Как технологии хранения электроэнергии изменят мир
Альтернатива литий-ионным аккумуляторам Первые литий-ионные аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году.
С того времени их емкость практически удвоилась: 110 Втч/кг превратились в 200 Втч/кг; они до сих пор главенствуют в мире аккумуляторов, но ученые активно работают над новыми технологиями хранения энергии. Вот самые интересные из них.
Натрий-ионные аккумуляторы.
В таких аккумуляторах в качестве ионов, перемещающихся между электродами, используют натрий. При низкой себестоимости главный недостаток таких батарей — небольшая емкость. Ученые из Стэнфордского университета разработали новый натриевый катод, позволяющий добиться увеличения емкости.
Несмотря на то что пока прошли только первичные тесты, в будущем ученые планируют оптимизировать материал и строение анода для создания полноценного эффективного аккумулятора.
Аккумуляторные батареи на основе алюминия.
Группа исследователей все того же Стэнфордского университета уже несколько лет работает над недорогим решением, которое позволило бы накапливать и хранить солнечную энергию.
Батарея состоит из алюминиевого анода и графитового катода, погруженных в электролит. В качестве последнего пока остановились на мочевине — химическом соединении, которое активно используется в качестве удобрения.
Такая батарея полностью заряжается за 45 минут и не горит, в отличие от литий-ионных аккумуляторов. Сейчас ученые работают над коммерческой версией батареи, в первую очередь над продлением срока ее службы — нынешняя версия выдерживает всего 1500 циклов.
Органические быстрозарядные аккумуляторы. Израильский стартап StoreDot в прошлом году представил аккумулятор для электромобилей, разработанный на основе собственных технологий.
Они используют слои наноматериалов и органических соединений, которые, по словам представителей компании, никогда раньше не использовались в аккумуляторах.
В результате получился аккумулятор, который заряжается за 5 минут и может проехать на этой зарядке 300 миль. CEO StoreDot Дорон Майерсдорф говорит, что такая зарядка поможет росту популярности электромобилей. Во-первых, из-за скорости зарядки.
Во-вторых, потому что FlashBattery безопаснее литий-ионных аккумуляторов — она выдерживает более высокие температуры и не горит.
Твердотельные аккумуляторы. В прошлом году Toyota объявила о прорывном открытии в собственном производстве.
К 2020 году автогигант планирует начать выпуск полностью твердотельных литиевых аккумуляторов, внутри которых — жидкий или гелевый электролит. Они будут плотнее, меньше и легче нынешних. Еще один плюс — длительный срок службы.
Супер- и ультраконденсаторы. Это гибриды конденсатора (электронного компонента, способного накапливать и отдавать электрический заряд) и химического источника тока (батарейки или аккумулятора). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы обладают более высокой скоростью зарядки-разрядки и бóльшим ресурсом.
В интервью EnergyLand.info руководитель проекта «Конгран» Семен Червонобродов рассказал, что его группе удалось создать прототипы двух накопителей электрической энергии, принципиально различающихся по физическим принципам действия. Первый — суперконденсатор с высокой для этого типа энергонакопителей удельной емкостью. Второй — литий-ионный гибридный суперконденсатор с принципиально новым катодом. Также создан новый, экологически чистый электролит на основе полиаминокислот. Основной сферой применения суперконденсаторов он считает транспортную отрасль. Сейчас ведутся работы над удешевлением производства.
Технология хранения солнечной энергии от немецкого изобретателя
Недовольный любым из доступных способов хранения солнечной энергии, немецкий изобретатель, очень любящий мастерить что-либо, решил посвятить свое любимое времяпрепровождение улучшению системы хранения солнечной энергии. В то время как другие пытаются построить лучшую батарею, Вольфрам Уолтер (Wolfram Walter) решил улучшить батареи, которые у него уже были.
Уолтеру не пришлось долго напрягать фантазию. Изобретательный немец уже изменил свой велосипед и Porsche, модернизировав их до электрического велосипеда и электромобиля. Представленный на радиостанции PRI’s The World, Уолтер описывается как «человек, одержимый электрическими вещами».
Живущий в Умкирхе, небольшом городке на юго-западе Германии, Вольфрам Уолтер установил систему солнечной энергии на крыше своего дома.
Но, «всего через четыре дня», рассказывает он, «я уже был очень разочарован этой системой.
Потому что она производит много энергии в течение дня, которая идет в центральную электрическую сеть, а вечером, когда я возвращаюсь, я должен покупать её обратно по ночам».
Но Уолтер был еще более разочарован тем, что он «должен был платить больше за электроэнергию, купленную из центральной сети, чем он получил за электроэнергию, отданную в нее».
В последние 10 лет, производство солнечной энергии в Германии резко возросло, в большей степени в связи с увеличением стимулов, предлагаемых мелким производителям солнечных систем.
Но, как объяснил Уолтер, «в настоящее время, если у вас есть система солнечной энергии – у вас есть электричество днем».
