Как технологии хранения электроэнергии изменят мир

Текст: Андрей ВЕЛЕСЮК

В прошлом году миллиардер Илон Маск в очередной раз взбудоражил общественность: его компания за 100 дней построила и подготовила к эксплуатации хранилище для электроэнергии общей емкостью 100 МВт. Это обострило дискуссию о технологиях хранения электроэнергии и переменах, которые их развитие может принести. Мы решили разобраться, как в России готовятся к грядущим переменам и чего конкретно стоит ждать.

Фото: Flickr.com, Flickr/U.S. Department of Energy, Siemens.com, Росатом,
Newsroom.ucla.edu
Общее положение дел
В августе прошлого года министерство энергетики опубликовало «Концепцию развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации».

Россия с существенным отставанием приступает к формированию национальной промышленности систем накопления энергии и развитию рынка применения этих систем в различных секторах экономики. К примеру, в США уже в 2010 году запустили программу California Energy Storage Mandate, согласно которой в стране к 2020 году будет 1325 МВт мощностей хранения. Великобритания и Китай озаботились этим вопросом в 2016 году: первая приобрела 201 МВт систем хранения, второй планирует к 2021 году построить системы хранения емкостью 46 ГВт. А в прошлом году СМИ растиражировали историю, главным героем которой стал опять же Илон Маск: в Австралии за 100 дней была построена самая большая в мире система литий-ионных батарей (См. справку).

Авторы российской «Концепции» перечислили основные события на рынке систем хранения электроэнергии, которые уже происходят в стране: «создано множество стартапов», проводятся профильные конференции, Минобрнауки за три года выделило 1,3 млрд руб. на соответствующие НИОКР, есть программы инновационного развития. Из всего этого сделан вывод: в России пока ведутся разрозненные и нескоординированные действия, не обеспечивающие достижения прорывного эффекта в развитии отрасли и рынка систем хранения электроэнергии.

Далее эксперты определили три наиболее перспективных направления для отечественного рынка систем хранения электроэнергии:


  • «Интернет энергии» — использование систем хранения электроэнергии в составе распределительной энергетики;
  • «новая генеральная схема» — использование систем хранения электроэнергии в составе крупной централизованной энергетики;
  • «водородная энергетика» — использование систем хранения электроэнергии в водородном цикле для энергетики с высокими требованиями к автономности, мобильности, экологичности.

Большинство экспертных советов предсказуемы. Как правило, они рекомендуют осуществить пилотные проекты, поддержать НИОКР, снять регуляторные барьеры, разработать мероприятия по стимулированию спроса и развитию рынка, принять меры для развития научно-технологической инфраструктуры. Упоминается в «Концепции» и косвенное стимулирование рынка за счет изменения правил ценообразования для конечных потребителей, в частности, введение сильно дифференцированных по часам тарифов и управление спросом.

Авторы документа утверждают, что к 2025 году объем мирового рынка систем хранения электроэнергии составит около $ 80 млрд. В оптимистичном сценарии российский рынок этих систем к тому времени достигнет около $ 8 млрд в год, а общий экономический эффект, за вычетом инвестиций и с учетом экспорта (систем хранения электроэнергии и водородного топлива), составит около $ 10 млрд в год.
Спор на $25 млн
В австралийском штате Южная Австралия, зависящем от возобновляемых источников энергии, живет 1,7 млн человек; у них регулярно возникали проблемы с энергоснабжением. На территории штата было недостаточно хранилищ, чтобы поставлять больше электроэнергии во время пиковых нагрузок. В марте прошлого года основатель и глава компании Tesla Илон Маск пообещал решить эту проблему.

Миллиардер написал в своем твиттере, что готов в течение 100 дней обеспечить бесперебойную поставку электроэнергии в штат Южная Австралия. Он пообещал установить там систему батарей общей мощностью 100 МВт, стоимость которой составит $ 25 млн без учета затрат на работы по установке и налогов. Если бы компания не успела сделать это за 100 дней, заказчики не заплатили бы Tesla ни цента.

В июле Илон Маск объявил, что получил от властей Австралии согласие на строительство там самой большой в мире системы литий-ионных батарей. Станцию хранения электроэнергии подключили к ветряной электростанции в городе Джеймстаун, принадлежащей компании Neoen. Общая мощность системы батарей составила 100 МВт, емкость — 129 МВт∙ч.

