С точки зрения электросетевого хозяйства в целом в условиях широкого распространения малой генерации (в ряде стран, как мы помним, уже действуют миллионы малых солнечных электростанций) бытовые системы накопления энергии весьма полезны – они способствуют стабилизации сети, сглаживают неравномерности нагрузки.
Промышленные системы
В масштабах страновых энергосистем и мира в целом задача создания идеальных (дешевых и эффективных) способов хранения, накопления энергии пока полностью не решена. При этом ведется гигантская научно-исследовательская и экспериментальная работа по поиску соответствующих решений. В разработку систем хранения энергии инвестируют такие известные деятели, как Билл Гейтс и Уоррен Баффетт[190], а также уже упоминавшийся Илон Маск.
Сжатый воздух (Compressed air energy storage), преобразование избыточной электроэнергии в газ (power-to-gas), криогенные системы накопления энергии (Liquid air energy storage/LAES), супермаховики (Flywheel storage) – разнообразие более или менее экзотических методов накопления энергии велико. Многие из них уже воплощены в опытных или даже промышленно-действующих образцах. Мы не сможем уделить внимание каждому из них и остановимся на наиболее важных.
В ситуации, когда на традиционную неравномерность потребления электроэнергии накладывается нестабильность генерации ВИЭ, требования к резервным и накопительным буферным мощностям существенно возрастают. Напомним, что всякая энергетическая система требует наличия так называемых выравнивающих (резервных) мощностей. Это обусловлено неравномерностью потребления электрической энергии в течение суток. Традиционно роль таких выравнивающих мощностей играют гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) – одно из древнейших средств накопления энергии. Мощности действующих в мире ГАЭС пока многократно превышают любые альтернативные средства хранения энергии вместе взятые. Гидроаккумулирующая электростанция действует по следующему принципу. Имеется два резервуара, находящихся на разной высоте. Во время минимума энергопотребления ГАЭС с помощью полученной из сети (дешевой) электроэнергии перекачивает воду в верхний резервуар. Во время пиков энергопотребления станция, напротив, сбрасывает воду из верхнего резервуара в нижний, вырабатывая (дорогую) электроэнергию. При всей массивности и кажущейся неповоротливости конструкции ГАЭС отличается достаточно быстрым откликом на изменения спроса/предложения в электрической сети, запускаясь в течение нескольких минут.
Имеющиеся европейские емкости ГАЭС в принципе позволяют решать задачу накопления энергии в современных условиях. По мнению Экспертного совета правительства Германии по вопросам окружающей среды, Европа в целом обладает природными ресурсами для обеспечения с помощью ГАЭС стабильности энергосистемы, функционирующей на основе даже 100 % ВИЭ. Речь идет в первую очередь о Норвегии и Швеции, а также Австрии. Правда, для решения этой задачи потребуется существенное расширение сетей передачи энергии[191], что, собственно, и наблюдается сейчас. «Через пять лет Норвегия станет “аккумуляторной батареей” Германии» благодаря осуществлению проекта NordLink – прокладке подводной высоковольтной линии электропередачи[192].
Тем не менее ГАЭС имеет ряд существенных недостатков. Для строительства электростанции нужны подходящие рельефно-географические условия, ее возведение связано со значительным вмешательством в окружающую среду. Отмечая технологические особенности ГАЭС, связанные с перекачкой воды и соответствующими энергозатратами, противники называют ГАЭС «пожирателями энергии», хотя КПД других систем накопления энергии, как правило, не выше.
Для покрытия пиковых нагрузок в электрической сети наряду с ГАЭС традиционно применяются газотурбинные электростанции, обладающие высокой скоростью реакции – быстрым (в течение нескольких минут) набором мощности. Тем не менее с увеличением доли ВИЭ в энергетических системах регулирование нагрузки с помощью традиционных электростанций становится все более затруднительным. Кроме того, удельная приведенная стоимость производства электроэнергии (LCOE) пиковыми газовыми электростанциями, имеющими, как правило, низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), высока и в большинстве случаев превышает удельные затраты генерации ВИЭ[193].
В настоящее время бизнес газовой электрогенерации переживает не лучшие времена. Например, Германия в течение последнего десятилетия живет в условиях переизбытка электрической энергии и соответствующих низких биржевых цен (в первую очередь это связано с ростом производства электричества из возобновляемых источников). Это приводит к нерентабельности газовой генерации при существующих ценах на голубое топливо. Также следует подчеркнуть, что пиковые газовые электростанции – устройства единичного назначения, они по природе своей не способны хранить энергию.
Поэтому одним из перспективных направлений совершенствования промышленных систем хранения энергии является развитие аккумуляторной техники, несмотря на нынешние высокие удельные капитальные затраты. Электрические аккумуляторы не только заменяют газовые турбины в качестве регулятора пиковых нагрузок, но также выполняют и другую важную роль – сохраняют выработанную электроэнергию.
В сентябре 2014 г. вступил в коммерческую эксплуатацию первый в Европе «Батарейный парк», назначением которого является накопление энергии и стабилизация электросети – выравнивание неоднородности нагрузки и частоты в электрической сети с помощью накопителей энергии – аккумуляторов[194]. Мощность предприятия – 5 МВт, емкость аккумуляторов – 5 МВт · ч. Производитель используемых литийионных батарей, Samsung, гарантирует заявленные технические параметры в течение 20 лет. В отличие от традиционных электростанций, выполняющих регулирующие функции, аккумуляторная система работает быстрее и с большей точностью, реагируя на изменения в миллисекунды, что идеально подходит для энергетической системы с большой долей ВИЭ.
Другим многообещающим направлением развития аккумуляторных систем хранения являются так называемые проточные редокс-аккумуляторы (Redox flow batteries), хранение и отдача энергии которыми осуществляется путем химической реакции в жидком, как следует из названия, электролите. Такие батареи имеют на сегодняшний день уже довольно широкое промышленное применение. Они недороги (дешевле литийионных), надежны и долговечны. Их недостатком является относительно низкая плотность энергии, поэтому для создания сколько-нибудь значительных электрических емкостей требуются большие объемы электролита и габариты самих батарей. Тем не менее активные исследования и эксперименты с химическим составом проточных аккумуляторов постепенно повышают их эффективность. Американские производители утверждают, что через два-три года использование данного вида накопителей энергии будет дешевле, чем применение пиковых газовых электростанций[195].
Таким образом, вполне вероятно, что промышленные системы накопления энергии на основе электрических аккумуляторных батарей займут видное место в энергетической системе будущего.
Интересные перспективы развития «оптовых» систем хранения электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, связаны с водородной энергетикой, которая сегодня рассматривается в качестве одного из главных потенциальных направлений энергетики будущего. Водород является эффективным и экологически чистым видом топлива. Однако для его производства из воды путем электролиза нужна электрическая энергия. В то же время установленные мощности солнечной и ветряной генерации периодически производят «излишки» энергии. Это, в частности, проявляется в отрицательных оптовых ценах на электроэнергию, время от времени фиксируемых на немецком биржевом рынке. При дальнейшем сокращении зеленых тарифов возникает проблема реализации чистой электроэнергии, например в летние солнечные воскресные дни, когда спрос на электричество минимален. Вот здесь и может использоваться технология «power-to-gas» (энергия-газ), позволяющая производить водород электролизом с помощью «лишнего» электричества и обеспечивать длительное хранение его больших объемов с последующим использованием по потребности. Обратное преобразование водорода в электричество происходит путем химической реакции водорода и кислорода в топливном элементе. Несмотря на довольно высокий процент потерь, использование данного метода все равно рационально по сравнению с потерей энергии или ее продажей по отрицательным ценам.
Впрочем, и на бытовом уровне системы power-to-gas могут быть востребованы. Еще в 2006 г. в США был реализован пилотный проект независимого от централизованного электроснабжения индивидуального жилого дома, в котором избытки летней солнечной электроэнергии преобразовывались в водород, закачиваемый в газгольдер и используемый в холодное время года для производства тепла и электроэнергии посредством топливного элемента[196]. В настоящее время активные исследования в области домашнего использования водородных систем хранения ведутся и в других странах.