Поскольку солнце доступно только периодически, необходима эффективная технология хранения, чтобы стабилизировать и получать непрерывный поток электроэнергии от солнечных систем.
Уолтер на самом деле никогда не собирался продавать изобретенную им систему, он просто пошел и разработал ее в домашней лаборатории, чтобы решить свои личные потребности хранения электроэнергии. Недовольный доступными на рынке системами, Уолтер начал возиться с набором имевшихся литий-железо-фосфатных батарей.
Проектируя систему, которую он называет Sonnenspeicher (в переводе с немецкого – Солнечное Хранилище), он создал собственную смесь электроники и программного обеспечения, которая управляет электроэнергией, вырабатываемой солнечными панелями, контролируя, сколько энергии сохраняется и сколько отдается в центральную электросеть. Sonnenspeicher также помогает увеличить срок службы аккумуляторов, а также их эффективность.
Решающая проблемы непостоянства вырабатываемой энергии, система Sonnenspeicher описывается как «металлический ящик размером с небольшой холодильник». Как объяснил Уолтер, «подключите его к солнечным панелям на крыше и у вас сразу появится электростанция, которая работает 24 часа в сутки 365 дней году».
В то время как умные аккумулятора не являются новой идеей, изобретение Уолтера выиграло награду German Innovative Renewables Product of the Year Award.
Едва прошел год с момента начала тестирования первого Sonnenspeicher.
Менее чем через два года, Уолтер уже продавал сотни экземпляров его интеллектуальной системы хранения солнечной энергии немецким домовладельцам и предприятиям, открыв свою новую компанию Automatic Storage Device.
Гюнтер Райдл, один из первых клиентов Уолтера, сказал, что его Sonnenspeicher стоит рядом с инвертером солнечной установки в подвале его дома. Он добавил, что посещает систему хранения несколько раз день, «просто чтобы посмотреть, как она работает, сколько энергии я сэкономил, а сколько накопил».
Райдл сообщил: «я экономлю около 1200 евро (~ $ 1300) в год – деньги, которые мне не пришлось платить энергопоставляющей компании». Это значит, что его система хранения окупит себя за 8 лет. Затем он будет зарабатывать деньги, и, как полагает Уолтер, это ключ к успеху для технологии возобновляемых источников энергии: сделать ее прибыльной».
Уолтер в настоящее время работает над второй версией своей умной системы хранения солнечной энергии Sonnenspeicher. Меньшая по размеру, менее дорогая и еще более эффективная, чем награжденная оригинальная версия, Вольфрам Уолтер уверенно заявил, что «она изменит мир».
__________________________________________________________
Системы хранения энергии
07.10.2016 г.
Эффективное использование мировых энергетических ресурсов зависит не только от способов их использования, но и от методов хранения выработанной энергии. По прогнозам аналитиков GMT Research объем рынка хранения энергии активно развивается и уже в 2020 году в 26 раз превысит показатель 2014 года.
В 2015 году примерно 16% от общего объема рынка пришлось на домашние системы хранения энергии.
Это обусловлено тем, что при размещении солнечной или ветряной электростанции желательно устанавливать также и систему хранения энергии, поскольку электроэнергия из возобновляемых источников энергии вырабатывается неравномерно на протяжении дня.
К примеру, солнечная энергия вырабатывается только днем, но использоваться она должна на протяжении всего дня. Или выдался пасмурный день, а генерация составила существенно меньше, чем ежедневное потребление вашего домохозяйства. Именно для таких случаев и предназначены системы хранения энергии.
Технологии хранения энергии
Сегодня на рынке систем хранения энергии наиболее распространена литий-ионная технология. К примеру, в 2015 году в 95% случаев применялись литий-ионные аккумуляторы.
Они также широко используются на потребительском рынке и на рынке автомобилей, где устанавливаются в гибридных или полностью электрических транспортных средствах.
Цены на литий-ионные батареи снижаются, их безопасность повышается, они хорошо себя показывают в системах, где необходимо большое количество энергии в течение короткого периода (силовые установки), и в системах, которые требуют меньшее количество энергии в течение более длительного периода. Таким образом литий-ионные аккумуляторы подходят для хранения энергии любым потребителям — от крупных коммунальных предприятий, занимающихся передачей и распределением энергии, до индивидуальных коммерческих и жилых объектов.
Однако полезность литий-ионной технологии необходимо дополнительно оговаривать. Во-первых, очень важно, чтобы эксплуатационные характеристики разных типов литий-ионных батарей соответствовали поставленным задачам. Например, для больших электростанций одна модель аккумулятора может быть на 80% эффективнее, чем другая из-за способности АКБ быстро заряжаться и разряжаться.
Во-вторых, в некоторых частных случаях другие технологии могут работать лучше. Например, для управления системой заряда и хранения энергии в жилых системах свинцово-кислотные батареи могут оказаться более эффективными. А для крупномасштабных электростанций щелочные батареи являются более экономичными, но только для коротких периодов зарядки и разрядки (быстрее одного часа).