В ноябре компания Tesla отчиталась о завершении работ по установке системы сверхъемких аккумуляторов Powerpack выходной мощностью 100 МВт. Правда, тогда же издание Mashable обнаружило, что к моменту официального старта работ система уже функционировала на половине проектной мощности — 50 МВт. То есть формально условие было выполнено, но Маск подстраховался, начав строить станцию раньше официального одобрения.

Впрочем, компания Neoen, за два дня заработавшая на этих аккумуляторах $ 800 тыс. (австралийских), возмущаться не стала.
Технологии хранения изменят ландшафт энергетики
Консультанты компании VYGON Consulting уверены, что развитие систем хранения энергии сыграет ключевую роль и в росте доли объектов генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Хотя в развитых странах этот сегмент и так растет достаточно быстро: в 2017 году в Германии 36,1% электроэнергии вырабатывалось из ВИЭ (на 3,8% больше, чем годом ранее). В Дании с помощью таких источников удовлетворяется более 40% общенационального спроса на электроэнергию.

Стоит также учесть, что, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), в ближайшие 25 лет более трети действующих мощностей в мире (2,3 тыс. ГВт) достигнут предельного возраста и будут выведены из эксплуатации. И скорее всего, в случае значительного удешевления технологий хранения энергии, все эти электростанции будут замещены распределенными генерирующими объектами ВИЭ. Но пока все упирается в дороговизну решений.

Эксперты VYGON Consulting считают также, что в ближайшей перспективе прорывом станет достижение сетевого паритета между технологиями хранения энергии и генерацией ВИЭ в островных и автономных системах, не обладающих значительными запасами прочности по резервам. Яркие примеры таких территорий — изолированные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока России. Именно они могут стать пилотными регионами для опытного и промышленного применения гибридных решений энергоснабжения на основе генерирующих мощностей ВИЭ в сочетании с системами хранения.

Заместитель председателя правления УК «РОСНАНО» Юрий Удальцов также считает, что появление большого количества накопителей фундаментально изменит энергосистему. Сейчас для регулирования частоты диспетчер закладывает большой резерв мощностей, чтобы покрывать пики в отдельные часы. В итоге станции в среднем загружены меньше, чем могли бы быть. С появлением промышленных накопителей графики выработки и потребления можно будет развести и сделать удобными для каждой стороны. Это принципиально изменит рынки электроэнергии и энергомашиностроения, ориентированного на маневренность. Если в ней не будет необходимости, достаточно поставить АЭС в базовый режим работы и не содержать «запасные» мощности. Ю. Удальцов заметил, однако, что это станет возможным не ранее чем через 20 лет.

Еще один тренд в изменении ландшафта энергетики касается потребления электричества, в частности, бурно растущего сегмента «умный дом». Речь идет о жилье, в котором управление системами жизнеобеспечения максимально автоматизировано. По данным отчета маркетинговой компании Zion Market, сейчас мировой рынок решений для «умного жилья» составляет $ 246 млрд и до 2022 года его среднегодовой темп роста выручки составит 17,5%. Аналитики IDC, в свою очередь, утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», и в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн аналогичных устройств. В программе «Цифровая экономика Российской Федерации» создание «умных городов», состоящих из «умных домов», названо одним из ключевых направлений.

Особенность энергообеспечения «умного дома» в том, что из-за подключенных видеоустройств, систем безопасности, датчиков дыма, «умных» осветительных приборов и т. п. он становится весьма энергоемким. Если безопасность дома зависит от энергообеспечения, потребителю очень важны надежность и бесперебойная работа оборудования. Все чаще владельцы «умных домов» используют автономные генераторы и источники бесперебойного питания (ИБП), к которым подключают самые важные системы: освещения, оповещения и пожарной безопасности. Таким образом, мы наблюдаем активное развитие сегмента распределительной энергетики.
Почему аккумуляторы не используют повсюду?
Первая понятная технология хранения энергии появилась еще в конце XIX века — это были гидроаккумулирующие электростанции. ГАЭС в период низкого спроса на электроэнергию (например, ночью) потребляют ее для набора воды в верхнее водохранилище. А в моменты пиковых нагрузок (например, в утренние часы в мегаполисе) производят электроэнергию за счет резкого сброса воды.

В России единственная действующая станция такого типа — Загорская ГАЭС в Московской области. Она помогает покрывать пиковое потребление электроэнергии столичного региона.

