Возобновляемые источники энергии требуют эффективных систем аккумулирования

Александр Просвирнов

В феврале 2007 года в журнале «Атомная стратегия» была опубликована статья «Новая жизнь центрифуги или аккумулирование энергии»[1]. По прошествии 14 лет интересно проследить тенденции развития систем аккумулирования энергии в свете бурного развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Вопреки пессимистическим прогнозам наших читателей и комментаторов [2] ВИЭ продолжает отвоевывать рынок у традиционных источников энергии, в основном у угля.

 

«Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) вышли в лидеры благодаря продолжающемуся быстрому росту ветряной и солнечной энергетики, увеличивших в 2020 году генерацию, несмотря на экономический кризис, соответственно на 9% и 15%. Вместе они обеспечили в прошлом году 19% (почти пятую часть!) всего электричества в ЕС: доля ветра составила 14%, солнца - 5%. Объемы производства в гидроэнергетике остались неизменными, развитие биоэнергетики застопорилось. В Германии доля ВИЭ в прошлом году впервые превысила 50%. Одновременно продолжилось стремительное сокращение производства электроэнергии на угольных электростанциях. За один только 2020 год оно упало на 20%, а по сравнению с 2015 годом снизилось наполовину. В результате доля каменного и бурого угля в генерации электроэнергии в ЕС уменьшилась до 13%.» (https://www.dw.com/ru/vije-teper-glavnyj-istochnik-jelektrichestva-v-es/a-56339064)

«В 2019 году в мире на проекты ВИЭ пришлось почти 75% всех новых запущенных в эксплуатацию объектов генерации. При этом 90% из них - это солнечные и ветровые электростанции.» https://trends.rbc.ru/trends/green/60a277e49a79476c79b1d91b

По данным Bloomberg New Energy Finance (BNEF), в 2020 году глобальные установки солнечных батарей росли очень высокими темпами - + 21%, несмотря на пандемию. Более того, согласно прогнозам BNEF, ожидается, что в 2021 году глобальный рост солнечной энергии будет еще более значительным, с ростом на 29%.

В настоящее время рост солнечной энергии наблюдается в Китае, США, Европе и многих других странах мира. Согласно прогнозам BNEF, количество солнечных установок в Китае в 2021 году вырастет на + 34%, в США - на + 12%, а в ЕС - на + 19%. Ожидается, что в 2021 году количество солнечных установок в Индии вырастет на + 183% после восстановления после спада 2020 года на -63%.

На солнечную энергию будет приходиться 28% всех добавленных мощностей по электроэнергии, и, согласно прогнозу BNEF New Energy Outlook 2020, расходы на солнечную энергию до 2040 года составят 3,4 триллиона долларов и в размере 4,2 триллиона долларов до 2050 года. BNEF прогнозирует, что к 2050 году солнечные фотоэлектрические системы будут составлять 38% мировых электрических мощностей, что резко выше уровня 2019 года в 11%. https://macsolarindex.com/solar-stocks-remain-generally-strong-on-long-term-growth-prospects-and-renewed-policy-support-u-s-solar-is-seeing-blockbuster-growth/

Производитель энергии от солнечного источника Solar - крупный работодатель с 3,4 миллионами рабочих мест по всему миру (IRENA). Solar обеспечивает около 250 000 рабочих мест в США, что превышает совокупное количество рабочих мест в угольной и нефтегазодобывающей отраслях США. https://macsolarindex.com/

Нормированная стоимость электроэнергии Solar упала на 83% с 2010 года (Lazard) и снизится еще на 71% к 2050 году (BNEF), что сделает ее самым дешевым источником электроэнергии. Солнечная энергия уже достигла паритета энергосистемы во многих регионах мира, где ее низкая стоимость сейчас конкурирует как с угольной, так и ядерной энергией. https://macsolarindex.com/

Госкорпорация «Росатом» вышла на рынок ветроэнергетики в 2016 году. Дивизион Росатома, компания «НоваВинд» была основана в сентябре 2017 года с уставным капиталом 1,101 млрд рублей и объединила все ветроэнергетические активы Росатома. «НоваВинд» создала в 2017 году с голландским технологическим партнёром - компанией Lagerwey (100 % акций принадлежит немецкой компании Enercon) совместное предприятие Red Wind, которая отвечает за управление цепочкой поставщиков комплектующих, поставки ветроустановок «под ключ». В феврале 2019 года Минпромторг РФ и АО «НоваВинд» подписали специальный инвестиционный контракт по реализации инвестпроекта по созданию в Волгодонске на базе «Атоммаша» промышленного производства «Сборочное производство компонентов ВЭУ в рамках реализации проекта «Строительство ВЭС 610 МВт и завода ВЭУ». С начала проекта произведено 540 МВт ветроэнергетических мощностей.

Первая в Росатоме Адыгейская ВЭС состоит из 60 ветроэнергетических установок мощностью 2,5 МВт каждая, установленная мощность ветропарка - 150 МВт начала поставлять электроэнергию и мощность на ОРЭМ (оптовый рынок электроэнергии и мощности) в марте 2020 года. Степень локализации оборудования объекта составила 65%.