Основные характеристики систем хранения энергии
Одной из главных характеристик для любых систем хранения энергии является полезная емкость. Этот параметр системы накопления энергии зависит от номинальной мощности, допустимой глубины разряда и уменьшения емкости аккумулятора с течением времени. Например, Adara Power предлагает систему хранения энергии для домохозяйств номинальной мощностью аккумулятора 8,6 кВт⋅ч.
При этом, заявленная максимально допустимая глубина разряда для этой системы составляет 75%. Следовательно, полезная емкость аккумуляторов Adara составляет 6,45 кВт⋅ч. В то же время прямой конкурент — Tesla — выпускает системы хранения энергии Powerwall, которые имеют допустимую глубину разряда в 100%. Для них полезная емкость будет равна номинальной (7 или 10 кВт⋅ч).
Тем не менее, номинальная емкость аккумулятора заявлена только на первый день их работы. С течением времени полезная емкость будет медленно уменьшаться из-за износа. Количество циклов, на которое рассчитана система, это характеристика долговечности аккумулятора.
Срок службы батареи сильно зависит от характера использования. К примеру, производитель может оценить срок жизни одной и той же батареи в 4000 циклов при глубине разряда в 70% или в 3000 циклов при глубине разряда 85%.
Клиенты должны иметь доступ к таким данным, однако на практике эти данные практически невозможно найти.
Знать количество циклов при разных условиях использования важно с точки зрения максимизации отдачи аккумулятора для клиента. К примеру, Sonnen дает гарантию на все свои системы хранения энергии SonnenBatterie в виде «10 000 циклов или 10 лет».
При использовании такой системы в обычном режиме вы получаете лишь порядка 3650 циклов за 10 лет. Таким образом, чтобы приблизиться к 10 000 циклов в течение гарантийного срока вы должны осуществлять порядка 3 циклов в день, для чего потребуются специальные условия.
Примером может послужить использование системы, не только для собственного потребления, но и для продажи электроэнергии в сеть.
Бизнес-модели для систем хранения энергии
Существует несколько экономических сценариев для владельцев систем хранения энергии, рассмотрим их ниже.
Автономная домашняя электростанция
В этом случае вы используете вашу систему хранения энергии, чтобы хранить выработанную энергию для своих нужд и сделать ваш дом энергонезависимым. Избыток генерируемой энергии в течение дня хранится в системе аккумуляторов для потребления в ночное время.
Однако для таких систем необходим дополнительный контроль количества выработанной энергии, также желательно наличие резервного источника питания.
В сущности, такая система хранения энергии должна рассчитывать потребление энергии домохозяйством в режиме реального времени для оптимизации производства электроэнергии.
Кроме того, система должна сокращать генерацию, когда количество вырабатываемой энергии превышает объем системы хранения. Такой вариант размещения является выгодным при желании клиента стать полностью энергонезависимым или в регионах с высокой стоимостью электроэнергии.
Резервная домашняя электростанция
Этот вариант энергосистемы будет интересен для домохозяйств, расположенных в регионах, имеющих проблемы с поставками энергии. Электростанция производит электричество только до полного заполнения системы хранения, после чего выключается.
В результате к моменту отключения питания вы имеете всегда полностью заряженную систему аккумуляторов, а также можете при необходимости вырабатывать электроэнергию самостоятельно.
В таком случае вам необходимо рассчитать количество энергии, необходимое для обеспечения дома в периоды отключения электричества и установить соответствующих размеров систему хранения энергии.
Сетевая домашняя электростанция
В таком случае вы преследуете цель продавать вырабатываемую энергию выше цены, по которой вы покупаете ее у государства.
В условиях Украины такое решение является довольно выгодным, поскольку государство обязано выкупать у вас электроэнергию по «зеленому» тарифу, который привязан к стоимости евро.
Чтобы продавать электричество напрямую вам не понадобится устанавливать систему хранения энергии, что позволяет значительно сэкономить.
Феномен отрицательных цен на электроэнергию
Отрицательные цены на электроэнергию являются относительно новым явлением на оптовых рынках электроэнергии. Впервые они были замечены на немецком дневном рынке в 2007 году и в настоящее время довольно редки, но в 2012 году при формировании цен на следующий день были 56 часов в 15 различных дней, когда цены опускались до отрицательных значений.
Это означает, что поставщики электроэнергии должны были платить потребителям, чтобы последние использовали поставляемое им электричество.
Такое явление возникает, когда подаче электроэнергии соответствует исключительно низкий спрос и поставщик решает, что расходы, связанные с выключением и перезапуском всей системы питания, больше, чем расходы, связанные с оплатой внешней стороне для использования произведенной электроэнергии.
Отрицательные цены на электроэнергию указывают на негибкость существующего режима, и их появление отражает необходимость в системах хранения энергии.
