В прошлом году в Великобритании, Франции и Германии ветряная и солнечная энергия оценивалась дешевле, чем энергия, произведенная из ископаемых видов топлива, и, следовательно, возобновляемая энергия больше не нуждается в государственной поддержке.
Но когда нет соответствующих погодных условий (в пасмурные и безветренные дни) производство энергии по-прежнему зависит от ископаемого топлива и ядерной энергии. Для сохранения энергии, произведенной из возобновляемых источников, после перехода электроэнергетики полностью на возобновляемую энергетику потребуется колоссальное накопление энергии в системе электросети.
Сегодня существует несколько устоявшихся технологий для хранения энергии на уровне сетей. Но ни одна из них не может быть развернута в необходимом масштабе и с достаточной скоростью.
Самой старой является гидроаккумулирование, при которой энергия путем закачки воды собирается в более высоком резервуаре, а затем через турбину поступает обратно, вырабатывая электроэнергию по мере необходимости.
При инновационной технологии гидроаккумулирования в качестве нижнего резервуара используется емкость, расположенная на дне. Верхний резервуар или трансмиссионная труба не требуются, так как необходимое давление обеспечивается за счет окружающей воды.
Эта технология в ближайшее время имеет значительный потенциал для обеспечения высокомасштабируемого способа хранения энергии, интегрированного с другими энергетическими объектами в сети.
Обычная гидроэнергия.
Наиболее экономичным способом хранения больших объемов энергии является гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). Избыточная энергия образуется за счет перекачки воды из низкорасположенного резервуара в другой резервуар, расположенный выше. Когда необходимо электричество, вода возвращается в нижний резервуар, проходя через турбину, вырабатывающую энергию. Энергоэффективность в обоих направлениях обычно составляет от 70 до 80%. Общий мировой объем установок ГАЭС 127 ГВт, что составляет более 99% от общего количества хранилищ в мире.
Номинальная мощность ГАЭС может быть легко рассчитана путем умножения массы воды на высоту и ускорение под действием силы тяжести. В Интернете появился ряд сомнительных предложений по установке малогабаритных ГАЭС и других потенциальных энергетических систем внутри зданий.
Простые расчеты показывают, что данная технология не подходит для такого применения. Например, типичный дом потребляет около 1 кВт электроэнергии, а его крыша находится на высоте около 5 м от земли. Следовательно, для хранения 12 кВт-ч на 12-часовой период, необходимо 880 тонн, что потребует значительного укрепления фундамента и конструкции, следовательно, способ хранения такого небольшого количества энергии экономически не оправдан.
Чтобы ГАЭС была экономичной, надо использовать уже существующую геологическую среду, чтобы она «выдерживала весь объем воды». Существуют примеры относительно небольших проектов ГАЭС, работающих там, где эта поддержка доступна. Например, компания GE произвела цилиндры высотой 40 м, которые содержат 40 000 тонн воды у основания ветряной турбины. Эти ветряные турбины расположены на горном хребте высотой 200 м над естественным резервуаром, что обеспечивает запас энергии 18 МВтч с пиковой мощностью 3,4 МВт для каждой турбине.
Такой тип интеграции может применяться на отдельных объектах, но из-за особых требований его применение весьма ограничено.
ГАЭС может быть наиболее успешным для крупных установок, в которых резервуары ограничены окружающей геологией, а труба высокого давления, соединяющая резервуары, бурится через горную породу для обеспечения опоры. Перепад высот между верхним и нижним пластами может превышать 500 метров.
Потенциальные участки должны быть расположены относительно близко к населенным пунктам, имея при этом необходимые геологические условия для создания двух больших резервуаров с достаточной разницей по высоте.
Насосно-складская установка Raccoon Mountain в штате Теннесси имеет верхний резервуар площадью 214 га, расположенный на высоте 320 м над турбиной. Ее мощность - 36 ГВтч, производительность - 1652 МВт в течение 22 часов.
Подходящие горные объекты возле городов обычно являются культурными объектами, например, это национальные парки, что затрудняет строительство крупных плотин и другой необходимой инфраструктуры.