С 1 января 2021 года запущена Кочубеевская ВЭС в Ставропольском крае (84 ветроустановок мощностью 2,5 МВт каждая, суммарно – 210 МВт).

В апреле 2021 года запущена в эксплуатацию Кармалиновская ВЭС (60 МВт) в Ставропольском крае. Степень локализации оборудования объекта составила 68%.

До конца 2021 года Росатом планирует ввести в эксплуатацию ветропарки общей мощностью 300 МВтэ. https://rosatom.ru/production/vetroenergetika/ С такими темпами скоро доля ВИЭ в Росатоме превысит ядерную генерацию аналогично мировым тенденциям.

Общая установленная мощность ВЭС в нашей стране составляет более 1 ГВт, причем за прошедший 2020 год ввели в эксплуатацию ряд новых ветроэнергетических установок общей мощностью 700 МВт. https://trends.rbc.ru/trends/green/60a277e49a79476c79b1d91b

В РФ по сравнению с 2015 годом объекты, функционирующие на основе использования ВИЭ, в 2019 году стали строиться в девять раз чаще. В 2018 году на возобновляемые источники энергии приходилось всего 7,6% введенного нового генерирующего оборудования, но по итогам 2019 их доля выросла почти в четыре раза — до 29,1%.

Большая часть построенных в 2019 году объектов ВИЭ пришлась на солнечные электростанции (57%, в 2017 году — 29%). Вторую строчку заняли ГЭС (38%, в 2017 году — 64%), а третью ВЭС (5%, в 2017 году — 7%).

Инвестиционное подразделение Ingka Group (материнской компании IKEA) заявило о крупнейшей сделке стоимостью ₽21 млрд, в результате которой компания приобрела 49% акций в восьми солнечных фотоэлектрических парках в разных регионах России для обеспечения электричеством всех 17 магазинов IKEA в России, а также нескольких ТРЦ Мега. Во многих регионах РФ стоимость солнечной энергии уже ниже стоимости энергии из сети, а сроки окупаемости солнечных электростанций (СЭС) для предприятий снизились до пяти лет. https://trends.rbc.ru/trends/green/60a277e49a79476c79b1d91b

В марте 2021 года в России заработал закон о микрогенерации, благодаря которому у компаний и частных лиц появилась возможность продавать энергию во внешнюю сеть с ограничением 15 кВт. Поставка излишков электроэнергии в сеть позволит частным домохозяйствам быстрее окупать капитальные затраты на солнечные панели. https://trends.rbc.ru/trends/green/60a277e49a79476c79b1d91b

Вторым стимулирующим фактором развития аккумулирующих систем является тенденция перехода на электромобили, к которой также наши читатели и комментаторы относились с известной долей пессимизма [3].

«С 2027 года все новые модели концерна Audi будут электромобилями, а к 2033 году будет полностью свёрнуто производство традиционных автомобилей. Ожидается, что уже к 2025 году в линейке Audi будет более 20 моделей электромобилей. Шведская Volvo намерена перейти на электромобили к 2030 году, американский концерн General Motors - c 2035 года, Mercedes-Benz Daimler - к 2039 году, концерн Volkswagen - с 2040 года.» https://rusvesna.su/news/1624462239

Toyota рассчитывает в 2030 году продать свыше 1 млн электромобилей, часть на водородном топливе. https://strana-rosatom.ru/2020/05/12/vodorod-dlya-polyarnikov/

Прогноз Bloomberg - к 2040 году продажи электромобилей составит более 50% в совокупном объеме реализации легковых автомобилей и превысят продажи автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.

Канада запрещает продажу автомобилей с двигателем внутреннего сгорания с 2035 года, власти американского штата Вашингтон - с 2030 года, правительство Японии - с середины 2030-х годов. Ограничить или запретить продажи машин с ДВС собираются в Норвегии, Германии и штате Калифорния, а с 2040 года традиционных моторов лишатся все новые грузовики, продаваемые в Европе. https://motor.ru/news/no-ice-singapore-04-03-2021.htm

Можно игнорировать высказывания и прогнозы отдельных специалистов, но когда в этом ключе высказываются руководители автомобильных монстров, которые, по сути, решают судьбу всей автомобильной промышленности мира, не верить им невозможно. Это должно радовать всех работников атомной промышленности, так как означает рост потребности в электроэнергии и перспективу ее развития, если ВИЭ или другие более рентабельные источники энергии не задавят остатки атомной энергетики.

Понятно, что рост производства электроэнергии на ВИЭ потребовал кардинального пересмотра темпов разработки и использования систем аккумулирования энергии.