Их присутствие должно стимулировать рынок хранения энергии: вместо того, чтобы покупать энергию и затем продавать ее в более поздний период, обладатель системы хранения энергии может «купить» энергию (за которую ему заплатит поставщик) и потом продать ее позже, получая, таким образом, двойную выгоду. При этом факт установки систем хранения энергии будет толкать цены вверх и достаточно большой рынок хранения энергии сам по себе приведет к исчезновению отрицательных цен на электроэнергию.
Приведенный в данной статье материал позволяет сделать несколько важных выводов:
Во-первых, системы хранения энергии уже имеют экономический потенциал при выполнении некоторых условиях. Про это часто забывают, не учитывая государственные дотации для проектов по хранению энергии и экономические потери от перебоев в подаче электроэнергии.
Во-вторых, при проектировании системы хранения энергии необходимо решить какая технология (литий-ионная, свинцово-кислотная, щелочная или другая) больше подойдет для достижения ваших целей. Стратегия с использованием нескольких технологий будет стоить дороже, но и позволит вашей системе быть более гибкой.
Наконец, наиболее важный вывод заключается в следующем: развитие рынка систем хранения энергии может перевернуть существующую модель энергетического обеспечения мира.
Сегодня нетрадиционная энергетика используется в основном для удовлетворения мгновенной потребности в энергии. Системы же хранения энергии помогают сглаживать разницу между периодами генерации энергии и нагрузки на сеть.
Со временем, возобновляемые источники энергии будут все больше и больше заменять привычные уголь и газ.
Рекомендуем к прочтению:
Печать
Сергей Морозов: «Сейчас мы ставим задачу создать системы хранения энергии промышленного масштаба – энерджи сторейдж»
В Ульяновске проходит международный инвестиционный форум «Ветроэнергетика-2018». Губернатор Ульяновской области разместил в фейсбуке текст своего выступления.
«В Ульяновске проходит международный инвестиционный форум «Ветроэнергетика-2018». Для нас большая честь, что местом проведения форума выбрана именно Ульяновская область.
Это показатель успехов нашего региона в развитии «зелёной» энергетики, а также показатель большого доверия со стороны профессионалов отрасли. Современный мир невозможно представить без эффективной и экологически безопасной энергетики.
В этой сфере мы работаем почти 4 года. С тех пор нам удалось уже очень многое сделать.
Во-первых, мы нашли партнёров в лице мировых вендоров, в первую очередь, «Вестаса» . А также определили системных партнёров в этой области – «Фортум» и Роснано. Это позволило нам быстро привлечь капитал в тему строительства ветропарков. Хочу поблагодарить эти компании за сотрудничество. Без них российская альтернативная ветроэнергетика не состоялась бы.
Во-вторых, под потребности отрасли инициировали изменение законодательства. Отрадно, что в вопросах снятия нормативных ограничений мы имеем общую с федеральным центром позицию.
В-третьих, поскольку ветроэнергетика – новая отрасль для России, в составе кластера реализуется сегмент подготовки кадров. Сейчас на базе Ульяновского технического университета, Ульяновского наноцентра работают специализированные кафедры ветроэнергетики, выпускники которых через несколько лет придут работать на строящиеся сегодня ветропарки области и других регионов нашей страны.
Нам важно сформировать комфортную экосистему для научных изысканий в этой сфере, обеспечить непрерывный конвейер разработки и внедрения новейших технологий вплоть до этапа производства и формирования спроса, поиска заказчиков на инновационную продукцию и организации экспортных поставок для потребителей по всему миру.
Результатом нашей работы стал ввод в эксплуатацию первого в стране ветропарка мощностью 35 МегаВатт, а также амбициозные планы на ближайшие пять лет по постройке еще нескольких ветропарков общей мощностью порядка 250 мегаватт. А в более длительной перспективе мы рассчитываем, что эта цифра возрастет до 600 мегаватт.
При этом мы не должны ограничиваться простой генерацией альтернативных видов энергии. Задача намного шире – сформировать и локализовать на территории региона новые компетенции, связанные с созданием ветроустановок, разработкой и производством их компонентов и, самое главное, включить в этот процесс действующие предприятия.
Поэтому четвёртое направление нашей работы – локализация производства компонентов для ветроустановок. В ноябре 2016 года мы создали консорциум, который осваивает производство башен и лопастей для ветроустановок из композитных материалов. Старт производства по этому проекту намечен на 2019 год.
В этом году мы заключили специальный инвестиционный контракт между Министерством промышленности и торговли РФ, правительством региона и датской компанией «Вестас», который запускает процессы локализации и даёт возможность нашим отечественным производителям войти сложные высокотехнологичные кооперационные производственные цепочки.
Сейчас мы ставим задачу создать системы хранения энергии промышленного масштаба – энерджи сторейдж (energy storage). Эти технологии позволят действительно революционизировать новую энергетику, существенно повысить коэффициенты полезного использования генерируемых мощностей. То есть создать полноценный кластер.
