Устройство для хранения электрической энергии и питание ею потребителей непостоянной мощности. Рынок Электроэнергии Наука о способах хранения электричества

Wikimedia Commons

Пожалуй, самая старая форма современного хранения энергии, привязанного к энергосети. Принцип работы прост: имеется два резервуара для воды, один выше другого. Когда потребность в электричестве низкая, энергию можно использовать для закачки воды наверх. В пиковые часы вода устремляется вниз, вращая гидрогенератор и вырабатывая электричество. Подобные проекты разрабатывает, например, Германия в заброшенных угольных шахтах или сферических контейнерах на дне океана.

Сжатый воздух

Power South

В целом этот способ напоминает предыдущий, за исключением того, что вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При необходимости воздух выпускается и вращает турбины. Эта технология существует в теории уже несколько десятков лет, но на практике, из-за ее высокой стоимости, есть всего лишь несколько рабочих систем и чуть больше - испытательных. Канадская компания Hydrostor разрабатывает в Онтарио и Арубе крупный адиабатический компрессор.

Расплавленная соль

SolarReserve

Солнечную энергию можно использоваться для нагревания соли до нужной температуры. Полученный пар либо немедленно перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплавленной соли, чтобы, например, нагревать дома вечером. Один из подобных проектов - солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - в Арабских Эмиратах. А в лаборатории Alphabet X возможность использования расплавов солей в сочетании с антифризом для того, чтобы сохранить излишки энергии Солнца или ветра. Недавно в Технологическом институте Джорджии построили более эффективную систему, в которой соль заменена на жидкий металл.

Проточные батареи

Ученые ЦЕРНа: «Вселенная не должна существовать»

Окислительно-восстановительные проточные батареи состоят из огромных цистерн с электролитом, которые пропускаются через мембраны и создают электрический заряд. Обычно в качестве электролита используется ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы. Крупнейшую в мире проточную батарею построить в пещерах Германии.

Традиционные аккумуляторы

SDG&E

Calmac

Ночью хранящуюся в цистернах воду замораживают, а днем лед тает и охлаждает соседние дома, позволяя экономить на кондиционерах. Эта технология привлекательна для регионов с жарким климатом и прохладными ночами, например, для или Калифорнии. В мае этого года компания NRG Energy поставила 1800 промышленных ледяных батарей предприятию Southern California Edison.

Супермаховик

Beacon Power

Эта технология предназначена для накапливания кинетической энергии. Электричество запускает мотор, который запасает энергию вращения в барабане. Когда она нужна, маховик замедляется. Изобретение не получило широкого распространения, хотя оно может применяться для обеспечения бесперебойного питания.

Дорогие в производстве батареи, применяемые в альтернативной энергетике для «передержки» невостребованной энергии, заменили бактерии.

Специалистам из Университета Чикаго удалось решить глобальную проблему хранения накапливающихся в процессе работы солнечных или ветряных электростанций излишек электроэнергии, которые примерно в половине случаев приходится в буквальном смысле «спускать в воздух». Напомним, что работа станций выработки электричества из альтернативных источников — энергии Солнца или ветра, отличается от других направлений энергетики скачкообразным и зависящим от времени суток или розы ветров вырабатыванием необходимой для работы многочисленных электроприборов электроэнергии. Если земное светило позволяет получать «дармовую» энергию только в яркий солнечный день, когда небо остается чистым от облаков и других мешающих лучам «достать» до поверхности земли природных явлений, то потребители — домашняя техника или промышленное оборудование, нуждающееся в постоянной подпитке, работает и по ночам. Аналогичная ситуация происходит и при преобразовании энергии ветра в электричество — когда он дует, огромные мельницы обеспечивают необходимую выработку, которая автоматически прекращается при изменении направления ветра или его недостаточной силе. Это вынуждает энергетиков предусматривать пути накопления превышающей потребление энергии, чтобы в моменты пиковой нагрузки, приходящейся как раз на вечернее время, обеспечивать потребности энергетической сети даже в ситуации с отсутствующим солнечным светом и утихшими до нулевой скорости ветрами.

