Грядет ли “революция” в области хранения энергии?

Иллюстрация Pixabay.com

В соответствии с Посланием Президента Российской Федерации Федеральному Собранию 2021 г. среди технологических приоритетов российской энергетики выделены развитие атомной и водородной энергетики, а также накопителей энергии, что в немалой степени обусловлено существенным влиянием климатических и зеленых проблем на мировую энергетику и политику. Указанные направления предполагают активизацию международного сотрудничества, что особенно важно в настоящее время, когда мир сталкивается с обострением геополитической конфронтации на глобальном и региональном уровнях. 

На наш взгляд, климатическая и зеленая повестка может содействовать разрядке (детанту) в международных отношениях, т.е. объединению усилий мирового сообщества, взаимодействию правительственных, научных и деловых кругов ведущих стран   в решении острых проблем, связанных с изменением климата и достижением целей устойчивого развития (ЦУР), что предполагает в первую очередь сотрудничество по разным зеленым аспектам традиционной и альтернативной энергетики. Характерно, что на состоявшемся в начале июня с.г. ПМЭФ 2021 зеленая проблематика прямо или косвенно обсуждалась в рамках по крайней мере 15-20 тематических секций или панельных дискуссий. На намеченном на октябрь 2022 г. в Санкт-Петербурге юбилейном 25 -м Конгрессе Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), основным девизом которого является тезис «энергия для человечества», предполагается широкое обсуждение перспектив зеленой энергетики. В этой связи целесообразно отметить, что указанная проблематика становится приоритетной в научной и образовательной сферах деятельности МГИМО (У) МИД РФ. В частности, в соответствии с решением Ученого Совета МГИМО от 31 мая 2021 г. на базе МИЭП МГИМО создан Международный центр водородной энергетики, в рамках которого планируется разрабатывать научные и образовательные проекты, связанные с международными аспектами водородной и других секторов зеленой энергетики по экономическим, геополитическим и технологическим проблемам. Далее мы рассмотрим перспективы развития накопителей и других средств хранения энергии, что является важным направлением зеленой энергетики.

Общие подходы

Повсеместное наступление “зеленой” повестки, ее охват и влияние на все более нарастающее число сфер деятельности человека уже считаются свершившимся фактом, а сам процесс принял необратимый характер.

Некоторые экономисты и политологи уже (и небезосновательно) поспешили назвать “зеленую” повестку одним из основных драйверов грядущей Четвертой индустриальной революции. Согласно этой повестке, наряду с другим, низкоуглеродная энергетика и промышленные производства должны к 2050-2060 гг практически полностью вытеснить и заменить традиционные ископаемые источники энергии и углеродоемкие процессы и технологии, чтобы выполнить требования Парижского соглашения 2015 г по климату.

Получили дополнительный мощный толчок и ряд “зеленых” технологий, особенно в области использования энергии солнца и ветра.

В то же самое время незаслуженно в стороне остается очень важный аспект достижения не только низко-углеродной промышленности и энергетики, но и их устойчивое развитие. Недавние события в США и Германии доказали очевидное – только с помощью ВИЭ нельзя получить устойчивую модель. Причина тому циклический, непостоянных характер первоисточников: используемое время солнцестояния занимает не более трети суток, а подходящий ветер имеется менее чем 20% от календарного времени в году. Гидроэнергетика и геотермальные решения тоже не работают всегда 100% от времени, и кроме того сильно ограничены по объемам и географии. С другой стороны, часто есть моменты перепроизводства энергии от ВИЭ и атомных станциях и тогда приходится отключать одни или другие источники.

В настоящее время балансирование энергосистем в периодах пикового потребления осуществляется главным образом за счет угля, природного газа и атомной энергетики (там где она есть). Согласно “зеленой” повестки, угольная энергетика должна перестать существовать к 2050-60 гг., природный газ же например в ЕС считается только переходным источником до 2050 г. Многие государства в т.ч. Российская Федерация и США привержены сохранению атомной энергетики и ее дальнейшему совершенствованию, но проблема в том, что диапазон регулирования энергоотдачи, имеет жесткие пределы и не позволяет включать и выключать реакторы по желанию оператора. Возникает закономерный вопрос, как балансировать новую “зеленую” энергетическую систему и что будет служить ее резервной мощности.

Наиболее распространенное мнение, что эта роль в будущем будет закреплена за “зеленым” водородом. В период переработки отдачи ВИЭ лишняя энергия будет использоваться для производства “зеленого” водорода, а в период простаивания ВИЭ водород сам будет служить энергоисточником. Интерес к водороду более чем обоснован. Он может не только служить как долгохранимый резерв, но и сам по себе является очень калорийным и безуглеродным источником. Эго можно транспортировать в сжиженном или копримированном состоянии, и даже транспортировать по существующим более современным газопроводам, правда пока только как добавку до 20-25% к газу. Водород уже успешно применяется и в различных видах топливных элементах. Уже набирает обороты целый сектор индустрии устройств для использования водорода, от турбин и двигателей до домашних бойлеров и т.д. В то же время, при уровне сегодняшних технологий для получения 1 квт энергии от водорода, нужно заранее затратить от 6 до 10 квт энергии от ВИЭ, хотя это вопрос времени, чтобы цены на оборудование снизились до приемлемых стоимостей. Кроме других вызовов, водород не всегда применим или окупаем при большей децентрализации энергоснабжения. По этому, чем больше будет расти доля ВИЭ, тем более остро будет стоять вопрос о надежном, устойчивом и гибким сохранение энергии и ее обратном использовании.

Тема не новая

В мире давно существуют решения на базе гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), позволяющие выравнивать суточную неоднородность графика электрической нагрузки. Принцип работы основан на отдачи энергии в момент наибольшего спроса и использовании излишек энергии в перод провала потребления для накачки воды обратно в основное водохранилище.

Как было указано ранее примерно такой же цикл предусмотрен и для водорода в большей части его возможного использования.

Хранение электрической энергии в батареях питания и разного рода аккумуляторах тоже очень давно известные вещи в ежедневном обиходе. Их проблема в маломощости. Но уже есть достаточно компактные аккумуляторные хранилища мощностью в десятки и даже сотни мегаватт и их цена на квт стремительно падает. Согласно Блумберг NEF цена литий-ионного аккумулятора в 2010 г. была 1000 долларов США за киловатт установленной мощности. В 2025 г ожидается, что стоимость за тот же объем будет 100 долларов США.

Сравнительно новое направление сформировалось и вокруг развития технологии redox батарей, работающих на основе сокращания и оксидации (отнятие и добавление электронов) двух элементах через мембрану, что в результате дает электрическую энергию.

Существуют и разрабатываются другие технологии хранения энергии. Наряду в водородом, есть целое “семейство” технологий “Энергия-в-газ”, позволяющие превращать и использовать как энергоносители метанол, аммиак и даже тот же СО2, который вместе с “зеленым” водородом дает углеродно-нейтральный био-метан и т.д.. Их всех тоже можно производить с помощью ВИЭ в период перепроизводства ими энергии, что делает их “зелеными”. Все они находятся на разных этапах развития и пока их стоимость на единицу хранимой энергии не предполагает их среднесрочной окупаемости.

Не стоить забывать и о уже ставших классическими биогазы, получаемыми напрямую из биомассы (через анаеробную ферментация или пиролизным путем) и которые считаются полностью “зелеными”. В этом плане идет и поиск возможностей долгосрочного хранения био-карбона, получаемом при пиролизации биомассы как остаточный продукт. Его сжигание, особенно с использованием парового риформинга дает очень обнадеживающие результаты, тем более что хранить, транспортировать и использовать его на практике легко и совершенно безопасно.

Отдельные кластера представляют собой геотермальные и тепловые системы хранения (в т.ч. и на основе расплавленной соли), а также криогенная энергетика.

Все больше внимание уделяется и т.н. гравитационным устройствам, где при помощи перепроизводства груз поднимается на высоту, а в последствии при его спуске производится обратно энергия (принцип похож на ГАЭС, но вместо воды используется твердотелая масса). Так же работают и т.н. “супер маховики”.

Есть и варианты использующие сжатие воздуха для сохранения и обратное получение энергии при его освобождении.

Таким образом налицо широкая гамма возможностей и применений. Это дает большую гибкость при формировании и обеспечении безопасности и балансированости энергосетей, а также позволяет обеспечить наиболее поoходящий микс мощностей и технологий для каждого отдельного случая, особенно с учетом децентрализации сетей и потребностей. Это важно и для оптимальной и с наименьшими затратами работы. Доводить электричество от АЭС и других крупных производителей энергии например до отдаленных районах дорого, и поэтому сочетание местных ВИЭ с набором систем хранения может быть самой удачной комбинации. Таким образом уменьшится и доля потерь в сетях электропередачи.

При рассмотрении роли и места отдельных технологий надо конечно учитывать в первую очередь степень их внедрения и совершенствования. Но кроме этого важно иметь ввиду следующие (порядок упоминания не по значению) факторы.

Во-первых это плотность энергии на единицу массы. От этого зависит не только мобильность сооружения, но и необходимое физическое место для строительства и т.д. Разумеется, чем выше этот фактор, тем шире применение технологии.

Во-вторых, это динамика зарядки и отдачи энергии. Геотермальные системы требуют много времени для отдачи, а батареям и суперконденсаторам хватит долей секунды.

Третий параметр - это длительность хранения и степень саморазрядки.

В четвертых, при формировании концепции хранения конечно очень важную роль играет и цена на установленную мощность.

Наконец, надо учитывать и коэффицент полезного действия системы. Согласно физическим законам есть потери при хранeнии и получении обратно энергии. В зависимости от соотношения и цены таких затрат будут оцениваться экономическая целесообразность системы и технологии хранения в сравнении.

Создание гибридных систем производства и хранения зеленой энергии, объединяя разные технологии в зависимости от местных нужд их оптимальное управление намного упрощается широким введением цифровизации и автоматики энергетики. При этом в рамках отдельного завода, поселка, района и даже небольшого города можно будет создавать свои энергетические экосистемы, отвечающие в наибольшей степени экологическим требованиям и устойчивого развития. Обеспечение резерва мощностей и стабильности сетей тоже значительно выиграет.

На сегодняшний день не более 3% энергии хранится в разных видах накопителях и систем хранения. Считается, что на пути достижения целей Парижского соглашения по климату эта цифра должна составить не менее 10%. При этом без прямого учета тенденции нарастания потребления энергии. По некоторым подсчетам доля рынка хранeния энергии уже к 2025 г. достигнет отметки в 175 миллиардов долларов США, не включая косвенные услуги при производстве и введении в эксплуатацию.

Таким образом можно допустить, что мир действительно на пороге революции в области хранения энергии, особенно в плане большой “зеленой” сделки.

Проблемы и ограничения

Развитие систем хранения, особенно разного рода батарей, топливных элементах, аккумуляторов, конденсаторов (capacitators) и т.д. потребует также значительного увеличения добычи и производства редких металлов, такие как литий, никель, кобальт и др. Их разведанных запасов не так много как кажется, а их добыча сопровождается рисками для окружающей среды, а природосообразная и безопасная утилизация оставляет пока желать лучшего. Без решения этих проблем, в т.ч. прежде всего поиск и нахождение их замены поставленные цели в секторе могут оказаться недостижимыми. Таким образом, предсказать сегодня структуру и соотношение отдельных систем систем хранения не представляется возможным.

Если смотреть на хранение энергии как компонент с точки зрения более высокого уровня решений “зеленой” повестки, то оно органично вписывается в модели производства и наличия энергии, объединяющую АЭС, ВИЭ, водород и другие не-биологические газы.

Надо однако также учитывать, что достижение полной углеродной нейтральности невозможно без увеличения способности поглощения части выделяемого диоксида углерода антропогогенного происхождения и метана (за счет лесов, физического улавливания СО2 и метана и их конвертирование, и т.д.).

Кроме этого даже наиболее успешное применение “иерархии” управления отходов не дает результат “ноль отходов” (в добавок уже аккумулированных на свалках), так что и вопрос с природосообразной утилизации отходов стоит очень остро. В то же время отходы представляют собой не только возможный ущерб, но и ресурс, позволяющий производство низкоуглеродной энергии в форме горючих газов, тепла и электричества и т.д. (отходы выступают как Вторичные возобновляемые источники энергии - ВВИЭ). Хранение в свою очередь находится посередине треугольника “Производство “зеленой” энергии – управление отходами – поглощение СО2” и имеет неоценимое и даже незаменяемое место в достижении целей “зеленой” повестки.