Развитие ветроэнергетики в Ульяновской области является хорошим примером становления буквально «с нуля» новых высокотехнологичных отраслей, которые позволят нам в короткие сроки диверсифицировать экономику, модернизировать энергетику, обеспечить приемлемую стоимость энергоресурсов для приходящих в регион инвесторов, а также выйти на глобальный уровень конкурентоспособности производства».
Нии этс | системы хранения энергии
Домашний аккумулятор Tesla – прорыв новой энергетики?
О системах хранения энергии
В то же время на рынке уже представлены десятки бытовых систем хранения от десятков производителей (RWE, Nedap, Schüco, SMA, Bosch, JLM Energy, Varta…) на основе разновидностей литий ионных аккумуляторов, в первую очередь литий-железо-фосфатных (LiFePO4). Их отличие от Powerwall – в более широком функционале.
Если Powerwall – это собственно Li-ion аккумулятор в красивой оболочке с интегрированной системой бесперебойного питания (UPS), то представленные на рынке системы как правило уже объединяют в одном (также, как правило, изящном) корпусе, напоминающем по формам холодильник, помимо батарей и UPS также инвертор, счётчики и программное обеспечение (энергетический менеджмент).
Некоторые образцы представлены на рисунках справа.
Илон Маск, создатель и руководитель компании Tesla, специализирующейся на производстве электромобилей класса люкс, 30 апреля 2015 года торжественно презентовал большую настенную Li-ion батарейку для дома под названием Powerwall. Весть об этом несколько раз облетела земной шар, все мировые СМИ, в том числе российские, уделили мероприятию своё внимание. Это была новость, которую невозможно не заметить.
Батарейка называлась «недостающим звеном» светлого будущего, новым продуктом, который призван «фундаментально изменить способ использования энергии», «последним шагом к нашему чистому энергетическому будущему», как её окрестила газета «Вашингтон пост». С момента объявления о приёме заказов потребители заказали уже 38 тысяч (!) аккумуляторов Тесла.
Является ли выпуск данного продукта действительно столь знаковым событием?
В условиях растущего использования возобновляемых источников энергии и увеличения доли «переменчивой» ветряной и солнечной генерации в производстве электроэнергии, наличие эффективных систем хранения энергии становится всё более важным. Поэтому выпущенный Тесла продукт действительно находится в тренде.
Всё большее увеличение ёмкости батарей может позволить самообеспечение электричеством в течение более длительного времени (кстати, Тесла позволяет наращивать систему, покупая дополнительные единицы Powerwall).
При этом, разумеется, запастись электричеством “на зиму” или даже на неделю при нынешнем уровне развития техники не получится – потребуется слишком большие объемы батарей и соответственно крупные инвестиции.
Также очевидно, что в климатических условиях России, так же как и в Европе, полная независимость от сети только на солнечном электричестве сегодня возможна лишь теоретически (при неоправданно высоких затратах на солнечные модули и аккумуляторы, ну или при крайне экономном расходовании электроэнергии).
Хотя в недалёком будущем, с учётом роста эффективности и снижения стоимости солнечных модулей, инверторов и аккумуляторов, использование бытовых автономных, не подключённых к электрической сети систем, будет экономически оправдано во многих регионах мира. Уже сегодня очевидно, что тренд к созданию децентрализованных энергетических систем усиливается.
В Германии бум систем хранения начался ещё в 2013 году по причине существенного снижения «зелёного тарифа» для новых систем, который сегодня уже ниже сетевого тарифа.
Таким образом, если раньше многие немецкие граждане и предприниматели устанавливали солнечные модули исключительно с целью продажи электричества, делая на этом небольшой бизнес (можно было продавать дорогое солнечное электричество, и пользоваться дешёвым сетевым), сегодня устанавливать солнечную электростанцию имеет смысл только в том случае, если вы сами потребляете произведённую электроэнергию. Соответственно, качественные системы хранения энергии уже присутствуют на рынке и достаточно успешно продаются.
Вернёмся к нашей новинке. Производит ли Тесла аккумуляторы? Нет. Тесла не обладает, насколько мы знаем, собственными разработками, и её Гигафабрика пока не построена.
Стратегическим партнером автопроизводителя аккумуляторов является Panasonic. И вообще, аккумуляторные технологии и производство прочно держит в руках Юго-восточная Азия.
Промышленный батарейный парк, о котором мы писали, использует технику Samsung, а лист крупнейших производителей выглядит следующим образом:
Примечательно, что в то же самое время, когда Илон Маск презентовал свой знаковый продукт, даже несколько раньше, 22 апреля 2015 года, LG Chem, один из крупнейших производителей аккумуляторов, объявил о начале разработки своей «премиальной» системы хранения электроэнергии для североамериканского рынка в кооперации с канадской Eguana Technologies. Данное оборудование должно поступить на рынок во второй половине 2015.
Таким образом, конкуренция на рынке систем хранения энергии весьма высока. Даже Mercedes-Benz начал производить свой “хитрый накопитель” (нем. – Schlauspeicher) под брендом Accumotive, ставя на домашнюю систему хранения свою фирменную звезду. Её функционал схож с параметрами Тесла, и она также может крепиться на стену.