«Системы накопления энергии (СНЭ) – чрезвычайно перспективный, обладающий колоссальным потенциалом роста сектор не только электроэнергетики, но и мировой экономики в целом. Его стремительное развитие обусловлено распространением вариабельных (ветер, солнце) возобновляемых источников энергии, эволюцией и падением стоимости технологий и оборудования. По прогнозу BloombergNEF, опубликованному в августе 2019 года, глобальная установленная мощность накопителей энергии вырастет к 2040 году в 122 раза! К этому сроку она взлетит до 1095 ГВт, а суммарная ёмкость накопителей, без учёта ГАЭС, достигнет 2850 ГВт*ч.» [5]

В статье [1] указывалось на перспективность разработки и производства аккумулирующих устройств на базе супермаховиков, которые в России разрабатывал и пропагандировал Нурбей Гулиа. Подчеркивалось также, что атомная отрасль имеет крупный задел НИОКР в области разработки и производства центрифуг для обогащения урана, который можно было бы использовать для разработки супермаховиков. 14 лет назад супермаховиками занималась единственная фирма в США Beacon Power.

Сегодня «Beacon Power управляет тремя электростанциями с маховиками, которые предоставляют услуги регулирования частоты на трех разных рынках США. Сегодня в коммерческой эксплуатации находится более 400 маховиков, участвующих в стабилизации частоты сети. Наработка маховика превышает 7 миллионов часов. На рынке NYISO установка в Стефентауне составляет примерно 10% емкости регулируемого рынка, но обеспечивает более 30% коррекции с точностью более 95%. Первая коммерческая эксплуатация началась в январе 2011 года, а полная мощность была достигнута в июне 2011 года. https://beaconpower.com/operating-plants/

В Нидерландах введена в эксплуатацию инновационная гибридная система накопления энергии, состоящая из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей (маховиков) от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи мощностью 8,8 МВт и ёмкостью 7,12 МВт*ч работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт для поддержки стабилизации частоты в энергосистеме. KINEXT обладает массой 5000 кг и раскручивается до скорости 950 км/ч. Эффективность устройства достигает 92%. Скорость отклика менее 20 миллисекунд.

Голландия, которая несколько последних десятилетий опиралась на природный газ, быстро наращивает мощности ВИЭ. Например, солнечная энергетика страны выросла по итогам 2019 г до 7 ГВт, а офшорные ветровые электростанции к 2030 году будут вырабатывать 40% электроэнергии. [5]

Для быстрой зарядки электромобилей израильская компания CHAKRATEC. разработала систему накопления энергии с помощью маховиков (см. Рис. 1) и начала развертывать в Европе и США.

Французский поставщик решений для зарядки DBT-CEV планирует использовать технологию Chakratec для утроения мощности, доступной в сети для зарядки электромобилей. [5]

Рис. 1 Маховик израильской компании CHAKRATEC [5]

В России и Эстонии работает компания KEST, разрабатывающая инновационные экологически чистые технологии хранения энергии с высокой мощностью и длительным сроком службы для промышленного применения. Главным научным сотрудником работает Нурбей Гулия, создатель и новатор технологии хранения энергии в супермаховиках. Компанией KEST произведено три поколения прототипов, на которых были проведены все необходимые испытания работоспособности, эффективности и безопасности. Ведется поиск инвестиционных партнеров для запуска серийного производства модельного ряда накопителей кинетической энергии. https://www.kest.energy/tech

Как всегда, в России все упирается в отсутствие финансирования, и разработки Нурбея Гулиа пока остаются в прототипах, в то время, как конкуренты из западных стран производят эти установки уже серийно.

На сегодняшний день самая распространенная система аккумулирования энергии базируется на литий-ионных батареях. На этот вид батарей, как наиболее емких на единицу веса, сделал в свое время ставку Илон Маск [4] в своих электромобилях Тесла и развил далее технологию создания гигафабрик систем хранения энергии и солнечных панелей.

Расположенный в Неваде завод Gigafactory 1 уже стал мировым лидером по производству аккумуляторных батарей. Гигафабрика 2 в г. New York - завод по производству фотоэлектрических элементов, построен в 2016—2017 годах и обеспечивает объём производства 10 000 солнечных панелей в день, что эквивалентно одному гигаватту в год. (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%84%D0%B0%D0%B1%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B0_2)

Гигафабрика 3 Tesla строится рекордными темпами в Китае.

Строится 4 Гигафабрика под Берлином (см. Рис. 2). Tesla Model Y "Made in Germany" сойдет с конвейера в 2021 году. Предполагается, что собственные нужды будут запитываться от солнечных панелей, расположенных на крыше комплекса.

Рис 2 Четвертая по счету Гигафабрика в немецком Грюнхайде (https://ecotechnica.com.ua/tag/gigafabrika-tesla.html)

По данным Bloomberg NEF, на начало 2019 года Китай производил 73% литий-ионных аккумуляторов в мире, а США находились на втором месте — 12%.

