Какие надежные способы аккумулировать значительные объемы энергии существуют?

МонокльHi-Tech

Перспективы энергоскладов: как мы будем хранить электричество

Возможности накапливать и распределять энергию ВИЭ отстают от развития способов ее получения. Что же предлагает мировая наука и на что делают ставку в России?

Владимир Веретенников

За первые два года работы на территории ветропарка Хорнсдейл в Австралии система литий-ионных накопителей позволила потребителям сэкономить более 150 млн долларов

Недавний блэкаут на Пиренейском полуострове напомнил миру о большой проблеме — неразвитости технологий накопления энергии. Ученые давно пытаются найти надежные способы аккумулировать значительные объемы, чтобы использовать их позднее, но революции в данной сфере до сих пор не произошло. Многие воспринимают это как тупик зеленой энергетики, где выработка априори не может быть равномерной и постоянной и без хороших накопителей, способных не только хранить энергию, но и быстро забирать ее и отдавать обратно, будет провоцировать сбои в энергосетях. Устойчивость и гибкость ВИЭ зависит именно от накопителей, которые позволяют запасать избыток энергии и использовать его в периоды пикового спроса или низкой генерации.

Между тем в качестве накопителей сегодня в основном применяют разработки конца XIX века. Это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), на которые приходится 99% всей запасаемой энергии в мире. В состав ГАЭС входит комплекс гидрогенераторов и насосов либо обратимые гидрогенераторы. Ночью, в часы провала энергопотребления, эти станции получают из сети дешевую энергию и расходуют ее на перекачку воды в верхний бьеф, а утром и вечером, в периоды пикового спроса, сбрасывают воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая более дорогую энергию. Такая схема считается эффективной: мощность существующих ГАЭС варьируется от 1 до 3000 МВт, КПД составляет 70–85%, а эксплуатационный срок службы превышает 40 лет.

Но сегодня потенциал ГАЭС практически исчерпан: эти сооружения слишком громоздки и могут возводиться только в определенных местах на реках. «В Западной Европе уже почти не осталось створов, мест на реках, где можно было бы поставить ГАЭС. А именно там, где есть возобновляемые источники, эти станции особенно нужны, ведь мы не можем регулировать время выработки ВИЭ», — поясняет Игорь Чаусов, директор аналитического направления АНО «Центр энергетических систем будущего “Энерджинет”».

Помимо ГАЭС, для крупных систем с ВИЭ используются накопители на основе сжатого воздуха. Избыточную энергию они расходуют на питание мощных компрессоров, которые закачивают воздух под давлением в резервуар. Однако для извлечения накопленной энергии из резервуара нужен подвод тепла извне — по факту это газовая турбина. Подобную систему можно реализовать не везде; к тому же, как и в случае с ГАЭС, она плохо масштабируется на малые мощности, а энергетика ВИЭ становится все привлекательнее для частных домохозяйств.

Инновации в этой области уже стали идеей фикс для ученых. Последние 10–15 лет делается огромное количество попыток создать принципиально новые накопители, которые позволили бы без ограничений использовать дешевую и доступную энергию солнца и ветра. Ряд из них уже реализован в «железе», другие только готовятся занять свои рыночные ниши.

Химический подход

Чаще всего в новых проектах применяют электрохимические аккумуляторы. Они работают по тому же принципу, что и батареи в привычных нам устройствах — электромобилях, электроприборах, ноутбуках, мобильных телефонах. Их действие основано на химических реакциях окисления и восстановления, протекающих на электродах: аноде (отвечает за восстановление — получение электронов) и катоде (отвечает за окисление — отдачу электронов). На специализированных заводах выпускаются комплектующие для таких накопителей, а потом из них, как из кирпичиков, собираются очень большие системы, занимающие целые здания и способные накапливать мегаватт- и гигаватт-часы электроэнергии.

Основная ставка делается на доминирующие на рынке литий-ионные аккумуляторы. Крупнейшая в мире установка для ВИЭ с литий-ионными аккумуляторами была построена в 2017 году компаниями Tesla и Neoen на территории ветропарка Хорнсдейл в Австралии — считается, что именно она сыграла решающую роль в стабилизации энергосистемы региона. Комплексы солнечных панелей с литий-ионными накопителями введены в эксплуатацию в четырех штатах США, включая Гавайи, а также в Австралии, Великобритании, ОАЭ и Китае. Число их, вероятно, будет расти.

Однако, как признают ученые, эти накопители далеко не передовой край науки и технологий в области хранения энергии. По словам Игоря Чаусова, у литий-ионных систем есть серьезные недостатки, в частности относительно небольшое количество циклов заряда-разряда, воспламеняемость и высокая токсичность некоторых компонентов, а также сложная и дорогая переработка. Кроме того, батареям данного типа необходима сложная система управления и контроля, регулирующая токи, температуру на отдельных аккумуляторах и, главное, выравнивающая их напряжение в процессе заряда и разряда. Без такой системы вся батарея может начать работать на заряд единственного аккумулятора с минимальным напряжением, следствием чего станут пожар и взрыв.