В чём преимущества, достоинства Тесла? В порядке важности мы выделим: 1) сильный маркетинг, сильную торговую марку компании и её основателя, 2) агрессивную (возможно) цену, 3) красивую «упаковку» (дизайн), 4) возможность наружного размещения (на улице) – заявленный диапазон рабочих температур: от минус 20 до плюс 43 градусов Цельсия, 5) настенный монтаж.
Технологии хранения энергии: в ожидании прорыва
Юрий Удальцов, заместитель председателя правления УК «РОСНАНО»
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 маневренный 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 ведет как к снижению КПД из-за испарения воды, так и к локальным экологическим последствиям.
В отсутствие рельефа научились строить искусственные насыпи и водоемы, 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 населенные 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 учета ГАЭС; среднегодовой рост — 38,7%).
Мировой рынок систем накопления энергии к 2025 году достигнет $75 млрд, если брать в расчет 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 ее 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 счет любых решений. Подобные заказы свидетельствуют, что технологии промышленного хранения будут неизбежно развиваться и пользоваться спросом.
Пока единое решение высокой емкости смог представить только Илон Маск, поставив в Австралию накопитель мощностью 100 МВт.
Он эксплуатирует идею удешевления батареек за счет вторичного использования — то есть после использования аккумуляторов в течение двух-трех лет в автомобилях, немного «деградировавшие» батарейки почти бесплатно достанутся энергетикам.
Но для масштабного развития таких систем нужен как минимум огромный парк легковых электромобилей, емкость 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 ведется много работ по использованию не только жидкого, но и твердого электролита). По этому принципу работают уже известные свинцовые, щелочные и семейство литиевых аккумуляторов.
Интересное решение предлагают проточные батареи, которые имеют увеличенную емкость, за счет 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 учетом необходимости замены ячеек.
При этом емкость 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 учетом комплексного решения. Они постоянно дешевеют, но пока непонятно, за счет чего произойдет 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 объем аккумулятора. Компактность решений позволяет применять их в мобильных объектах — электропоездах, погрузчиках, автомобилях, скутерах, велосипедах, а также в самолетах 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 поселка. АГЭУ состоит из солнечных модулей общей мощностью 120 кВт, двух дизельных генераторов по 200 кВт каждый и накопителя емкостью 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» ведет 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 расчете на жизненный цикл уже обходится не дороже эксплуатации дизель-генераторов.
Механический «Энергозапас»
Особняком на фоне общей увлеченности 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 счет накопления энергии.
Пять лет «Энергозапас» отбирал наиболее жизнеспособные концепты с высоким собственным КПД: вагонетки на склоне карьера, гидравлика, электромотор. Оказалось, что использовать максимально тяжелые 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 расчетам, чуть дешевле ГАЭС.
Дальнейшее снижение возможно за счет 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 легкое нежилое здание, в нем не нужны окна, двери, твердые стены, глубокий фундамент и перекрытия.
Достаточно обеспечить тепловую изоляцию и ветрозащиту. Даже с учетом тяжелого груза на большой высоте проблема устойчивости здания решается шириной стен: здание будет похоже на широкий конусовидный цилиндр.
Кроме того, тяжелые 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 емкость 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 маневренности
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 маневренность.
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 растет расход топлива и при дерганой 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 расчеты 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 отдаленное будущее, до него осталось около 20 лет.
Если представить, что энергетика резко перейдет 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 землей в карстовую пещеру закачивается воздух под большим давлением, а в нужный момент выпускается.
Около 10 лет назад большие надежды возлагали на маховики: тяжелые конструкции на магнитных подвесках вращаются с минимальным трением, сохраняя энергию или передавая ее генератору.
Маховики получились, как правило, совсем небольшой мощности и за счет 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 землей. За счет 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.
Эволюция источников хранения энергииИнновационные проекты
В процессе революционного роста и развития систем хранения энергии и управления электропитанием, электрогенерирующие компании и потребители электроэнергии вынуждены решать множество новых возникающих вопросов безопасности.
В апреле прошлого года, в автомобильной дизайн-студии в Hawthorne, штат Калифорния, генеральный директор Tesla – Элон Маск объявил о запуске стартапа под названием Tesla Energy . Цель проекта – это не что иное, как «фундаментальная трансформация способа энергофункционирования мира и способа передачи энергии на всей планете».
Инновационные проекты компании Tesla
Он представил два литий-ионных аккумулятора: PowerWall для бытового использования и PowerPack, для промышленного использования. PowerWall, форма и размер которой едва больше разделочной доски, может быть смонтирована на стене в гараже или подсобке, как бытовой прибор.
Powerpack напоминает негабаритный холодильник. Он уже установлен на приблизительно 50 объектах по всей территории США. И компания Тесла утверждает, что в скором времени PowerPack будет установлен по крайней мере в 20 крупных офисных зданиях в Калифорнии.