В ближайшие 22 года аккумуляторные системы хранения энергии привлекут не меньше $1,2 трлн инвестиций. [5] По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, к 2040 году мощность аккумулирующих систем в мире увеличится в 120 раз, а совокупный спрос на аккумуляторы достигнет отметки 4584 ГВтч по емкости. Так, за последние 10 лет самые популярные батареи - литий-ионные - уже подешевели более чем в 4 раза (см. Рис. 3) , ванадий проточные батареи - более чем в три раза за этот же период. https://getmarket.com.ua/ru/news/akkumulirovanie-energii-pochemu-eto-nuzhno-i-kak-privlech-investora

Рис. 3 Падение стоимости литий-ионных батарей [5]

Германия

Компания Volkswagen в настоящее время рассматривает возможность инвестировать $ 11 млрд в строительство специализированного аккумуляторного завода в Зальцгиттер. Ожидается, что новая фабрика будет поставлять батареи для будущих электромобилей компании. https://ecotechnica.com.ua/tag/gigafabrika-tesla.html

Согласно анализу EuPD Research, в 2019 году в Германии было установлено около 65000 домашних систем накопления энергии, на 20 тысяч больше, чем годом ранее (90 процентов всех новых частных фотоэлектрических систем в настоящее время устанавливаются вместе с домашней системой хранения энергии). За прошедшие два года их число в стране удвоилось и достигло 206 тысяч. Аналитики видят основные причины значительного увеличения спроса на хранение энергии в быстром росте домашних солнечных электростанций, в частности в сегменте от 3 до 10 киловатт мощности. Другими факторами повышенного интереса к системам накопления энергии явились рост цен на электроэнергию для частных домохозяйств и рост количества электромобилей. [5]

Немецкая компания Upside Group ввела в эксплуатацию в Саксонии большую систему накопления энергии для оказания услуг первичного регулирования, одну из самых крупных в Европе. Свинцово-углеродный накопитель имеет мощность 16,4 мегаватт и ёмкость 25 мегаватт-часов. Это второй такой крупный проект Upside Group. На первом, такого же размера, также использовались свинцово-углеродные батареи. В стадии строительства находится ещё один аналогичный накопитель на 16,4 МВт/25 МВт*ч.

К преимуществам свинцово-углеродных аккумуляторов относят большую глубину разряда, по сравнению с литий-ионными батареями, и повышенную скорость зарядки по сравнению с обычными свинцово-кислотными. В экономическом плане системы на основе свинцово-углеродных батарей пока считаются более привлекательными. Upside Group также подчеркивает надежность и безопасность своих решений. [5]

Франция

Нефтегазовый гигант Total объявил, что построит во Франции накопитель энергии мощностью 25 МВт и ёмкостью 25 МВт*ч близ порта Дюнкерк. Это будет крупнейшая в стране система накопления энергии на основе литий-ионных батарей.[5]

США

Pacific Gas & Electric и Tesla начали строительство литий-ионной системы хранения энергии 182,5 МВт/730 МВтч в округе Монтерей, Калифорния Она включает установку 256 аккумуляторных блоков Tesla Megapack на 33 бетонных плитах. В одном блоке Megapack (который был выпущен компанией в прошлом году и производится на гигафабрике Tesla в Неваде) может храниться до 3 МВт-ч электроэнергии. В каждом блоке наряду с аккумуляторами размещается оборудование для преобразования энергии. Кроме того, вместе с мегапакетами также будут установлены трансформаторы и распределительные устройства для подключения накопителя энергии к системе передачи 115 кВ.[5]

Крупнейшая в мире система хранения солнечной энергии создается во Флориде. Установку мощностью порядка 400 МВт построит компания Florida Power & Light. [5]

По мнению управляющего директора Duke Energy, стоимость аккумуляторов будет стремительно снижаться, а уже в 2020-е годы системы хранения энергии распространятся по всей Америке. Совокупная мощность накопителей к 2023 году может вырасти до 33 ГВт. К 2022 году рынок литий-ионных хранилищ электричества будет оцениваться в $4,5 млрд. https://hightech.fm/2017/10/30/energy-storage-3

Министерство энергетики США (DOE) объявило о запуске инициативы Energy Storage Grand Challenge, цель которой заключается в том, чтобы к 2030 году обеспечить и удерживать мировое лидерство в области использования и экспорта накопителей энергии на основе надежной производственной цепочки поставок, независимой от иностранных источников критически важных материалов. Инициатива связана с тем , что на начало 2019 года 73% производства литий-ионных аккумуляторов в мире приходилось на Китай, а США находились на втором месте - 12%. Будет разработана «скоординированная дорожная карта НИОКР до 2030 года» для широкого набора технологий хранения энергии. [5]

В США создан новый тип литий-ионных аккумуляторов, которые могут заряжаться при высоких температурах за 10 минут или даже быстрее и при этом не взрываться. Новый аккумулятор позволит электромобилю проехать около 320−480 км после всего десяти минут зарядки. Он может выдерживать 2,5 тысяч циклов заряда и разряда, что эквивалентно суммарному пробегу примерно в 800 тысяч км. [5]

Китай

Самая крупная в КНР как по мощности, так и по емкости система накопления энергии на 130,88 МВт/268,6 Мвт*ч (предыдущая была 100 МВт*ч) построена Китайским государственным конгломератом China Energy Engineering Corp (CEEC) в новом районе Цзянбэй, Нанкин, в провинции Цзянсу. КНР ведёт масштабную работу по развитию индустрии хранения энергии в стране. Строятся заводы по производству проточных аккумуляторов гигаваттного размера, основные мировые мощности по производству литий-ионных батарей концентрируются в КНР. В стране принята общенациональная стратегия по развитию систем накопления энергии, а колоссальные мощности солнечной и ветровой энергетики, развернутые в стране, подстёгивают их внедрение.