Для этого энергетики сегодня применяют огромные аккумуляторные станции, позволяющие хранить излишки электроэнергии для их последующего использования в моменты пиковых загрузок электросетей, однако вопрос строительства таких «накопителей» и закупки десятков тысяч дорогостоящих емких аккумуляторов превращает альтернативную энергетику в очень дорогое удовольствие. Ряд рыночных игроков попытался решить эту проблему предложением домашних аккумуляторных батарей, которые потребители могут устанавливать в собственных домах, чтобы использовать возможности «чистой» энергетики прямо в своем загородном коттедже без оглядки на время суток или прогнозы по силе и направлению ветров. Речь идет о батареях Tesla Powerwall, позволяющих накапливать от 7 до 14 кВт·ч в закрепляемой на стене помещения аккумуляторной емкости, «заполняемой» работающими в отсутствие хозяев на протяжении всего светового дня солнечными панелями. Энергопотребление квартиры или частного коттеджа в течение рабочего дня, когда все находятся за пределами жилища — в офисах, приближается к нулю, а возвращение жильцов домой происходит уже после прохождения пика выработки электричества из солнечного света. Такая батарея помогает запитать присутствующие дома электроприборы вечером, ночью и ранним утром, однако цена Tesla Powerwall заставляет всерьез задуматься о целесообразности приобретения такого «накопителя энергии». Официальный прайс компании-производителя так ине появившихся на рынке «домашних батареек» сообщает о начальной стоимости продукта в $3000.

Точно такие же трудности испытывают и энергетические компании, занятые в сегменте альтернативной энергетики — необходимость хранить излишки электричества в дорогостоящих и обладающих ограниченным количеством циклов перезарядки аккумуляторах резко снижает рентабельность такого начинания. Сегодня правительства ведущих государств Европы напрямую субсидируют компании, занимающиеся преобразованием солнечной и ветряной энергии в электричество, чтобы они могли работать без угрозы неминуемого банкротства. Именно эту проблему — чрезмерную дороговизну создания «энергетических хранилищ», и сумели решить ученые из Чикагского Университета, создавшие уникальную и сверхдешевую технологию преобразования электроэнергии в метан — применяемый во многих отраслях промышленности, включая электроэнергетику, легко транспортируемый и не требующий серьезного ухода газ. Созданный руководителем исследовательской группы из США Лоренсом Метсом стартап под названием Electrochaea уже начал работу в направлении коммерциализации разработанной специалистами методики, заявляя о готовности в ближайшее время построить мощнейшую 10-Мегаваттную коммерческую «электро-метановую» станцию полного цикла.

Запланированное к постройке в Венгрии перерабатывающее предприятие позволит в непрерывном режиме преобразовывать невостребованную бытовыми и промышленными потребителями энергию в удобный в использовании и необходимый, в частности, для отопления домов метан. По словам Метса, с энергокомпанией Magyar Villamos Muvek достигнута договоренность о прокладке газопровода непосредственно от здания завода для транспортировки выработанного метана прямо в газотранспортную систему страны. Прототипом для строящейся «электро-метановой» станции мощностью 10 МВт в Венгрии стала экспериментальная 1-Мегаваттная установка BioCat, возведенная исследователями три года назад. Проверка работоспособности научных изысканий в реальных условиях подтвердила революционную сущность и невероятную перспективу повсеместного внедрения уникальной по всем показателям технологии. Последняя основана на «эксплуатации» слегка «доработанных» микроорганизмов, представляющих собой созданный в лабораторных условиях штамм метаногенной бактерии Archaea. Эта бактерия в процессе жизнедеятельности занимается превращением смеси из водорода и диоксида углерода в метан и воду, которые после разделения наполняют метановые резервуары преобразованным в газ электричеством. Первым этапом очень простого с технологической точки зрения процесса становится разделение молекул воды на водород и кислород, для чего как раз и применяется избыточная электроэнергия, получаемая на ветряных и активно строящихся во всем мире солнечных плантациях.

Результат многолетней исследовательской работы группы американских и европейских ученых обеспечивет человечество очень простым, удобным и недорогим способом хранения излишек электроэнергии без необходимости закупки фантастически дорогих и технологически «грязных» аккумуляторов — при их сборке производителями применяются наносящие серьезный ущерб экологии материалы и технологии, при этом после выработки ресурса использованные батареи пополняют многочисленные городские и загородные свалки. Вместо критического для Природы ущерба от литий-ионных емкостей Метс предлагает воспользоваться технологически совершенным и основанным на естественных биологических процессах методом превращения электрического тока в метан, который впоследствии можно применять в теплоэнергостанциях, автомобилях с метановыми двигателями и даже водородомобилях. Автомобили с водородными двигателями работают на чистом водороде, получать который проще всего из газа метан, что превращает разработку Метса и его коллеги из Университета Чикаго в фантастический по масштабам и приобретаемым потребительским обществом перспективам научный прорыв.

Wikimedia Commons

Сжатый воздух

Power South

Расплавленная соль

SolarReserve

Проточные батареи

Ученые ЦЕРНа: «Вселенная не должна существовать»

Традиционные аккумуляторы

SDG&E

Calmac

Супермаховик

Beacon Power

Возможность накопления электроэнергии в промышленных масштабах выгодна всем участникам рынка: производителям, поставщикам, потребителям и регулятору

Последний аналитический отчет исследовательских организаций GTM Research and ESA’s U.S. Energy Storage Monitor говорит о рекордном объеме инвестиций в проекты по разработке и созданию накопителей энергии. Объем венчурных инвестиций и проектного финансирования в данном секторе в третьем квартале 2016 года достиг $660 млн при годовом прогнозе в $812 млн. Мы видим, что в развитых странах технологии накопления энергии выходят на стадию «предкоммерческого» использования.

Проблема сохранения

Основным отличием электроэнергетики от любой другой «физической» отрасли является невозможность хранения производимого ею товара в промышленных масштабах. В каждую единицу времени в этой отрасли должно производиться ровно столько электроэнергии, сколько нужно потребителю.

Чтобы обеспечить такую возможность, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы. Нельзя иметь в энергосистеме только атомные электростанции (АЭС), которые не умеют быстро сбрасывать и набирать нагрузку, или только возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — солнце и ветер, например, могут не светить и не дуть в нужный момент. Поэтому значительная доля генерации осуществляется за счет традиционных ископаемых ресурсов (угля, газа), обеспечивающих и надежность, и необходимую маневренность.

Режим работы любой энергосистемы определяется в первую очередь степенью нагрузки на нее со стороны потребителей. Как правило, ночью потребление электроэнергии значительно снижается, а утром и вечером — превышает уровень дневного потребления. И вообще, независимо от времени суток электрическая нагрузка непрерывно меняется. Эти постоянные колебания осложняют задачу сохранения баланса между производством и потреблением и приводят к тому, что генерирующие мощности значительную часть времени работают в экономически неоптимальном режиме.

Существует три традиционных типа электростанций: атомные, тепловые (ТЭС) и гидроэлектростанции (ГЭС). АЭС по соображениям безопасности не регулируют свою нагрузку. ГЭС для работы с неравномерным графиком нагрузки подходят гораздо лучше, но они есть далеко не в каждой энергосистеме, а если и есть, то не всегда в необходимом количестве. Таким образом, основная нагрузка по покрытию неравномерности суточного электропотребления ложится на ТЭС. Это, в свою очередь, приводит к их работе в неэкономичном режиме, увеличивает расход топлива и, как следствие, стоимость электроэнергии для потребителей.

Все вышеперечисленные проблемы, а также ряд других могут быть решены с помощью технологий промышленного накопления энергии.

Эффекты от накопления

1. Эффект для генерации: использование накопителей позволит оптимизировать процесс производства электроэнергии за счет выравнивания графика нагрузки на наиболее дорогое генерирующее оборудование, а также избавить дорогую тепловую генерацию от роли регулятора. В свою очередь, это неизбежно приведет к сокращению расходов углеводородного топлива, повышению коэффициента использования установленной мощности электростанций, увеличит надежность энергоснабжения и снизит потребности в строительстве новых мощностей.

2. Эффект для государственного регулирования: накопители позволяют создать энергетический резерв без избыточной работы генерирующих мощностей, оптимизировать режим работы электростанций, обеспечить спокойное прохождение ночного минимума и дневного максимума нагрузок.

3. Эффект для потребителей: электроэнергия становится дешевле, повышается надежность энергоснабжения, можно обеспечить работу критического оборудования при перебоях с питанием и создать резерв на случай аварий.

4. Эффект для электросетевого комплекса: накопители снижают пиковую нагрузку на электрические подстанции и затраты на модернизацию сетевой инфраструктуры, повышают качество и надежность энергоснабжения потребителей.

Дополнительные эффекты

Сейчас одним из главных трендов мировой энергетики является развитие ВИЭ-генерации. Среди стран, развивающих «зеленую» энергетику, наиболее ярким примером являются Дания, вырабатывающая 140% общенационального спроса на энергию с помощью ВИЭ, и Германия, где на ВИЭ приходится около 50% установленной мощности электростанций (94 из 182 ГВт) и эта доля продолжает неуклонно расти. В отдельные часы ВИЭ уже могут обеспечить до 100% потребности в электроэнергии. При этом и тепловым, и атомным электростанциям приходится выполнять резервную функцию, поскольку выработка ВИЭ-генерации непостоянна. Накопители электроэнергии могут стать выходом для продолжения успешной интеграции ВИЭ в энергосистемы различных стран, они позволят сгладить колебания выработки ВИЭ и выровнять график нагрузки.

Другим трендом является развитие распределенной энергетики. Потребители хотят минимизировать свои затраты и устанавливают собственные генерирующие источники (например, солнечные батареи или ветрогенераторы). В странах, где доля распределенной генерации высока, возникает проблема интеграции таких потребителей в рыночную систему. Поскольку сам потребитель забирает от своего источника столько электроэнергии, сколько ему нужно в данный момент времени, у него могут возникать излишки. Проблема продажи этих излишков в сеть может быть решена с помощью накопителей. Помимо этого они могут использоваться и для создания индивидуальных резервов.

Конкуренция технологий

На сегодняшний день 99% промышленного накопления и хранения электроэнергии (около 132,2 ГВт) обеспечивают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). На все прочие технологии накопления приходится 1%, в основном речь идет о накопителях на сжатом воздухе, сульфидных натриевых аккумуляторных батареях и литиевых аккумуляторных батареях. Наиболее проверенными из накопителей являются ГАЭС и устройства, работающие на технологии сжатого воздуха. Остальные технологии пока еще находятся в процессе развития.

При этом если ГАЭС и устройства, использующие технологии сжатого воздуха, могут хранить достаточно большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов, они достаточно ограничены в плане подвода большого количества энергии для поддержки или противодействия различным краткосрочным колебаниям.

Что касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.

Нужны ли России технологии хранения энергии?

Хранение электроэнергии названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. По оценкам BCC Research, совокупный среднегодовой темп роста рынка аккумуляторных батарей всех типов составит за ближайшие десять лет 18,7%: с $637 млн в 2014 году до $3,96 млрд в 2025 году.

Мощность электрических накопителей в странах ЕС, США и Китае, по различным сценариям Международного энергетического агентства, к 2050 году возрастет от двух до восьми раз. В России после 2022 года прогнозируется новый инвестиционный цикл в энергетике. Потенциальная ниша для новых энергообъектов оценивается в 15-30 ГВт. Инвестиции могут составить $500-700 млрд к 2035 году. При этом выиграть от применения накопителей смогут практически все участники рынка.

Экономия электричества в итоге приводит к двум хорошим вещам: уменьшение эффекта глобального потепления, а также сохранение ваших сбережений в течение длительного времени. Осмотритесь у себя дома или в офисе: каждый прибор, расходующий энергию, может стать более экономным. Изолирование дома и изменение повседневных привычек – эти действия помогут заметно снизить потребление электроэнергии. Читайте далее, чтобы узнать, как сэкономить на электричестве.

Шаги

Освещение

Выберите естественный свет. Откройте шторы и позвольте солнцу залить вашу комнату! Использование естественного света днем может заметно снизить ваш расход электричества. Это применимо как для проведенного вами времени на работе, так и для времени дома. Естественный свет повышает наше настроение, добавляя вам еще больше желания немедленно открыть жалюзи.
- Постарайтесь организовать свое рабочее место так, чтобы на него попадал естественный свет. Постарайтесь выключать настольные лампы всегда, когда возможно. Если вам не хватает света, воспользуйтесь маломощной настольной лампочкой.
- Купите полупрозрачную тюль или жалюзи, чтобы ваша личная жизнь осталась личной, а свет продолжал заполнять пространство.
Смените ваши лампочки. Вы очень сэкономите электроэнергию, если замените обычные лампы накаливания на новые энергосберегающие лампы или лампы, выполненные по технологии LED. Тогда как обычные лампы накаливания дают свет за счёт выделения тепла, энергосберегающие лампы лучше сохраняют электричество и имеют долгий срок службы.
- Энергосберегающие лампы стали первой альтернативой лампам накаливания, они используют около четверти энергии, затрачиваемой лампами накаливания. Они содержат достаточное количество ртути, поэтому, если такая лампочка перегорит, от нее нужно избавиться должным образом.
- Лампочки с технологией LED не так давно появились на рынке. Они дороже обычных энергосберегающих ламп, но они служат еще дольше и не содержат ртути.
Выключайте свет. Это самый простой способ экономить электроэнергию, и он действительно работает. Начните обращать внимание на то, сколько ламп горит у вас в доме в определенное время. Подумайте, сколько ламп вам действительно необходимо использовать. Возьмите себе в привычку каждый раз, когда выходите из комнаты, выключать за собой свет.
- Если вы хотите сэкономить еще больше, постарайтесь в ночное время находиться всей семьей в одной-двух комнатах, вместо того, чтобы включать свет во всем доме.
- Для максимальной экономии электричества – используйте свечи! Этот старомодный способ освещения ночью эффективен, романтичен и очень спокоен. Если вам не удобно постоянно использовать свечи, попробуйте делать это хотя бы раз в неделю. Будьте осторожны со свечами, если у вас дома есть дети, или, по крайней мере, убедитесь, что все члены вашей семьи знают, как обращаться со свечками.
Домашние приборы
1. Отключите от сети приборы, которые вы не используете. Вы знали, что приборы, которые просто подключены в сеть, продолжают потреблять электричество, даже если они выключены? Даже такой прибор, как кофеварка, просто включенный в сеть, продолжает потреблять энергию, при том, что последняя кружка кофе была выпита уже достаточно давно.
  - Выключите ваш компьютер и отключите его от сети в конце дня. Компьютеры расходуют большую долю электроэнергии, поэтому, вы тратите много энергии и денег, когда они подключены.
  - Не оставляйте ваш телевизор все время подключенным к сети. Может быть, неудобно каждый раз вытаскивать его из розетки, однако, ваши старания окупятся.
  - Отсоедините от сети вашу звуковую систему и колонки. Один из самых бездарных способов потратить электроэнергию - оставить их включенными, когда они не используются.
  - Не забывайте и о мелкой технике, такой как зарядки для телефонов, кухонные приборы, фены для волос, и остальные вещи, которые могут потреблять электричество.
2. Замените старые приборы на новые - с лучшим потреблением энергии. Компании не переживали о сохранении энергии, когда производили приборы раньше. Новые модели нацелены на сохранение энергии, уменьшение платы за свет. Если у вас есть старый холодильник, электрическая печка, или духовка, посудомоечная машина, стиральная машинка, сушилка, или другая крупная бытовая техника, подумайте о ее замене.
  - Посмотрите рейтинг сбережения электроэнергии на новую технику. Он поможет вам оценить, как много электроэнергии потребляет прибор. Большинство приборов с высоким рейтингом энергосбережения стоят на порядок дороже тех, у которых рейтинг ниже, однако эта разница в цене со временем окупится за счет сокращения расходов за электричество.
  - Если для вас замена бытовой техники дома не является приемлемым вариантом, есть множество способов снизить затраты на электроэнергию.
    - Заполните посудомоечную машину полностью, вместо того, чтобы мыть малые объемы посуды.
    - Не открывайте духовку во время приготовления в ней пищи, так как вы выпускаете из нее жар и потребуется больше энергии, чтобы вернуть прежнюю температуру.
    - Не стойте перед открытым холодильником, размышляя, что бы вам съесть. Откройте и закройте его как можно скорее. Так же, проверьте герметичность дверцы холодильника и замените резинки, если потребуется.
    - Полностью загружайте стиральную машину, вместо того, чтобы стирать маленькими порциями.
3. Уменьшайте ваше пользование бытовыми приборами. В былые времена люди не пользовались бытовой техникой для ведения домашнего хозяйства; попробуйте использовать только те приборы, которые действительно нужны. Сокращение использования бытовой техники может отнимать большее количество времени, однако, если в этом процессе будет принимать участие вся семья – вы можете управляться со всем заметно быстрее.
  - Большинство людей стирают одежду чаще, чем это необходимо; постарайтесь снизить количество стирок до одного раза в неделю.
  - Протяните бельевую веревку на балконе или на заднем дворе и развешивайте на ней мокрую одежду, вместо того, чтобы пользоваться электрической сушилкой.
  - Мойте посуду руками (так же экономя воду), вместо использования посудомоечной машины.
  - Постарайтесь выпекать что-либо один раз в неделю, во время этого вы сможете приготовить несколько различных блюд. Таким образом, вам не придется нагревать духовку снова и снова.
  - Избавьтесь от маленьких приборов, которые вам действительно не нужны, такие как электрические освежители воздуха. Просто откройте окна!
Обогрев и охлаждение
1. Утеплите дом. Качественная изоляция окон и дверей поможет хорошо сохранить электроэнергию. Изоляция позволит вашему дому сохранять охлажденный воздух внутри в летнее время, а так же удерживать тепло и не пропускать холодный воздух в зимнюю пору.
  - Наймите человека, который сможет проверить изоляцию вашего дома и определить, достаточно ли она качественная. Проверьте чердак, пол, потолок, стены и подвал. Возможно, вам потребуется новая изоляция для вашего дома.
  - Проклейте ваш дом, используя монтажную ленту и утеплитель в дверных проемах, окнах и вокруг оконных форточек. Вы также можете поставить стеклопакеты – они лучше удерживают тепло во время зимы.