Обе батареи основаны на технологии, которые Тесла впервые испытала в своих автомобилях Model-S, но вместо того, чтобы приводить в движение колеса, аккумуляторы PowerPack и PowerWall предназначены для хранения энергии для питания дома, офиса или даже завода, аэропорта, больницы, целой электрической сети.
https://www.youtube.com/watch?v=0sWK8_DPTN8
На фоне шумного запуска проекта Tesla Energy и привлечения внимания широкой аудитории, большие батареи или так называемые системы хранения энергии (ESS) в промышленности медленно развивались более десяти последних лет.
В Нью-Йорке есть госпрограммы развития экологически чистой энергии: такие как Реформирование энергетической инициативы (REV) и Бонусная программа самогенерации Калифорнии, которые поощряют бизнес более широко внедрять технологии хранения энергии.
На самом деле, многие наблюдатели считают, что мир приходит к изобилию энергии и реформа хранения энергии означает Клондайк для энергетики.
Исследовательская фирма IHS Market Technology предсказывает, что к 2017 году, годовые мощности установок по хранению энергии во всем мире будет 6 гигаватт (ГВт), достаточно для питания 6 миллионов домов. IHS прогнозирует, что емкость установок хранения энергии превысит 40 ГВт к 2022 году, по сравнению с 0,34 ГВт в 2012-2013 г.г.
Привлекательность батарей выходит далеко за рамки экологического альтруизма.
Способность накапливать энергию для последующего использования означает, что потребители и предприятия могут покупать электроэнергию, когда цены низкие, и использовать ее, когда спрос на электричество приводит к росту цен на электроэнергию.
Практика, называемая «peaksharing» или пиковая разгрузка, потенциально может сэкономить сотни тысяч долларов в год крупным потребителям энергии.
Больницы, центры обработки данных, аэропорты и другие объекты с бесперебойным циклом работы могут использовать заряд батареи, чтобы обеспечить непрерывность процессов в чрезвычайной ситуации. Хранение энергии также относится и к частным потребителям; в сочетании с солнечной энергией, системы обещают потенциальную свободу от сети, а также резервное питание при отключениях электроэнергии.
Накопители энергии также быстро становятся важным ресурсом для электрических коммунальных предприятий. Батареи позволяют иметь доступную резервную энергию при пиковых значениях нагрузки во время всплесков потребления, например, во время летней жары или аномальных холодов.
Без накопления энергии, единственный вариант для удовлетворения пикового спроса нового поколения – это включение или строительство новых электростанций. Это неэффективная система, которая приводит к тому, что общие генерирующие мощности значительно превышают спрос на протяжении года.
А это ведет к увеличению риска возгораний, перепадам напряжения, износу оборудования, пожарам, и в конечном счете денежным потерям.
На самом деле, 95% времени, подстанции используются недостаточно,” говорит Амори де ла Круз, директор программы управления спросом ConEdison, одного из крупнейших поставщиков коммунальных услуг в Соединенных Штатах.
“Но всякий раз, когда есть увеличение пикового спроса, мы должны вкладывать средства в нашу систему, и строить больше проводов и мест хранения – энергоподстанций”. Элон Маскиз Тесла утверждал, что с помощью надлежащим образом организованного стационарного хранения, половину электрогенерирующих заводов в мире можно будет закрыть без влияния на электросеть.
Тесла уже продал все PowerWall и Powerpack батареи до конца 2016 года, принимая заказы на сумму более $ 1 млрд, Маск сообщил журналистам в ходе телефонной конференции отчет о доходах.
Компания резко увеличит производство в 2017 году благодаря Gigafactory, которая строится сейчас в пустыне Невада, объем инвестиций Тесла составит $ 5 млрд.
“Мы считаем, что мы в начале быстро растущего развертывания этих систем”, сказал Скотт Кона, директор по безопасности батарей и НИОКР компании Тесла. “Это только начало.”
Безопасность новых систем хранения энергии
В то время как с хранением энергии все очевидно, что вызывает вопросы так это: а «что делать если что – то пойдет не так?».
Как батареи с различными химическими компонентами и технологиями реагируют на огонь? Как пожарные убедятся, что горящие батареи полностью потушены? Как потребитель может перемещать поврежденные батареи, в которых по-прежнему есть заряд? Каковы риски для первых пострадавших от воздействия токсичных газов, электричества и других опасностей, связанных с ESS , и где источник пожарной опасности или других потенциальных рисков эксплуатации? Как достойно и безопасно отстроить этот квантовый скачок энергопромышленности?
Разработка протоколов и систем безопасности (в т.ч.
систем газового пожаротушения) нового типа уже вовсю исследуются и разрабатываются в США : Отдел пожарной охраны Нью – Йорка (FDNY), и электроэнергетическая компания ConEdison, Фонд исследований противопожарной защиты (FPRF), планируют стимулировать клиентов в Нью – Йорке, чтобы установить ESS в своих зданиях. До сих пор лишь некоторые стандарты были отражены в Своде правил пожарной безопасности NFPA 1, и NFPA 70®, NationalElectricalCode®.