В ближайшем будущем Китай будет соперничать с США за звание самого крупного игрока в области хранения энергии. Согласно недавнему прогнозу Wood Mackenzie эти две страны совместно займут 54% мирового рынка СНЭ до 2024 года. [5]

Европа

Разрабатывает крупномасштабную долгосрочную европейскую исследовательскую инициативу BATTERY 2030+, конечная цель которой - создание устойчивого производства аккумуляторов будущего», которые позволят Европе достичь целей, предусмотренных в «Зелёном соглашении». Выделяется 3,2 миллиарда евро государственной помощи для исследований и инноваций в области аккумуляторных технологий, ожидается 5 миллиардов евро частных инвестиций

Страны, участвующие в проекте: Бельгия, Германия, Италия, Польша, Финляндия, Франция, и Швеция. Каждое отдельное государство предоставит заранее установленный объём средств, максимум которых составляет для Германии около 1,25 млрд евро, а для Франции - 960 млн евро. Это – основные страны-доноры. Италия выделит около 570 миллионов, Польша около 240 млн, Бельгия около 80 млн, Швеция около 50 млн и Финляндия около 30 млн евро. [5]

Южная Корея

Компания Samsung сообщили о создании твердотельного литий-металлического аккумулятора с плотностью энергии 900 Вт*ч/л. Это минимум в 3 раза превосходит плотность энергии лучших на сегодняшний день литиевых аккумуляторов. При этом новый аккумулятор намного безопаснее аналогов. Его появление совершит революцию в электромобилях - позволит снизить на 50% размер аккумуляторов (это половина веса и треть стоимости электрокаров), увеличив при этом пробег машин вдвое.[5]

Швейцария

Швейцарская компания Innolith установила новый рекорд плотности энергии для коммерческих литий-ионных аккумуляторов. Инженеры утверждают, что энергоемкость инновационной батареи составляет 1000 Вт*ч/кг. Для сравнения: у батарей в электрокарах Tesla Model 3 этот показатель составляет всего 250 Вт*ч/кг, но в будущем его рассчитывают увеличить до 330 Вт*ч/кг. А Министерство энергетики США спонсирует проект по разработке аккумуляторных элементов на 500 Вт*ч/кг.

Innolith (директор Константин Солодовников) обещает, что ее установка позволит электрокарам проезжать до 1000 км на одном заряде. Пока запас хода большинства электромобилей на рынке не превышает 500-530 км. Innolith выпустит первую партию экспериментальных аккумуляторов в Германии, однако это произойдет не ранее 2022 года. [5]

Россия

В России рынок СНЭ находится в начальной стадии развития, ведутся отдельные НИОКР. Наша страна обладает природными запасами материалов, используемых в современных аккумуляторах, и поэтому может участвовать в мировом рынке хранения энергии в качестве их поставщика. В то же время с точки зрения экономического развития правильнее было бы не ограничиваться ролью сырьевого придатка других стран в этой высокотехнологичной сфере. http://estorsys.ru/novosti-otrasli/144-es-vydelyaet-3-2-mlrd-evro-na-sozdanie-krupnomasshtabnogo-proizvodstva-akkumulyatorov

«Росатом» (РЭНЕРА) купил 49% акций южнокорейской компании Enertech International - производителя литий-ионных аккумуляторных ячеек и систем накопления энергии с локализацией производства в России с ориентировкой на то, чтобы занять 40% внутреннего российского рынка накопителей энергии. Предусмотрено создание в России производства литий-ионных ячеек и систем накопления энергии, мощность которого к 2030 году составит не менее 2 ГВт·ч. Первая очередь запланирована к пуску в 2025 году. https://www.rosatom.ru/production/nakopiteli-energii/

Другие виды накопления и хранения энергии

Гравитационные накопители энергии

Прототип мощностью 250 кВт Шотландского стартапа Gravitricity будет использовать два 25-тонных груза, подвешенных на 16-метровой вышке на стальных тросах. Стоимость проекта составляет 1 млн фунтов стерлингов.

Система Gravitricity промышленного масштаба устанавливается над 150-1500-метровой шахтой. Электроэнергия используется для поднятия груза (накопление) и вырабатывается при его опускании в шахту. Масса грузов в промышленной системе Gravitricity может варьироваться от 500 до 5000 тонн. Срок службы: 50 лет без потери производительности. Gravitricity планирует внедрять свою технологию в вышедших из эксплуатации шахтах по всему миру.

Швейцарская компания Energy Vault собирается поставить систему мощностью 4 МВт и емкостью 35 МВт*ч. Конструкция представляет собой кран с несколькими стрелами. Он строит "башню" из поставленных друг на друга массивных бетонных блоков. Общая высота сооружения может достигать 90 метров (около 29 этажей), а общее количество блоков – 5 тысяч. Их суммарная масса составляет около 35 тонн. Всего такая конструкция способна запасти 35 мегаватт-часов и развить пиковую мощность в четыре мегаватта. Потери энергии во время зарядки и разрядки такой "батарейки" не превышают 10%, нет самопроизвольного разряда, долговечность - 30–40 лет работы. Стоимость системы для покупателя составит 7–8 миллионов долларов США. [5]

Криогенная батарея

Британская компания Highview Power ввела в эксплуатацию «первый в мире» сетевой промышленный накопитель энергии на основе сжиженного воздуха — Liquid air energy storage (LAES) с характеристиками 5 МВт/15 МВт*ч. Также компания заявила, что она разработала такую же «криогенную» систему «гигаваттного размера». Она называется CRYOBattery. Разработчики отмечают, что новый накопитель может предложить приведённую стоимость хранения (levelized cost of storage — LCOS) на уровне 140 долларов США за мегаватт-час (для 10-часовой системы мощностью 200 МВт и ёмкостью 2 ГВт*ч). Для сравнения: LCOS крупных литий-ионных систем оценивается в 204-298 долларов США за МВт*ч. [5]

Геотермальный накопитель

Идея разработки американской стартап-компании UC Won - создать систему нового типа, объединив солнечные тепловые коллекторы с параболическими зеркалами, подземное хранилище тепла в осадочных породах и паросиловое электрогенерирующее оборудование. Днём солнце нагревает и испаряет воду в трубках солнечных коллекторов, откуда выходит пар c температурой до 300 °C. Этот пар поступает в турбину и одновременно закачивается под землю, разогревая легко проницаемую осадочную породу. Ночью под землю закачивается уже вода, которая там испаряется под воздействием разогретых камней. Получаемый пар поступает в турбину для выработки электроэнергии. Таким образом, в пустынной местности, где мало пасмурных дней, энергоустановка может выдавать электроэнергию практически непрерывно. В настоящее время компания пытается опробовать предложенную концепцию в Неваде, пользуясь инфраструктурой старой геотермальной электростанции. [5]

Системы накопления электротермической энергии

Пилотная установка ETES (electric thermal energy storage) Siemens Gamesa в Гамбурге, Германия, разместившаяся на месте выведенной из эксплуатации традиционной электростанции, преобразует электрическую энергию в горячий воздух, используя резистивный нагреватель и воздуходувку, чтобы нагреть около 1000 тонн вулканической породы до 750°C. В последствии, в периоды высокого спроса на электроэнергию, накопленная тепловая энергия преобразуется обратно в электричество с помощью паровой турбины. “кспериментальная установка может сохранять до 130 МВт*ч в течение недели. В системе используется 80% готовых компонентов и существующих мощностей по производству и передаче электроэнергии, принадлежащих выведенным из эксплуатации традиционным электростанциям, что позволяет держать затраты на очень низком уровне. [5]

Австралийский стартап Climate Change Technologies (CCT) разработал первую термобатарею (TED) для серийного производства. Она хранит в 12 раз больше энергии, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и в пять раз превосходит по этому же параметру литий-ионные аналоги. На первом этапе CCT планирует выпустить 200 экземпляров устройств, которые будет стоить на 20-40% дешевле Li-Ion аккумуляторов.

Система нагревает и расплавляет кремний в специальной камере с теплоизоляцией. Устройство оснащено тепловым двигателем, который преобразует тепло в электричество при необходимости. Стандартная установка рассчитана на 1,2 МВт*ч. , При блэкауте такая батарея будет работать в автономном режиме до 48 часов. Срок службы более 20 лет, и полностью пригодна для вторичной переработки. https://stockhead.com.au/tech/could-thermal-batteries-steal-market-share-from-lithium-ion/

Холдинг Alphabet (часть которого принадлежит Google) собирается реализовать проект «Мальта» (Project «Malta») - хранилище энергии в виде расплавленной соли и охлажденной жидкости. Стоимость проекта оценивается в 1 млрд. долларов США. Идея хранилища энергии, часть которого - резервуар расплавленной соли, а часть - емкость с охлажденным теплоносителем принадлежит лауреату Нобелевской премии по физике профессору Стэнфордского университета Роберту Лафлину.

Идея хранилища Лафлина предусматривает приведение в действие за счет генерируемой ВИЭ энергии теплового насоса, обеспечивающего запас теплоты в расплаве соли и холода в сильно охлаждаемом теплоносителе. Для генерации электроэнергии запускается обратный процесс с участием теплового насоса. [5]

Маховик из бетона

Французская компания Voltalia взялась за строительство накопителя энергии маховичнового типа (flywheel energy storage) из бетона. Такое оригинальное решение предложил французский стартап Energiestro.