Сегодня совокупная мощность разного рода систем хранения энергии в мире — примерно 150 ГВт. Подавляющая доля систем хранения (97%) приходится на гидроаккумулирующие электростанции, причем в строительство новых ГАЭС ежегодно вкладывается $ 7−10 млрд. Лидеры по установленной мощности ГАЭС: Китай (31 999 МВт, 34 ГАЭС), Япония (28 252 МВт, 43 ГАЭС) и США (22 561 МВт, 38 ГАЭС). Среди прочих накопителей выделяются системы на сжатом воздухе, сульфидные натриевые и литиевые аккумуляторные батареи.

Что касается аккумуляторных батарей, эксперты оценивают затраты на их установку в пределах $ 200−800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты — у свинцово-кислотных аккумуляторов. Основной недостаток аккумуляторных батарей — низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС. Срок службы батарей может довольно сильно варьироваться в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.

Есть у систем хранения электроэнергии еще одна неочевидная сторона, помимо финансовых и технологических, — это моральный аспект. Дело в том, что для производства аккумуляторов и аккумуляторных батарей, на которых работает вся современная техника, используют кобальт. Каждый год в мире добывают примерно 120 тыс. тонн кобальта, и 60% его добычи приходится на Демократическую Республику Конго. Для сравнения: на Канаду приходится 6% добычи, на Австралию — 4%, на Россию — 3%. Цены на кобальт растут стремительно, и это стимулирует рост его добычи в Конго.

По данным ЮНИСЕФ, которые приводит интернет-издание «Медуза», в 2014 году из 150 тыс. местных горняков около 40 тыс. были детьми. Причем после того, как кобальт начал дорожать, детей в шахтах стало больше, считает Amnesty International. Некоторые из них не старше четырех лет. Рабочий день ребенка длится в среднем 12 часов, дневной заработок колеблется в районе $ 1−2.

Однако эксперты полагают, что можно избежать роста цен на кобальт и снизить объемы его потребления. Один из металлов, способных заменить кобальт (а точнее, снизить его долю в аккумуляторах до 10% с нынешних 50%), — никель. Его запасы в мире больше, он равномернее распределен между странами и потому дешевле. В таком случае удастся решить и моральную проблему.
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.
Строительство аккумулирующих станций неизбежно
В современном мире очевиден тренд к постепенному выводу угольной генерации без установок по улавливанию и хранению CO2. Согласно прогнозам, к 2030 году будут выведены из эксплуатации 2/3 мощностей действующей генерации. Взамен в ряде государств переходят на ВИЭ.

Интеграция в энергосистему нестабильных ВИЭ ведет к снижению выбросов, но ставит вопрос о повышении гибкости энергосистемы.

Параллельно стремительными темпами растет потребность в электроэнергии, в том числе вследствие развития технологий «умного дома». В ближайшие годы миллионы устройств дополнительно будут подключены к Интернету. К примеру, аналитики IDC утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», таких как датчики дыма, сигнализации, системы видеонаблюдения; в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста продаж составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн устройств такого рода. Всё это не может не затронуть различных аспектов функционирования энергетики, и в первую очередь —объемов ее потребления и способов хранения.

В связи со всеми этими переменами в ряде государств уже сейчас в планах по развитию ВИЭ зафиксирована необходимость строительства гидроаккумулирующих станций, например, в Индонезии (3 ГВт к 2025 году) и в Испании (8,8 ГВт к 2020 году). А в штате Калифорния политика в отношении хранения энергии определена законодательным органом штата в 2010 году и требует, чтобы коммунальные предприятия и прочие энергокомпании планировали закупки объектов хранения.

Основной рост объема накопителей энергии, согласно прогнозам экспертов, в ближайшие годы будет обеспечен за счет интеграции ВИЭ с применением литий-ионных батарей. Ожидается, что к 2023 году ежегодный доход от таких аккумуляторов возрастет до $ 18 млрд. Хотя наверняка гидроаккумулирующие станции, самые крупные из доступных систем накопления энергии, еще какое-то время сохранят лидерские позиции среди общесистемных накопителей энергии.

