Различные варианты хранения энергии
Аккумулятор TROJAN T105
Накопление энергии необходимо для обеспечения стабильности энергосистемы по мере роста спроса на непостоянные возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия. Набирают популярность различные варианты, соответствующие международным стандартам.
Система AirBattery мощностью 250 кВт/1 МВт·ч, созданная компанией Augwind
Сейчас безопасность энергоснабжения является одной из самых насущных проблем для всех стран. Но даже до начала войны в Иране ситуация обострялась по мере того, как все больше стран переходили с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.
Нефть, природный газ и уголь могут быть исчерпаемыми ресурсами, но их можно хранить в естественном состоянии, в то время как энергия, вырабатываемая солнечными и ветровыми электростанциями, неисчерпаема, но для поддержания баланса между спросом и предложением в энергосистеме требуются накопители энергии большой мощности (long duration energy storage, LDES) из-за их непостоянства.
Мир возобновляемых источников энергии
Ожидается, что доля возобновляемых источников энергии в мировом производстве электроэнергии увеличится с 32% в 2024 году до 43% к 2030 году, в то время как доля источников переменной возобновляемой энергии (VRE) почти удвоится, достигнув 28%, по данным Международного энергетического агентства (МЭА). В то же время мировой спрос на электроэнергию будет расти как минимум в 2,5 раза быстрее, чем общие потребности в энергии, вплоть до 2030 года, когда возобновляемые источники энергии и атомная энергетика будут вырабатывать половину всего объема электроэнергии.
МЭА отмечает, что перегруженность энергосетей является «критическим узким местом» во многих регионах, «замедляющим внедрение новых технологий производства, хранения и потребления электроэнергии». Организация также подчеркивает, что для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию к 2030 году ежегодные инвестиции в энергосети должны увеличиться на 50%, при этом приоритетом должно стать хранение «все более зависящих от погодных условий источников энергии».
Какие существуют решения для хранения данных?
Уже используются две основные технологии хранения энергии. Гидроаккумулирующие электростанции и аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) рассматриваются инвесторами как важнейшие низкоуглеродные системы, дополняющие возобновляемые источники энергии.
При использовании гидроаккумулирующих электростанций вода перекачивается вверх по склону, когда энергия дешевая, и сбрасывается для приведения в движение турбин и выработки электроэнергии, когда энергия дорогая. На сегодняшний день это единственная технология, способная накапливать гигаватты (ГВт), не говоря уже о тераваттах (ТВт) в час. Многие страны решили либо модернизировать и реинвестировать существующие системы, как, например, в Уэльсе, либо реализовать совершенно новые проекты. Предполагаемый проект в Шотландии увеличит более чем в два раза существующие в Великобритании мощности по хранению электроэнергии и, если его одобрят, станет первым крупномасштабным проектом по строительству гидроаккумулирующих электростанций в стране за более чем 40 лет.
Однако традиционная гидроаккумулирующая электростанция не подходит для стран, где нет горных массивов или крупных водохранилищ. (Подробнее о недостатках крупных гидроэлектростанций читайте в статье «Потенциал малой гидроэнергетики» | IEC e-tech) В таких случаях предпочтительным вариантом хранения энергии являются литий-ионные аккумуляторы. Но у них тоже есть недостатки. Традиционные литий-ионные аккумуляторы ограничены по емкости (обычно 4–6 часов) и сроку службы из-за постоянных циклов зарядки и разрядки.
«Аккумуляторы значительно усовершенствовались, но их сложно масштабировать до уровня, необходимого для национальных энергосистем, — говорит Тони Сэмпл, председатель технического комитета IEC TC 82, который разрабатывает стандарты для солнечных фотоэлектрических (ФЭ) систем. — Необходимы решения для долгосрочного хранения энергии, например водородные, особенно для таких отраслей, как авиация, где электрификация нецелесообразна».
Литий-ионные аккумуляторы, широко используемые во многих сферах, имеют и другие недостатки, в том числе зависимость от критически важных минералов и риск теплового разгона. Поэтому поиск новых или усовершенствованных литий-железо-фосфатных аккумуляторов ведется активно. Каждый подход имеет свои недостатки с точки зрения стоимости, эффективности и масштабируемости.
По словам Кристиана Носе, председателя технического комитета IEC TC 120, который разрабатывает стандарты для систем накопления электрической энергии (СНЕЭ), «система СНЕЭ представляет собой очень сложную структуру, состоящую из множества подсистем и компонентов. Поэтому технический комитет IEC TC 120 использует подход на системном уровне, чтобы создать общую структуру для систем СНЕЭ, подключенных к сети, которая сделает проектирование, эксплуатацию и обеспечение безопасности более последовательными и эффективными».
Плюсы и минусы проточных аккумуляторов
Проточные аккумуляторы — это разновидность перезаряжаемых аккумуляторов, в которых для хранения энергии используются два разных химических раствора (электролита). Эти электролиты хранятся во внешних резервуарах. Технология масштабируема: емкость аккумулятора можно увеличить, увеличив размер резервуаров. Кроме того, она безопаснее литий-ионных аккумуляторов и не подвержена риску взрыва.
Мировой рынок этой технологии, объем которого в 2026 году оценивался в 1,22 миллиарда долларов США, по прогнозам к 2034 году достигнет 2,88 миллиарда долларов США. Современные коммерческие проточные аккумуляторы основаны на химических соединениях с ванадием и цинком. В будущем планируется реализовать коммерческие проекты в Швеции, а в Лауфенбурге, Германия, ведется строительство крупнейшего в Европе проточного аккумулятора емкостью более 1,6 ГВт·ч и мощностью более 800 МВт.
В Нидерландах был разработан новый тип проточных аккумуляторов, в которых используется раствор соленой воды, образующий при зарядке кислотную и щелочную жидкости, которые затем хранятся в отдельных резервуарах. Утверждается, что срок службы одного аккумулятора Aquabattery составляет 20 лет, а запас энергии — до 100 часов. Однако технология проточных аккумуляторов требует больших первоначальных вложений в резервуары и электролиты и обеспечивает низкую плотность энергии по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. (Подробнее о преимуществах и недостатках проточных окислительно-восстановительных батарей читайте в статье: «По течению: окислительно-восстановительные батареи для масштабного накопления энергии» | IEC e-tech).
Является ли хранение энергии сжатого воздуха перспективным направлением?
Несмотря на то, что технология аккумулирования энергии сжатого воздуха в настоящее время используется только на двух объектах по всему миру, в разработке находится множество проектов, в том числе в Германии, Аризоне и Южной Австралии, а также в Великобритании.
CAES работает за счет сжатия окружающего воздуха и его хранения под давлением под землей с использованием избыточной или непиковой электроэнергии. В периоды пиковой нагрузки воздух нагревается и расширяется. Это, в свою очередь, приводит в движение турбину, вырабатывающую электроэнергию, которую можно подавать в сеть. Системы CAES могут накапливать и вырабатывать электроэнергию в среднем от 8 до 12 часов. Существуют такие варианты, как усовершенствованная система CAES и система CAES с жидким теплоносителем. Однако, согласно этой статье в ScienceDirect, более широкому внедрению этой технологии препятствуют несколько факторов — от высоких капитальных затрат и ограничений, связанных с конкретными объектами, до особенностей нормативно-правового регулирования.
Накопление тепловой энергии используется недостаточно
Технологии аккумулирования тепловой энергии внедряются в коммерческую практику, в том числе на электростанции в Сьюдад-Реале в Испании. На строящейся электростанции будет использоваться замкнутая система с расплавленными солями и паром. Соль передает тепло воде, в результате чего образуется перегретый пар, который затем проходит через паровую турбину для выработки электроэнергии по требованию. Разработчик утверждает, что это позволит хранить энергию в течение от 8 часов до 8 дней и что решение можно масштабировать до крупных установок мощностью 300 МВт и более. Еще одно утверждение заключается в том, что срок службы системы составляет от 25 до 35 лет без признаков деградации.
Накопление тепловой энергии также является одним из главных преимуществ систем концентрированной солнечной энергии (КСЭ). Эти установки накапливают избыточную тепловую энергию, полученную в течение дня (подробнее о потенциале КСЭ для хранения энергии читайте в статье Концентрированная солнечная энергия для дешевого хранения энергии | IEC e-tech).
Солнечная электростанция «Нур» на юге Марокко, которая претендует на звание крупнейшего в мире объекта концентрированной солнечной энергетики, имеет генерирующую мощность более 580 МВт — этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией более 1,1 миллиона марокканцев даже после захода солнца. Одним из недостатков хранения тепловой энергии в системах концентрированной солнечной энергетики является высокая первоначальная стоимость строительства. Строительство и обслуживание полей с концентраторами солнечной энергии в суровых, зачастую пустынных условиях зачастую обходится дороже, чем использование других видов возобновляемой энергии, таких как солнечная фотоэлектрическая энергия и энергия ветра. Несмотря на это, по мнению исследователей, рынок CSP переживает бурный рост и увеличивается на 8,3% в год, достигнув к 2034 году 5,4 миллиарда долларов США.
Одним из вариантов становится водород
Возобновляемую энергию также можно преобразовывать в водород для более длительного хранения с помощью электролиза. Преимущество водорода в том, что его можно использовать как самостоятельное топливо, например для авиации и судоходства, или преобразовывать обратно в электричество. По мнению исследователей из Института Фраунгофера, водород можно хранить и транспортировать в виде жидкого аммиака, что делает его особенно удобным для перевозки на большие расстояния.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, водород может храниться в больших количествах в течение длительного времени без значительных потерь энергии. Кроме того, так называемый «зеленый» или низкоуглеродный водород, получаемый с помощью возобновляемых источников энергии путем электролиза, представляет собой «особенно перспективный» вариант, поскольку способствует как декарбонизации, так и энергетической безопасности. Однако стоимость электролиза и отсутствие необходимой инфраструктуры остаются проблемой. (Подробнее о низкоуглеродном водороде читайте в статье Как водород может способствовать декарбонизации промышленности? | IEC e-tech)
Стандарты, не зависящие от технологий и ориентированные на будущее
Несмотря на то, что на момент начала работы комитета IEC TC 120 в 2012 году аккумуляторные накопители энергии были наиболее проработанной с коммерческой точки зрения технологией, комитет целенаправленно разрабатывал стандарты системного уровня, которые могли бы применяться с любыми технологиями хранения энергии, включая гидроаккумулирующие электростанции, проточные аккумуляторы и другие. Он разрабатывает стандарты в пяти ключевых областях: терминология (опубликована как IEC 62933‑1); параметры устройств и методы испытаний (IEC 62933‑2); планирование и установка (IEC 62933‑3); экологические аспекты (IEC 62933‑4) и безопасность (IEC 62933‑5).
«Важно понимать, что эффективность системы хранения данных зависит не только от конкретной технологии, но и от архитектуры системы, — объясняет Ноче. — Литий-ионный аккумулятор в телефоне или автомобиле может прослужить несколько сотен циклов, прежде чем пользователь заменит устройство. В системе хранения данных, подключенной к сети, тот же аккумулятор должен прослужить несколько тысяч циклов. Контекст системы меняет все».
Специальные международные стандарты для проточных батарей разрабатываются техническим комитетом IEC TC 21, который занимается стандартами для вторичных элементов и батарей. Серия IEC 62932 определяет характеристики проточных батарей для стационарного использования и тестирования электролитов для ванадиевых проточных батарей.
TC также разрабатывает стандарты безопасности и эффективности литиевых элементов, а также возможности повторного использования, например, литий-ионных аккумуляторов, изначально предназначенных для электромобилей, в системах накопления энергии. В 2024 году организация опубликовала IEC 63330-1, в котором изложены общие требования к повторному использованию вторичных элементов, модулей, аккумуляторных блоков и аккумуляторных систем, изначально предназначенных для других целей, например для электромобилей.
Тестирование и сертификация играют важную роль в обеспечении безопасности и эффективности аккумуляторов. Одна из четырех систем оценки соответствия Международной электротехнической комиссии, IECEE (Система оценки соответствия Международной электротехнической комиссии для электротехнического оборудования и компонентов) , предлагает широкий спектр услуг по сертификации, которые включают в себя оценку безопасности аккумуляторов, их эксплуатационных характеристик, безопасности при установке в конечные продукты, энергоэффективности, электромагнитной совместимости и содержания опасных веществ.
Инновации в области хранения энергии развиваются стремительно, и Международная электротехническая комиссия каждый день получает предложения по стандартизации новых видов накопителей. Носе говорит: «Если стандарты разрабатываются с привязкой к современным технологиям, они становятся препятствием для технологий будущего. Задача состоит в том, чтобы оставаться независимыми от технологий. Это крайне важно, если мы не хотим создавать препятствия для будущих инноваций».
Таким образом, Международная электротехническая комиссия выглядит компетентной и готовой к выполнению будущих требований в этом инновационном секторе