Система небольшой мощности 10кВт/10кВт*ч будет установлена на площадке Voltalia во Французской Гвиане. Маховиковые системы хранения энергии (инерционные аккумуляторы) накапливают кинетическую энергию вращения для последующей выработки электричества.

ENERGIESTRO производит маховик из недорогого материала - предварительно напряженного бетона. Раньше такие устройства изготавливались из высокоэффективных, но очень дорогих материалов: углеродных волокон или высокопрочной стали. Новый материал позволит в десять раз снизить стоимость хранения энергии, считает компания. Чтобы еще больше снизить стоимость, Energiestro использует вместо дорогих магнитных подшипников простые шариковые подшипники с пассивным магнитным упорным подшипником, который необходим для решения проблемы смазки в вакууме (устройство запатентовано во всем мире). Помимо использования дешевых материалов, преимуществами указанного решения являются неограниченное количество циклов, устойчивость к экстремальным температурам и отсутствие потенциального вреда для окружающей среды. [5]

Бактерии могут хранить энергию

Идея состоит в том, чтобы применить избыточную энергию ВИЭ для расщепления воды на кислород и водород - и передать эти компоненты бактериям. На основе этого водорода, а также углекислого газа из воздуха бактерия Methanococcus maripaludis производит метан, который далее легко хранить и использовать аналогично ископаемым источникам топлива.

Компания BPG ENERGY SОLUTION из России предлагает использовать фотосинтезирующий микроорганизм – штамм микроводоросли хлорелла vulgaris BIN, (патент - RU2192459C1) для наращивания биомассы с поглощением СО2 атмосферы с последующей переработкой биомассы в органические удобрения и биогаз (метан СН4 без выброса СО2, так как при его получении из атмосферы поглощается такое же количество углекислого газа, которое потребуется при его сжигании).

На сегодняшний день заявлено, что на обогрев биореактора тратится 42% электроэнергии солнечных панелей, что представляется не совсем оптимальным. Более интересным было бы использование сбросного тепла АЭС, которое сейчас выбрасывается в атмосферу, для обогрева биореактора. В этом случае можно было бы говорить уже об утилизации выбрасываемого тепла и повышении кпд АЭС в целом.

Проточные ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (VRFB).

Немецкая компания VoltStorage GmbH выпустила «первую рентабельную» систему хранения энергии на основе проточного аккумулятора по хорошо известной технологии Vanadium-Redox-Flow (ванадиевые проточные аккумуляторы). Компактное устройство «всё в одном» размером с небольшой холодильник (57x140x57 см) обладает емкостью 6,8 кВт*ч и способно выдавать мощность 3 кВт (максимум до 4,5 кВт). Разумеется, допускается масштабирование – последовательная установка нескольких устройств. В технических характеристиках заявляется, что устройство с рассчитано на более 10000 циклов зарядки/разряда. При этом, что свойственно для технологии flow batteries, допускается 100% разряд аккумуляторов. Производитель говорит о 20-летнем сроке службы накопителя, но даёт 10-летнюю гарантию. Впрочем, на данных условиях, как правило, продают свою продукцию и производители литий-ионных аккумуляторов.

Водород

Водородную энергетику также необходимо воспринимать, как систему аккумулирования «зеленой» энергии. ЕС уже объявило, что будет покупать только водород, вырабатываемый на источниках энергии с нулевым выбросом углекислого газа. При этом, пока атомную энергетику ЕС относит к «серой» энергетике.

В Японии уже открыты 100 водородных заправочных станций, к 2030 году планируется построить 900. Местные автоконцерны делают упор на электромобили. Так, Toyota рассчитывает в 2030 году продать свыше 1 млн электромобилей, причем большая их часть будет работать на водородном топливе. Hyundai Motor намерена начать поставки водородных электромобилей на российский рынок. Компания ведет переговоры с «Росатомом» о создании инфраструктуры для этой категории транспорта, детали не разглашаются. https://strana-rosatom.ru/2020/05/12/vodorod-dlya-polyarnikov/

Согласно отчету энергетических консультантов E4tech, примерно 1,1 гигаватт (ГВт) мощности топливных элементов было произведено во всем мире в 2019 году. Это на 40% больше по сравнению с уровнем 2018 года. Отмечается, что основной интерес к водородным топливным элементам был связан с электромобилями на топливных элементах (FCEV). Toyota и Hyundai занимают лидирующие позиции в этом направлении, и на их долю приходится две трети от прошлогодних 1,1 ГВт мощностей используемых топливных элементов. Кроме того, в отчете отмечается, что рынок «водородных» грузовиков, автобусов и микроавтобусов также растет, и поэтому на долю всех транспортных средств в 2019 году приходилось более 900 мегаватт (МВт).

