергетике больше ста лет и в силу своей простоты никогда не подводил.

Но не лишен он и недостатков. Строительство водяных накопителей требует много времени и стоит дорого, особенно при необходимости изменять высоту и создавать искусственные резервуары, а КПД процесса далек от 100% – теряется иногда до трети запасенного.

Тем не менее, в этом году в швейцарских Альпах была запущена гидроаккумулирующая электростанция Nant de Drance емкостью 20 ГВт/ч. (Сравните с тесловской!) Строители выкопали туннель длиной более 16 км, чтобы соединить водохранилища Emosson и Vieux Emosson, что заняло 14 лет и обошлось в $2,1 млрд.

Большая грелка

Если перекачивать воду хлопотно, то вместо гравитации можно задействовать температуру. Технология эта используется даже на бытовом уровне, для обогрева индивидуальных домов – обычно это большой бак с водой, который греют электричеством на ночном тарифе, а днем из него отбирают тепло для отопления помещений. Конструкция вполне масштабируемая до промышленных масштабов, вот только используют в этом случае не воду, с которой куча проблем: коррозия, утечки, замерзание, закипание, – а обычный песок.

Песка вокруг полно, он не портится и нагреть его можно почти до тысячи градусов. Поэтому песочные теплоаккумуляторы выходят гораздо компактнее водяных – больше тепловой энергии в том же объеме.

Первая в мире песчаная батарея промышленного масштаба уже функционирует в Финляндии. Башня-термос, в которой 100 т песка с температурой 500 °C. Емкость крошечная – 8 МВтч, зато никакого лития, срок хранения тепла – несколько месяцев и энергоэффективность составляет 99%.

Электролиз

Еще один интересный метод – в моменты избытка энергии пускаем ее на процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород. Водород легко запасать, а потом он может дать тепло, механическую энергию или напрямую электричество при окислении в топливной ячейке.

Минус технологии – сложность, небезопасность и небольшая мощность на существующем уровне технологий. В пилотном проекте такая установка работает, например, на железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония).

Механические накопители

Схема несложная – 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.

Наиболее перспективными сейчас выглядят системы сжатия газа – Compressed Air Energy Storage, CAES. Воздух сжимается и удерживается под давлением в специальной емкости большого объема. Действительно большого – обычно используются пещеры в скальном грунте, соляные пещеры, пористые породы, водоносные слои или нефте/газоносные слои.

Системы CAES становятся все более популярными, потому что по сравнению с обычными батареями они могут хранить энергию в течение более длительного периода времени и требуют меньше обслуживания.

Крупнейший и наиболее эффективный проект такого типа сейчас подготовили к коммерческой эксплуатации в Чжанцзякоу, городе в провинции Хэбэй на севере Китая. Он имеет емкость 132 Гвтч, что обеспечит 40 000 – 60 000 домохозяйств электроэнергией в периоды пикового потребления.

Юла

Роторные накопители энергии (Flywheel Energy Storage) – раскручиваем лишней энергией супермаховик и оставляем его крутиться. Понадобилось – подключили к нему генератор и забрали кинетическую энергию обратно в электрическую.

Технически накопление энергии производится с помощью тщательно отбалансированных дисков. Они могут вращаться со скоростью до 50 000 оборотов в минуту почти без трения титановой оси на магнитном подшипнике. Система соединяется с моторгенератором, конвертирующем энергию вращающейся массы в электрическую и обратно.

Плюсы – высокая реактивность, можно запасти и отдать быстро много энергии. Минусы – очень сложно и небольшая емкость.

В июле 2011 года компания Beacon Power провела презентацию первого роторного накопителя мощностью 20 МВт в Стефентауне (Stephentown), штат Нью Йорк.

Сверхпроводники

Сверхпроводимость? Нет, это не фантастика. Сверхпроводниковые магнитные накопители (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) запасают энергию в магнитном поле, создаваемом постоянным током, протекающим по катушке из сверхпроводящего материала, помещенного в криогенную среду. SMES являются накопителями с очень высоким КПД (более 95%) и поставляют в сеть как активную, так и реактивную мощность, которые доступны практически мгновенно.

Это не мейнстримная технология – первый SMES был построен в США в энергосистеме Bonneville Power Authority в еще 1980-х годах. Накопитель имел мощность 20 МВт и емкость 2,4 МВт/ч.

Выводы

Само количество существующих технологий говорит о том, что все они несовершенны, и человечество все еще находится в поиске универсального промышленного аккумулятора, который был бы недорогим, надежным, масштабируемым, управляемым, легко интегрируемым в энергосети.

Может быть, однажды мы его найдем. Но это не точно.

Утешает одно – угля пока еще много.