Работа над ESS происходит в других местах тоже.
В декабре 2014 года Министерство энергетики США (DOE) опубликовало свой “Стратегический план Energy Storage», который выделяет три основные потребности: стандартизированные методы для проверки безопасности системы; Обновленные коды, стандарты и правила безопасности ESS; и процедуры, чтобы безопасно реагировать и обрабатывать Системы хранения энергии в случае чрезвычайных ситуаций и аварий. NFPA, UnderwritersLaboratories (UL), организация FPRF, и несколько других учреждений в США также прилагают усилия для устранения этих пробелов. Такие нормативные документы должны решать проблемы установки, выбора площадки, тестирование, техническое обслуживание, вентиляцию, противопожарную защиту системы.
Систем хранения энергии – динамическая технология
Разработка протоколов для оценки систем хранения энергии и создание чрезвычайных мер является сложной задачей, отчасти потому, технология ESS постоянно расширяется и развивается.
История ESS относит нас в 30-е годы XX века, когда гидроузел механической формы накопления энергии играл значительную роль в надежности электрической сети.
Концепция проста: в периоды высокой электро нагрузки, спуск воды из большого верхнего резервуара в нижний резервуар, поворачивал турбину таким же образом, как на обычных гидроэлектростанции. На ГЭС по- прежнему приходится 95% мощности сохраненной энергии в мире, но это соотношение меняется.
Увеличение потребности в более гибких и надежных поставок энергоносителей, рост использования возобновляемых источников энергии, более строгих норм экологического регулирования и последних технологических достижений проложили путь для быстрого роста накопления энергии электрохимическим способом в батареи большой емкости.
В 2003 году, GoldenValley Electric, электропредприятие в г.
Фэрбенкс, Аляска, установило одну из крупнейших ESS батарей даже померкам сегодняшнего дня, никель-кадмиевую батарею весом 1500-тонн, для обеспечения резервного питания для своих 44,000 потребителей.
Батарея мощностью27 (!) мегаватт (МВт) запускается автоматически или в ручном режиме, если есть проблема с питанием от основного источника питания. В 2014 году батарея сработала в 78 случаях, предотвращая в общей сложности 263,489 отключений клиентов.
Последние технологические прорывы сократили стоимость ESSи позволили хранению энергии также стать доступным для предприятий и индивидуальных домовладельцев. В 2010 году в Калифорнии Комиссия по коммунальным предприятиям спонсировала $ 1,8 млн.
проекту Solar City, для установки фотоэлектрических панелей на жилых комплексах и батарей для хранения электроэнергии, вырабатываемой на крыше солнечных батарей.
Благодаря этому решению дома не только стали полностью энергонезависимыми, но и имели возможность продавать избыток от 5 до 10% от вырабатываемой панелями электроэнергии. В США подумывают, чтоб сделать это техническое решение обязательным.
Будущее уже наступило
Другие отрасли промышленности обращаются к сохранению энергии либо в дополнение к их ветровой, либо солнечной панели, сокращая свои счета за электричество. Глобальная база Департамента США данных Energy Storage в настоящее время исчисляется более чем 1400 коммерческих проектов ESS.
Здесь и передовая производство свинцово-кислотных аккумуляторов на заводе- изготовителе Ford Motor в Дирборн, штат Мичиган; аккумулирование тепловой энергии льда в зоопарке Торонто; аккумуляторная натрий-серная батарея на ветроэлектростанции в Японии; батарейный отсек на 25-м этаже штаб – квартиры MetropolitanTransitAuthority в Манхэттене; и флот из 24 гибридных электрических офисных зданий в Калифорнии с использованием 10 МВт хранения энергии в литий-ионных ESS. Только в Нью – Йорке были одобрены проекты ESS по крайней мере пять различных химических типов батарей для использования как внутри, так и вне помещений. Роджер Лин, Директор по маркетингу продуктов NEC Energy Solutions говорит: “Существует многоуровневый подход к безопасности, которые должны быть приняты всеми в отрасли, без ущерба для надежности. Если мы не делаем это правильный путь, это будет замедлять принятие, но мы должны сделать это. Существует баланс, и мы должны выяснить, что это такое. “
Пожаротушение энергосберегающих систем и энергонакопителей
«Правильно определенная комбинация рисков, присущих ESS несколько уникальна, но отдельные угрозы дуговой вспышки, огонь, горение, напряжение и токсичность – являются теми угрозами, которые уже существуют в таких крупных агломерациях, как Нью-Йорк, и связаны со средствами быстрого реагирования, организацией подстанций для хранения химических веществ” – сказал Дэвид Розуотер, инженер Sandia National Laboratories, который изучает ESS.
Для служб быстрого реагирования возможно большей проблемой, чем сама ESS, является миграция систем в домах, офисах и заводах. Необходим анализ рисков и разработка моделей поведения, чтобы иметь четкую инструкцию в случае возгорания, как сдерживать воспламенение или как организовать меры спасения.