Как собирается участвовать в этом глобальном тренде Россия? Ответа пока нет. Ведомственных концепций для реального развития рынка мало. Мы готовим обзор ситуации внутри страны в части развития технологий хранения энергии и перспектив спроса. Ищите его в одном из ближайших выпусков журнала.
Как в мире сохраняют электроэнергию
Ирландско-немецкие гибриды
Ирландские власти планируют к 2020 году добиться того, чтобы 40% энергобаланса в стране обеспечивали ВИЭ; к 2035 году они хотят довести этот показатель до 100%. Большая часть этой электроэнергии поступает с крупных ветряных электростанций.

Для того чтобы стабилизировать систему, немецкая компания Freqcon GmbH в Южном Дублине в 2016 году ввела в эксплуатацию систему хранения энергии, интегрированную с ультраконденсаторами Maxwell и литий-ионными батареями, для Tallaght Smart Grid Testbed. Литий-ионная батарея UltraBattery — это гибрид химической батареи и ультраконденсатора. Поставщик батареи, компания Ecoult, утверждает, что изобретение безопасно, устойчиво, надежно и пригодно для вторичной переработки. Система имеет установленную мощность 300 кВт и емкость 150 кВт∙ч.

Она разработана в первую очередь для демонстрации работы системы поддержки стабильности распределительной сети и решения проблем, связанных с нерегулярностью производства электроэнергии на электростанциях, работающих на ВИЭ.

Если система покажет свою жизнеспособность, ее развернут по всему Дублину и в дальнейшем — по всей Ирландии.
Нидерландские автомобили-батарейки
В апреле этого года в Mitsubishi анонсировали совместный проект с компаниями Hitachi и Engie, который позволит использовать электромобили в качестве хранилищ возобновляемых источников энергии для зданий.

Тестовые работы развернут в офисном здании Engie, расположенном в голландском городе Заандаме. Там Hitachi установила свое двунаправленное зарядное устройство V2X, способное отправлять энергию обратно в сеть.

Зарядное устройство подключено к энергоснабжению здания, которое, в свою очередь, оснащено солнечными батареями. Поскольку батареи зачастую генерируют избыточную электроэнергию, она будет храниться в аккумуляторе электромобиля. В случае перебоев эти автомобили будут действовать как аварийное питание. В качестве батареи компании будут использовать электромобиль Mitsubishi Outlander (PHEV).

Если эксперимент окажется успешным, линейку электромобилей, которые могут участвовать в создании аналогичных систем регулирования энергии, обещают расширить. В британской энергокомпании Moixa утверждают, что всего десять новых автомобилей Nissan LEAF могут хранить столько энергии, сколько хватит на час стандартного энергопотребления тысячи домов.

Первыми о подобном использовании электромобилей заявили специалисты Renault: они пообещали создать на португальских островах Мадейра интеллектуальную электрическую экосистему, в которой батареи будут использоваться как стационарные хранилища энергии.
Ультраконденсаторы из Сан-Диего
С 2016 года кампус Калифорнийского университета в Сан-Диего обеспечивается электроэнергией в режиме микроэнергетической системы с пиковой мощностью 42 МВт.

В кампусе проживает 45 тыс. человек — как в небольшом городе. 85% потребления покрывает собственная генерация, включающая парогазовую установку (30 МВт), станцию на топливных элементах (2,8 МВт), солнечную фотоэлектрическую станцию (2,2 МВт).

Система хранения организована из стандартных литий-ионных хранилищ и ультраконденсаторов. Цель проекта — убедиться, что ультраконденсаторы могут обеспечить более экономичную систему хранения энергии и лучшее время отклика, чем батареи.

Как мы уже говорили, в ультра-, или суперконденсаторах заряды разделяются электростатически, а не химически. Это позволяет ультраконденсаторам заряжаться и разряжаться за доли секунды, нормально функционировать в широком температурном диапазоне (от -40 0С до +65 0С), надежно отрабатывать 1 млн циклов зарядки/разрядки и противостоять вибрации. Батарея конденсаторов включается параллельно автомобильному аккумулятору. Параллельная схема значительно увеличивает срок службы аккумулятора, позволяя ему иметь меньшую емкость и, следовательно, меньшие габариты.

До появления ультраконденсаторов эта схема была нереализуема из-за больших размеров конденсаторов. Теперь, если происходит резкое снижение мощности, модули ультраконденсатора поддерживают систему, а когда солнечная энергия возрастает, они заряжаются. Таким образом, ультраконденсаторы выполняют быстрые функции, такие как управление частотой, в то время как батареи используются для сдвига пика потребления и формирования оперативного резерва.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА