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

Современная космология – точная наука Современная космология – точная наука

Космологии многое предстоит сделать в будущем, но серьезный фундамент уже создан

Знание – сила
Нет денег – нет детей Нет денег – нет детей

Почему продолжается снижение уровня рождаемости в мире?

Ведомости
Проклятье малой серии Проклятье малой серии

Как российскому автопрому нарастить производство?

Монокль
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
Человек, а не товар: почему в разных странах продают и покупают невест Человек, а не товар: почему в разных странах продают и покупают невест

Где и почему сохраняется традиция продажи невест

Forbes
Китайская оценка Китайская оценка

«Русал» получил третий китайский рейтинг в этом году

Ведомости
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
Будет не жирно? Будет не жирно?

Какой вклад в борьбу с ожирением могут внести производители продуктов питания

Агроинвестор
Земля Султана Земля Султана

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

ЖАРА Magazine
«Послы Ермака у Красного крыльца перед царём Иоанном Грозным» «Послы Ермака у Красного крыльца перед царём Иоанном Грозным»

Настоящее покорение земель Сибири началось в 1580-х годах

Дилетант
Без диплома, но с работой Без диплома, но с работой

Почему студенты колледжей бросают учебу?

Ведомости
Карапузики, тупорылые рептилии и не только: 5 животных с самыми забавными названиями Карапузики, тупорылые рептилии и не только: 5 животных с самыми забавными названиями

Не рыбой-каплей едины: существа с необычными названиями

ТехИнсайдер
Столкновение умов: как не проиграть конкуренцию в борьбе за лидерство в области ИИ Столкновение умов: как не проиграть конкуренцию в борьбе за лидерство в области ИИ

Как на самом деле развивается ИИ в России?

Forbes
Советский феникс Советский феникс

Как разрушенная страна восстала из пепла за одну героическую пятилетку

Монокль
Ты же девочка! Как стереотипы о женственности влияют на нашу самооценку Ты же девочка! Как стереотипы о женственности влияют на нашу самооценку

Как проявляется мизогиния в нашей жизни и как правильно с ней бороться?

Лиза
Молодежь рвется наверх Молодежь рвется наверх

Молодежь выбирает стабильную карьеру вместо быстрых, но временных заработков

Ведомости
Небо и море люблю одинаково… Небо и море люблю одинаково…

Боевой и жизненный путь генерал-майора авиации Ивана Васильевича Рожкова

Знание – сила
Не жизнь, а кино Не жизнь, а кино

Путешествуем по России с героями популярной киносаги «Последний богатырь»

Лиза
Океан в деталях Океан в деталях

Пентхаус в Дубае в стиле европейского минимализма с атмосферой курортного отдыха

SALON-Interior
31 млн машин. Как Китай завоевал мировой авторынок и при чем тут Россия 31 млн машин. Как Китай завоевал мировой авторынок и при чем тут Россия

Как китайскому автопрому удалось добиться мирового господства

РБК
Сезон веранд Сезон веранд

Как организовать пространство аутдор

Новый очаг
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.
Цветок для смелых Цветок для смелых

Проект суперъяхты Lily разработали для верфи Oceanco в дизайн-бюро Vripack

Y Magazine
Cтенка на стенку Cтенка на стенку

Чем стрит-арт отличается от вандализма?

Правила жизни
У Ричарда Османа выходит книга «Мы раскрываем убийства». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок У Ричарда Османа выходит книга «Мы раскрываем убийства». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок

Отрывок из книги «Мы раскрываем убийства» Ричарда Османа

Maxim
Билайн: Дорога в облака Билайн: Дорога в облака

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

РБК
Шимпанзе способны оказывать медицинскую помощь друг другу Шимпанзе способны оказывать медицинскую помощь друг другу

Приматы не только залечивают собственные раны, но и помогают сородичам

ТехИнсайдер
Как выбрать кроссовки для спорта Как выбрать кроссовки для спорта

8 советов, которые помогут подобрать правильную обувь для тренировок

Лиза
Фондовое подспорье: где найти деньги для экономики Фондовое подспорье: где найти деньги для экономики

Путь к улучшению состояния экономики РФ: фондовый рынок как источник инвестиций

РБК
Разборки из-за жаб Разборки из-за жаб

К чему может привести путешествие с лягушкой в кармане и при чем здесь Трамп?

Правила жизни
Открыть в приложении