Однако это может измениться, если станет возможно расположение верхних резервуаров морской воды в горах недалеко от прибрежных городов. Тогда можно будет использовать море в качестве нижнего водохранилища, что позволит сократить расходы на строительство и потребление воды, а также значительно увеличит количество доступных мест.
Ограниченность батарей.
В недавно установленных решеточных батареях используется литий-ионная технология на основе кобальта. Эта технология не является устойчивой из-за нехватки кобальта, необходимого для электрификации транспортных средств. Хотя предложение кобальта первоначально соответствовало растущему спросу, вызванному мобильными устройствами, с 2015 года спрос на электромобили привел к повышению цены на кобальт на 300 процентов.
Ежегодно в мире производится около 80 миллионов автомобилей. Электромобилю с аккумуляторным питанием требуется около 10 кг кобальта (Tesla использует вдвое больше). Это означает, что 800 000 тонн кобальта потребовалось бы ежегодно, если бы каждый новый автомобиль представлял собой небольшой аккумулятор-электромобиль. Это в восемь раз превышает текущую ежегодную добычу кобальта в мире, но этот материал также необходим для других металлических сплавов и катализаторов. Поэтому переход на возобновляемые источники энергии потребует значительного увеличения поставок кобальта.
Кобальт входит в состав различных минералов, и обычно его получают как побочный продукт при добыче других металлов, таких как медь, никель или серебро. Около 60% мирового кобальта в настоящее время поставляется Демократической Республикой Конго. Сочетание политических проблем в бассейне реки Конго, нестабильность поставок, вызывают интерес к добыче кобальта в других странах, расположенных ближе к основным рынкам.
Мировые запасы кобальта на суше оцениваются в 7 млн. тонн.
Одновременно растет коммерческий интерес к разработке морских конкреций, лежащих на морском дне. Считается, что такие конкреции в конечном итоге смогут с экономической точки зрения поставлять достаточное количество кобальта для автомобильной электрификации. Например, в зоне Кларион-Клиппертон - большая часть Тихого океана, простирающаяся от западного побережья Мексики до Гавайских островов - содержится приблизительно 44 млн. тонн кобальта.
Однако глубоководная добыча имеет свои проблемы. Запасы кобальта в основном залегают на больших глубинах в глубоководных районах океана. Для их добычи потребуются новые роботизированные системы. Разработка и развертывание их в масштабе займет определенное время.
Экологическое воздействие глубоководной добычи также является серьезной проблемой. Самые богатые участки имеют концентрацию 160 тонн кобальта на квадратный километр. Таким образом, добыча кобальта, необходимая для полностью электрифицированной мировой автомобильной промышленности, будет означать добычу около 5000 км 2 в год. Как это повлияет на живущие там организмы, пока неизвестно. Поскольку глубоководная среда обитания в значительной степени не изучена, то существует вероятность потери некоторых видов морских обитателей, что может сказаться на способности океанов противостоять изменению климата.
Добыча из морской воды.
В самой морской воде также есть кобальт. При средней концентрации около 0,39 мкг/л - это составляет 507 млн. тонн в мировом океане. Эксперименты показывают, что при селективном поглощении он может извлекаться из воды около нефтяных вышек и плавучих ветряных турбин. Со временем это может обеспечить достаточные запасы, но, как и в случае глубоководной добычи конкреций, вряд ли удастся достичь таких масштабов, которые необходимы для достижения неотложных климатических целей.
Является ли это решением?
Новая форма ГАЭС была разработана Фраунгоферовским институтом экономики энергетики и технологии энергетических систем в Германии. В проекте под названием «Хранение энергии в море» (StEnSea) используются бетонные сферы, закрепленные на морском дне. Для накопления энергии вода откачивается из сфер под давлением окружающей морской воды. Когда энергия требуется, вода поступает обратно в сферы, приводя в движение турбины.
