Захватить энергию

Первая в мире установка для аккумулирования энергии на сжатом воздухе появилась в 1978 году в Германии. Сегодня технологию активно внедряет Китай. Проект мощностью 100 МВт был подключен к национальной энергосистеме в Чжанцзякоу в провинции Хэнань в сентябре 2022 года. Тогда же государственное предприятие China Energy Engineering Corp заявило, что инвестирует 313 млн долларов США в строительство хранилища энергии на сжатом воздухе мощностью 350 МВт в соляной пещере в провинции Шаньдун. Ожидается, что годовая мощность станции составит 1 млрд кВт⋅ч.

Один из видов промышленных накопителей — маховичные. Маховик или его перспективное исполнение, супермаховик, который вращается с высокой скоростью, соединен с генератором, конвертирующим энергию вращающейся массы в электрическую и обратно. Маховичные накопители могут работать в широком диапазоне температур, служат более 20 лет, при коротких (менее часа) циклах зарядки и разрядки обеспечивают эффективность хранения энергии до 95%. Недостатки обусловлены конструктивными особенностями. Маховик на весу поддерживают магнитные подшипники. С помощью постоянных магнитов сложно обеспечить равномерное магнитное поле по всему диаметру вращения, что приводит к колебаниям. При использовании же электромагнитных подшипников, чтобы удерживать вес маховика в подвешенном состоянии, требуется большой расход энергии.

В 2011 году компания Beacon Power открыла кластер из 200 маховиков в Стефентауне, штат Нью-Йорк, мощностью 5 МВт·ч. Аналогичная система мощностью 20 МВт разработки той же компании появилась в Хазл-Тауншип, штат Пенсильвания, в 2014 году.

Для промышленного хранения электроэнергии используются также тепловые системы накопления. Тепло аккумулируют с помощью разных технологий: хранят в песке (например, в 2022 году в Финляндии появился «песочный аккумулятор» с тепловой мощностью в 100 кВт), раскаленных камнях (с 2022 года в Италии функционирует «каменный» накопитель, способный хранить до 24 МВт·ч тепловой энергии около пяти часов).

Один из наиболее широко используемых мегаваттных тепловых накопителей — накопители на расплавленной соли. Они вносят существенный вклад в общий баланс мощности, хотя количество их невелико (по статистике за 2020 год — 35 единиц). Технология используется в Дубае, в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума — одной из крупнейших в мире сети солнечных электростанций. В ноябре 2022 года датская компания Hyme Energy ApS объявила, что приступает к созданию хранилища тепловой энергии на расплавленной соли на острове Борнхольм в Балтийском море. Строительство объекта мощностью 1 МВт планируется закончить в 2024 году.

Широкое применение в системах накопления электрической энергии нашли литий-ионные аккумуляторные батареи. На их долю приходятся наибольшие суммарные мощности и энергоёмкости по сравнению с другими типами батарей.

Общий принцип работы электрохимических батарей можно описать так: в процессе заряда электроэнергия преобразуется в химическую, а во время разряда происходит обратная реакция и высвобождение энергии.

Спрос на литий-ионные батареи в качестве высокоэнергоемких накопителей вырос в 2010-х годах в связи с увеличением производства электромобилей и развитием ВИЭ-генерации. По сравнению с упомянутыми выше методами аккумуляторные накопители относительно малы — их можно построить практически в любом месте. Литий-ионные аккумуляторы быстро заряжаются, обеспечивают высокую плотность накапливаемой энергии, выдерживают до 10 тыс. циклов заряда/разряда. Из недостатков следует упомянуть относительно низкий срок службы (5-8 лет), высокую пожароопасность, необходимость поддерживать особый температурный режим: при охлаждении или перегреве аккумулятор отдает меньший заряд.

Один из наиболее крупных литий-ионных «аккумуляторов» был создан в 2017 году в штате Южная Австралия. Его мощность составляет 100 МВт, емкость — 120 МВт·ч. «Батарея» помогает сохранять энергию, вырабатываемую ветряной станцией.

В России также развивают производство литий-ионных батарей. В качестве примера можно привести «гигафабрику», строящуюся Госкорпорацией Росатом в городе Неман Калининградской области. По сообщению пресс-службы «Росатома», завод обеспечит потребности отечественных производителей электротранспорта в тяговых литий-ионных батареях, а электросетевой комплекс — в стационарных системах накопления энергии. Первые аккумуляторы сойдут с конвейера в 2025 году.

Один из часто задаваемых вопросов: хватит ли лития на все потребности? Месторождения литийсодержащей руды обнаружены на всех континентах. Самыми большими запасами обладают Боливия (21 млн т), Аргентина (19,3 млн т), Чили (9,6 млн т), Австралия (6,4 млн т), Китай (5,1 млн т). В России крупное месторождение литиевых руд находится в Мурманской области.

На вопрос, какая из технологий наиболее перспективна, можно ответить, что ставка делается на все технологии накопителей. Они не конкуренты, а дополняют друг друга на мировом рынке. Какую систему промышленного хранения использовать, зависит от задачи, стоимости строительства и цены ватт-часа. Если речь идет о дата-центре, в здании которого нужно поставить накопитель с высокой удельной мощностью, имеет смысл выбрать литий-ионные аккумуляторы. Если требуется обеспечить национальные энергосистемы мега- и гигаваттами маневренной мощности, возможно, следует рассмотреть ГАЭС или технологии накопления на сжатом воздухе.

Существует и другой сценарий: создавать гибридные системы хранения. Например, в Нидерландах в августе 2020 года введена в эксплуатацию система накопления энергии, состоящая из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и шести маховиков, созданных голландским предприятием S4 Energy. Разработчики считают, что сочетание этих двух технологий обеспечивает явное преимущество для дальнейшей интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему.

Можно ожидать, что в 2023 году количество систем накопления электроэнергии и их энергоемкость будут только расти, а в будущем установки, в которых технологии альтернативной энергетики объединены с промышленными хранилищами, станут обычным явлением для любой страны.