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

Где рождается свет Где рождается свет

Что такое Солнце? Газовый шар плотнее воды, мощнейший термоядерный реактор

Вокруг света
Тревожное исследование: ChatGPT убивает наше критическое мышление Тревожное исследование: ChatGPT убивает наше критическое мышление

Чем чрезмерное использование нейросетей крайне вредно для нашего мозга

ТехИнсайдер
Лайнер китайской экономики попал в шторм Лайнер китайской экономики попал в шторм

Правительство Китая принимает меры поддержки, но спасать всех не собирается

Монокль
«Меняются материалы, а круг образов всегда один» «Меняются материалы, а круг образов всегда один»

Художник Борис Кочейшвили — о том, что рай — это состояние

Weekend
6 бытовых привычек, из-за которых в доме плохо пахнет 6 бытовых привычек, из-за которых в доме плохо пахнет

Некоторые из этих вещей вы совершаете ежедневно, а они влияют на запах в доме

ТехИнсайдер
Вячеслав Семененко: «Есть значительный спрос на отдых с детьми» Вячеслав Семененко: «Есть значительный спрос на отдых с детьми»

Как меняются и развиваются загородные отели и как масштабируется этот рынок?

Ведомости
Как визионерские идеи проникают в литературу Как визионерские идеи проникают в литературу

О том, кто такой визионер в нарративных искусствах

РБК
«ИИ будет массово доступен — так же, как мобильная связь или телевидение» «ИИ будет массово доступен — так же, как мобильная связь или телевидение»

Какие горизонты открывают генеративный искусственный интеллект в сфере финансов?

Деньги
«Гипотеза белых дыр» «Гипотеза белых дыр»

Почему снаружи белая дыра не отличается от черной

N+1
Такой разный Гоголь Такой разный Гоголь

Из-за мистической натуры Николая Гоголя его биография окутана домыслами

Караван историй
Петр Ефремов — Forbes: «Российское виноделие в возрасте начала плодоношения» Петр Ефремов — Forbes: «Российское виноделие в возрасте начала плодоношения»

Об условиях, в которых развивается российское виноделие

Forbes
Ольга Таратынова Ольга Таратынова

Как Ольга Таратынова возвращает памятники архитектуры из послевоенных руин

Собака.ru
А это прилично? А это прилично?

Как соблюдать правила приличия в отпуске

Grazia
Раскрыть потенциал мозга Раскрыть потенциал мозга

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

Psychologies
Стесняюсь спросить: как распознать болезнь Альцгеймера? Стесняюсь спросить: как распознать болезнь Альцгеймера?

Альцгеймер: как распознать на ранних этапах и встречается ли он у молодых?

Правила жизни
Отдают недорого: почему художники и галеристы рады случайным покупкам Отдают недорого: почему художники и галеристы рады случайным покупкам

Как импульсивные покупки из любопытства меняют рынок современного искусства

Forbes
Команда BIOCAD Команда BIOCAD

Они создают в Петербурге лекарства против сверхопасных ошибок иммунной системы

Собака.ru
A Vida Portuguesa A Vida Portuguesa

«А вы уже были в A Vida Portuguesa?»

Seasons of life
ЕГЭ по просветлению ЕГЭ по просветлению

Почему нужно перестать сдавать лето на отлично

VOICE
«Почему вы хотите завоевать весь мир?» «Почему вы хотите завоевать весь мир?»

Страх ядерной войны между США и СССР был настолько высок, что передался детям

Дилетант
Яркий кадр Яркий кадр

Заказчики этой квартиры оказались большими фанатами кино и поп-арта

Идеи Вашего Дома
Недобрососедские отношения: как зумеры обесценили мечту миллениалов и что из этого получилось Недобрососедские отношения: как зумеры обесценили мечту миллениалов и что из этого получилось

Почему зумерам и миллениалами так сложно взаимодействовать друг с другом?

Правила жизни
Когда медицина перестает быть бумажной: как Москва лечит людей и спасает деревья Когда медицина перестает быть бумажной: как Москва лечит людей и спасает деревья

Как электронная медицина спасает сотни деревьев?

Правила жизни
Александр Дашевский и Рубен Монахов Александр Дашевский и Рубен Монахов

Беседа с художниками, которые открыли artist-run space НеНеМу

Собака.ru
Погубить на корню Погубить на корню

10 привычек, которые портят твои волосы

Лиза
В ожидании телепортации В ожидании телепортации

Передовые технологии помогут сблизить скорость данных и перемещений

Монокль
Артериальное движение Артериальное движение

Как прошли съемки фильма про зимние дороги и людей, которые по ним едут

Автопилот
Как принудительные браки становятся способом избежать уголовного наказания Как принудительные браки становятся способом избежать уголовного наказания

Как традиции позволяют преступникам избежать ответственности через браки

Forbes
Как мы переживали Как мы переживали

Суббота 23 ноября 1963 была рабочим днём, радио выдавало новость за новостью...

Дилетант
Михаил Бахтин Михаил Бахтин

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

Дилетант
Открыть в приложении