В последние годы все больше авансов выдают твердотельным литиевым аккумуляторам, которые должны прийти на смену привычным литий-ионным. Это накопители с твердым «телом» электролита, состоящим из полимерных и композитных материалов на основе неорганических оксидов и сульфидов (у каждого разработчика имеются собственные уникальные формулы химического состава смеси). Твердотельный вариант, в отличие от жидкого, сочетается с более широким кругом тоже твердотельных катодных и анодных материалов, позволяющих повысить удельную плотность заряда (плотность накопленной энергии); кроме того, у него нет проблем с образованием литиевых дендритов, вызывающих пробои и короткие замыкания, термически и механически он стабильнее и обладает лучшей ионной проводимостью. В готовых изделиях это конвертируется в более высокие показатели энергоемкости, потенциально большие сроки работы между зарядками, а также в более долгое время службы. Однако подобные устройства все еще доводятся до ума (ими занимаются в Toyota, Volkswagen, Panasonic и других компаниях) и не вышли на стадию освоения рынка. А в прошлом году японская TDK Corporation объявила, что подготовила новый материал для твердотельных аккумуляторов, обеспечивающий плотность энергии 1000 ватт-час на литр — примерно в 100 раз выше, чем у прочих моделей твердотельных батарей.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Легенды Имандры Легенды Имандры

Что же влечет туристов в место, расположенное среди каменистой тундры и гор

Отдых в России
Польский узел Польский узел

В 1980 году ситуация в Польше складывалась непростая...

Дилетант
Создавать свои тренды в производстве филамента Создавать свои тренды в производстве филамента

Как отец и сын Конаковы задают тренды в нише 3D-печати и производства филамента

Монокль
Токари без кодеров Токари без кодеров

Каких айтишников не хватает промышленности России?

Ведомости
Переславская флотилия Переславская флотилия

Переславль-Залесский: город на Золотом кольце, где хочется остановиться

Отдых в России
Михаил Бахтин Михаил Бахтин

Зачем Бахтин понадобился Андропову и почему он так известен в Европе и Штатах?

Дилетант
Денис Попов: «Наша миссия – создавать инновационное программное обеспечение для авиации» Денис Попов: «Наша миссия – создавать инновационное программное обеспечение для авиации»

О будущем авиатеха и перспективных разработках для авиационной отрасли

Ведомости
Жизнь за стеной Жизнь за стеной

Фильм про страну, в которой тотальный контроль стал религией

Дилетант
Ламздорфы Ламздорфы

Род Ламздорфов по праву могут считать своим и Россия, и Германия

Дилетант
Екатерина Глухарева: «Банки видят уязвимости бизнеса и помогают их исправлять» Екатерина Глухарева: «Банки видят уязвимости бизнеса и помогают их исправлять»

Директор по рискам «Точка банк» — о видах атак мошенников на малый бизнес

Ведомости
Письмо гонителю генетики Письмо гонителю генетики

Это письмо можно считать одним из живых документов «оттепели»

Дилетант
Борьба с прогулами Борьба с прогулами

Антикоррупционные инициативы Андропова советские граждане встретили на «ура»

Дилетант
Хитовая история Хитовая история

Факты о песнях, которые в свое время возглавляли всевозможные чарты

ЖАРА Magazine
Попасть в настоящее кино Попасть в настоящее кино

Новый кинопарк «Москино» — центр съемок и место притяжения туристов

Отдых в России
Земля Султана Земля Султана

Путешествие с певцом Султаном Лагучевым по его родине — Карачаево-Черкесии

ЖАРА Magazine
Перелет–2023 «Байкальская кругосветка» Перелет–2023 «Байкальская кругосветка»

«Байкальская кругосветка» – воздушное путешествие вокруг знаменитого озера

Наука и техника
Ну и дела… Ну и дела…

Считается, что нашумевшее в свое время «рыбное дело» началось с казуса...

Дилетант
Испанские авианосцы на мировом рынке Испанские авианосцы на мировом рынке

Что помогло определиться с основными требованиями к универсальному авианосцу

Наука и техника
Как побороть тягу к еде: новое мнение ученых Как побороть тягу к еде: новое мнение ученых

Секрет победы над куском торта может заключаться в следующем… съесть этот кусок!

ТехИнсайдер
Красиво «замедлиться» Красиво «замедлиться»

Аскетичный и медитативный интерьер для отдыха с архитектурными решениями

SALON-Interior
Спаржа Спаржа

Спаржа: простой способ добавить больше пользы в рацион

Здоровье
Здравоохранение США отказалось от синтетических красителей, вот что они предлагают взамен Здравоохранение США отказалось от синтетических красителей, вот что они предлагают взамен

Три новые натуральные пищевые добавки, расширяющие выбор безопасных красителей

Inc.
Мифы и научные данные о животных-долгожителях Мифы и научные данные о животных-долгожителях

От чего зависит скорость старения у разных животных?

Наука и техника
Естественно искусственный Естественно искусственный

Какую роль играет ИИ в коллективных инвестициях в мире и в России

Деньги
Коты любят молоко, но им его нельзя. Почему? Коты любят молоко, но им его нельзя. Почему?

Почему кошкам вообще не следует пить молоко?

ТехИнсайдер
Нерусская водка: какие бренды популярнее всего за рубежом Нерусская водка: какие бренды популярнее всего за рубежом

О самых популярных брендах иностранной «беленькой»

Maxim
Персона Персона

Юрий Кузнецов — о любви к уральским изумрудам и стилю ар-деко

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Киловатты комфорта Киловатты комфорта

AVATR 11: электромощность, переведённая в комфорт

Y Magazine
Билайн: Дорога в облака Билайн: Дорога в облака

Как «Билайн» развивает новую IT-платформу и модернизирует инфраструктуру

РБК
Откуда берутся деньги Откуда берутся деньги

Как доллар превратился в глобальное оружие

Деньги
Открыть в приложении