E4tech говорит, что признаки «водородной революции» растут по всему миру. Крупные пивоваренные компании, такие как AB InBev, крупные нефтегазовые компании, такие как Shell, и компании, занимающиеся утилизацией отходов, такие как Veolia, все поддержали использование водородных транспортных средств. А такие крупные автопроизводители, как Toyota, Hyundai, Daimler и Nikola Motors, усилили свое финансирование водородных технологий.

В настоящее время крупнейшим рынком топливных элементов является азиатский регион, на его долю приходится 680 мегаватт (МВт) мощности отрасли топливных элементов. При этом, в других регионах мира также наблюдается рост производства и использования водородных топливных элементов, в том числе в Великобритании, где были разработаны планы по превращению водорода в ключевой элемент низкоуглеродной экономики. [5]

Водород в связанном состоянии

Компания Siemens собирается изучать возможности хранения электроэнергии, полученной из возобновляемых источников, в аммиаке. Для этого, вместе с правительством Великобритании, в Оксфордшире была построена первая в мире экспериментальная станция. Проект стоимостью $2 млн на две трети профинансирован правительственным агентством Innovate U.K. Также в нем принимают участие специалисты университетов Оксфорда и Кардиффа.

Для краткосрочного хранения небольшой емкости электроэнергии доминирующим типом будут батареи, а когда нужно запасать большое количество энергии на долгий срок, аммиак может сыграть свою роль. Особенно, если энергию нужно перевозить с места на место. В отличие от ископаемых топлив, сжигание аммиака не приводит к выделению в атмосферу углерода. В отличие от водорода он гораздо безопаснее, и имеется практика его использования в промышленных масштабах. [5]

Заключение

1. Ожидается, что к 2024 году объём рынка систем накопления энергии (СНЭ) в натуральном выражении (накопленным итогом) вырастет в 13 раз — с 12 ГВт*ч до 158 ГВт*ч. Накопленный объём инвестиций в системы хранения энергии, не считая ГАЭС, к 2024 году достигнет 71 млрд долларов США. За один только 2024 год будет построено 15 ГВт/41 ГВт*ч накопителей энергии. инвестиции составят 14 миллиардов. Среднегодовой рост емкости СНЭ, установленных в период 2019-2024, составит 39% (CAGR). Глобальная установленная мощность накопителей энергии к 2040 г взлетит до 1095 ГВт (вырастет в 122 раза). Совокупный спрос на аккумуляторы со стороны СНЭ и электрического транспорта к 2040 году достигнет 4584 ГВт*ч. [5]
2. Быстрое падение стоимости литий-ионных аккумуляторов приведет к высоким темпам внедрения накопителей энергии в мире. Ожидается, что на мировом рынке будут доминировать США и Китай (54% емкости установленных в мире СНЭ), за которыми будут следовать Германия и Индия.
3. В ближайшей перспективе основную долю энергетического рынка займут гибридные проекты, в которых ВИЭ, в первую очередь солнечные электростанции будут комплектоваться накопителями энергии, которые могут также сочетать 2 и более типа накопителей, например, литий-ионные аккумуляторы с супермаховиками. В дальнейшем системы хранения энергии станут реальной альтернативой генерирующим активам любого типа, а также расширению сетей. К 2040 году около 40% мировой электроэнергии будут вырабатывать ветровые и солнечные электростанции, которые будут комплектоваться СНЭ.
4. Переработка литий-ионных аккумуляторов станет наиболее быстро растущей индустрией. По прогнозам Международного энергетического агентства, к 2030 году в мире будет 125 млн электромобилей, а рынок утилизации их батарей вырастет до €20 млрд. У литий-ионных аккумуляторов не будет достойной альтернативы до 2050 года. Volkswagen уже строит завод по переработке литий-ионных аккумуляторов. [5]
5. Пока самое выгодное решение на рынке аккумулирующих систем - это гидроаккумулирующие электростанции. Однако со временем их стоимость останется прежней, в то же время литий-ионные аккумуляторы, как и кремниевые солнечные панели, будут дешеветь с каждым годом. Уже к 2030 году Li-Ion батареи станут самым выгодным решением в сфере хранения энергии и в других областях. Ежегодный спрос на литий-ионные батареи в ближайшие 10 лет вырастет в 10 раз и уже в 2031-м году составит более 2 тыс. ГВт*ч (2 ТВт*ч). [5] Возможно, выстрелит один-два варианта других типов накопителей энергии, например, гравитационных, термических или биореактор.
6. Российский рынок накопителей электроэнергии может вырасти до 3 млрд долларов в год. Для того чтобы добиться такого результата необходимо в среднесрочной перспективе сделать одним из приоритетов научно-технической политики России формирование технологической базы СНЭ следующего поколения. Наличие в рамках национальной экономики ключевых компетенций в разработке и производстве СНЭ - ключевой показатель развитости индустрии страны. [5] «Нам нужны новые комплексные подходы к развитию энергетики, включая новые решения в сфере атомной генерации в таких перспективных направлениях, как водородная энергетика и накопители энергии.» (В.В.Путин)