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

Без пчел Без пчел

Дроны уже готовятся заменить летающих созданий в садах и на плантациях

ТехИнсайдер
Как нейросети помогают (или мешают) искать работу: мнение экспертов Как нейросети помогают (или мешают) искать работу: мнение экспертов

Какие риски могут возникнуть при собеседовании с ИИ?

ТехИнсайдер
Что произошло с Сибирью? Что произошло с Сибирью?

Почему осмыслить место Сибири в истории России непросто?

Дилетант
ИИ на страже безопасности: смогут ли нейросети бороться с хакерами ИИ на страже безопасности: смогут ли нейросети бороться с хакерами

Кто победит в этой схватке алгоритмов — защитники или взломщики?

ТехИнсайдер
Архитектор — это сценарист жизни Архитектор — это сценарист жизни

Можно ли совместить агрессивную урбанизацию с комфортом городской среды?

Монокль
Группы, в которых не менялся состав. Никогда Группы, в которых не менялся состав. Никогда

Группы, в которых состав отличается своей стабильностью

Maxim
Гибридный интеллект Гибридный интеллект

Как ИИ меняет социологию и сближает количественный и качественный подход

Ведомости
От Цезаря до эльфа Добби: что такое иллеизм и зачем говорить о себе в третьем лице От Цезаря до эльфа Добби: что такое иллеизм и зачем говорить о себе в третьем лице

Почему люди говорят о себе в третьем лице и как это помогает решать конфликты?

Forbes
«Кузнец – это в первую очередь инженер» «Кузнец – это в первую очередь инженер»

Как ученые исследуют магнитное поле Земли? Влияют ли на нас магнитные бури?

Знание – сила
Как стать лучшим мужчиной в постели девушки: секс-эксперт Трейси Кокс поделилась секретами Как стать лучшим мужчиной в постели девушки: секс-эксперт Трейси Кокс поделилась секретами

Что служит причиной неудовлетворенности женщины и как это исправить

Maxim
Любовь к животным и санкции Любовь к животным и санкции

Почему рынок кормов — перспективное направление для инвестиций

Агроинвестор
ВТБ поймал волну ВТБ поймал волну

Как проходит пилотный этап

Ведомости
Павел Попов: «Самое главное в творчестве – уйти от эгоизма» Павел Попов: «Самое главное в творчестве – уйти от эгоизма»

Павел Попов: как его изменила новая роль и что дает артисту работа в кино

Ведомости
Борьба с прогулами Борьба с прогулами

Антикоррупционные инициативы Андропова советские граждане встретили на «ура»

Дилетант
Оксана Драпкина: «Требования к талии ужесточаются» Оксана Драпкина: «Требования к талии ужесточаются»

О том, почему мужчины страдают ожирением чаще рассказала Оксана Драпкина

Ведомости
Золото Владивостока Золото Владивостока

Владивосток: город, где каждая сопка — готовый кадр для открытки

Отдых в России
Окислительное присоединение на палладии прошло по радикальному механизму Окислительное присоединение на палладии прошло по радикальному механизму

Представление о реакции окислительного присоединения на палладии было неполным

N+1
Время биться Время биться

Как прошел один из съемочных дней фильма про «Руссо-Балт»

Автопилот
Мультипекарь, сендвичница, электрогриль — чем они отличаются? Мультипекарь, сендвичница, электрогриль — чем они отличаются?

Какой гаджет выбрать, если хочется бутерброд с сыром, омлет или сэндвич?

CHIP
Советский Дэн Сяопин? Советский Дэн Сяопин?

Именно Андропов смог нарисовать траекторию экономических реформ. Так ли это?

Дилетант
Беспокойное хозяйство Беспокойное хозяйство

От чего стоит застраховать загородный дом

Деньги
Раскрыть потенциал мозга Раскрыть потенциал мозга

Как научиться слышать наш мозг и развить навыки с приставкой «супер»

Psychologies
Драгоценная наука: кто и зачем выращивает в лабораториях бриллианты Драгоценная наука: кто и зачем выращивает в лабораториях бриллианты

В чем заключается уникальность лабораторных бриллиантов?

Forbes
Летчик, моряк, трудоголик и муж. Жизнь принца Филиппа — в фактах и фотографиях Летчик, моряк, трудоголик и муж. Жизнь принца Филиппа — в фактах и фотографиях

История жизни одного из самых трудолюбивых членов британской монаршей семьи

Правила жизни
Мой первый Мой первый

Рано или поздно это произойдет: повзрослевший ребенок откроет мир любви

Psychologies
Типы старения лица и кожи: какие бывают и как их определить Типы старения лица и кожи: какие бывают и как их определить

Какие типы старения лица и организма существуют?

РБК
Интервальное голодание: почему нет эффекта Интервальное голодание: почему нет эффекта

Почему интервальное голодание может не сработать и как избежать ошибок

Лиза
Прямо из подворотни Прямо из подворотни

Что мода позаимствовала у опасных субкультур?

Правила жизни
В состоянии равновесия В состоянии равновесия

Анна Снаткина о мужском и женском и об энергиях в пространстве

OK!
Давай, до свидания! Давай, до свидания!

Как действовать на даче ближе к зиме?

КАНТРИ Русская азбука
Открыть в приложении