Как будет построена одна из сфер. По окончании строительства в сферу будет поступать вода для запуска турбины и выработки электроэнергии, когда это необходимо.
Верхний резервуар или трансмиссионная труба не требуются, так как окружающая морская вода обеспечивает необходимое давление воды. Не требуется площадка на поверхности земли, что снижает опасность обрушения плотины и повышает эффективность хранения, поскольку испарения в верхнем резервуаре не влияют на объем накопленной энергии.
Предполагается, что сферы диаметром 30 м будут расположены на глубине 700 м, что обеспечит номинальную емкость хранения 27 МВтч.
Техническая сложность при откачке воды из погруженной сферы заключается в снижении внутреннего давления. Если бы в емкости сохранялось достаточное количество воздуха для поддержания атмосферного давления, когда она перекачивается пустой, то при заполнении водой на глубине 700 м это занимало бы только 1% объема. Однако исследователи обнаружили, что для предотвращения кавитации в основном насосе-турбине выгодно использовать питающий насос. При этом наполняется цилиндр, который затем подается в турбину насоса. Оба насоса должны иметь давление на входе выше чистого положительного напора на всасывании, чтобы избежать кавитации при перекачивании воды из внутреннего объема в цилиндр или из цилиндра в сферы.
Первоначальное четырехнедельное испытание системы было проведено в 2016 году с использованием масштабной модели 1:10, работающей на глубине 100 м в Боденском озере. Экономический анализ показал, что при размещении в пределах энергетического парка, содержащего более 100 единиц, в оптимальном месте капитальные затраты на единицу продукции составили бы около 8 млн. евро. Стоимость хранения будет составлять около шести-семи евроцентов за кВт/ч, таким образом эта система более экономична, чем многие традиционные системы ГАЭС.
Однако без субсидий при текущих ценах на энергоносители такой проект экономически нецелесообразен. Для рентабельной эксплуатации коммерческой системы энергетический арбитраж или разница между ценой покупки и продажи должна составлять не менее 4 еврокарт/кВт-ч и с потенциалом до 20 еврокарт/кВт-ч для малоиспользуемых систем.
Хотя анализ показал, что StEnSea может эксплуатироваться на глубинах от 200 до 1500 м, наиболее экономично, если толщина бетонной стены, требуемая для выдерживания гидростатического давления, обеспечит достаточную балластную массу. Было установлено, что оптимальными местами являются глубины воды от 600 до 800 м с уклоном морского дна менее одного градуса. Они также должны находиться в пределах 100 км от электрической сети и базы технического обслуживания и в пределах 500 км от монтажной базы.
Исследования показали, что только такие оптимальные площадки могут обеспечить общую глобальную емкость хранения 817 ТВт-ч. Это составляет примерно два дня от общего потребления энергии в мире. На долю пяти ведущих стран (США, Япония, Саудовская Аравия, Индонезия и Багамские Острова) приходится 39% этой мощности. Однако другие страны также располагают значительными мощностями для удовлетворения собственных потребностей в хранилищах. Например, Франция обладает потенциальной мощностью 5,7 ТВт-ч.
Предполагается, что хранилища будут расположены вблизи морских ветровых турбин, что снизит потребность в инфраструктуре. Плавающие ветряные турбины хорошо подходят в связи с тем, что бетонные сферы могут выполнять двойную функцию в качестве опорных точек для турбин.
Проверенная технология.
Система StEnSea не оказывает влияние на нетронутые горные ландшафты и не требует ресурсов редких металлов. Технология уже была опробована на демонстрационном стенде в уменьшенном масштабе, и были определены основные местоположения. Экономический анализ также показал, что такие системы накопления энергии могут быть запущены в коммерческую эксплуатацию.
В сочетании с плавающими ветряными турбинами система может обеспечить возобновляемую энергию практически на уровне базовой нагрузки и выполнять двойную функцию в качестве опорного пункта для платформ генерации. Следовательно, она способна обеспечить необходимый масштаб хранения энергии на уровне сетей для полного перехода к возобновляемым источникам энергии с минимальными негативными последствиями.