Долговременное хранение энергии (Long-Duration Energy Storage, LDES) важно для декарбонизации энергосистемы, но системы масштаба гигаватт-часа по-прежнему сложны для практической реализации. Вот некоторые из последних инноваций, которые охватывают широкий спектр новых и старых идей.
По мере внедрения возобновляемых источников растет спрос на системы долговременного хранения энергии, преимущества которых очевидны: хранение чистой энергии и возврат солнечной и ветряной электроэнергии обратно в сеть в периоды пикового спроса намного дешевле, чем традиционная генерация энергии на основе ископаемого топлива.
Сложность заключается в масштабировании систем хранения энергии. Интересные решения в настоящее время предлагают технологии LDES.
Продолжительность или применение?
Под LDES понимаются системы, обеспечивающие хранение энергии более восьми часов. В докладе американского федерального органа Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) была "предпринята попытка сместить акцент в определении с продолжительности на применение", и утверждалось, что продолжительность хранения "не указывает на то, как используется накопленная энергия или какую ценность она представляет для сети". Агентством перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) было предложено определение "более 10 часов". Это описание лучше подходит для большинства целей и охватывает как новые технологии, так и те, которые традиционно использовались на протяжении многих поколений, например, гидроэнергетику.
Мощность аккумуляторов.
Литий-ионные аккумуляторы более проблематичны в отношении емкости и соотношения мощности, поэтому они считаются более дорогими для длительного хранения. Сирил Йи - директор Массачусетского фонда чистой энергии Grantham Foundation и бывший главный инновационный директор климатической компании Third Derivative, говорит, что "срок службы литий-ионных батарей не очень велик - примерно 3 000 циклов". "Сетевые активы, с которыми коммунальные предприятия привыкли иметь дело, обычно рассчитаны на 20 лет. Не может быть и речи о том, чтобы литиевая батарея прослужила 20 лет, да и другие технологии и химические составы в батареях также опасны. В целом, в отношении [LDES] мы настроены более оптимистично".
Сэм Лефлох руководит отраслевым сектором в компании Third Derivative и занимается вопросами промышленной декарбонизации. "Если ориентироваться на десятки или сотни часов хранения, придется линейно увеличивать стоимость оборудования, которое используется для зарядки и разрядки", - говорит он
Вопросы финансирования.
Несмотря на то, что LDES представляет собой интересное решение, для которого инвестиции могут быть более доступны из инновационных и климатических фондов - и Йи, и Лефлох говорят, что для стартапов доступ к капиталу никогда не был проблемой - сектор испытывает трудности с переходом от перспективных идей к перспективным решениям, а ключевым вопросом в данном случае является монетизация.
"Единственное, что нас беспокоит, - это монетизация [LDES] в краткосрочной перспективе, потому что она не обязательно нужна сети, пока не будет достигнут высокий уровень проникновения возобновляемых источников энергии - 50 с лишним процентов", - говорит Йи.
Старший аналитик Wood Mackenzie Кевин Шанг считает, что коммунальные службы особенно осторожны в этом вопросе. "Экосистема LDES и новые технологии относительно новы для коммунальных предприятий и существуют только в лабораториях и исследовательских институтах", - говорит Шанг. "Для коммунальных предприятий приоритетом является обеспечение устойчивости, стабильности и безопасности энергосистемы. Поэтому они предпочитают не спешить, но сейчас ситуация улучшается".
Аккумулирование тепла.
Одной из особенно сложных областей является аккумулирование тепловой энергии (TES) - технология, которая привлекла финансирование и первые коммерческие установки, но не еще не достигла достаточного уровня масштабирования.
Поставщик оборудования для ветроэнергетики и преобразования энергии Siemens Gamesa завершила свой масштабный демонстрационный проект в Гамбурге, Германия. Представитель компании Gamesa Вероника Диас Лопе рассказала, что демонстрационная площадка в течение недели хранила до 130 МВт-ч энергии в виде тепла от вулканической породы.
"В начале мая 2022 года компания Siemens Gamesa приняла решение прекратить демонстрационную эксплуатацию электротермических накопителей энергии из-за отсутствия коммерческого рынка для крупномасштабных накопителей", - объясняет Диас Лопес
Только шведской компании Azelio удалось коммерциализировать свое решение по хранению энергию в виде тепла в переработанном алюминии при температуре до 600 С. Компания разработала 13 систем, известных как TES. Системы, которые коммерчески эксплуатируются в ОАЭ, Швеции и Южной Африке, а самая крупная установка обеспечивает хранение до 1,3 МВт-ч энергии.
Берлинская TES-компания Lumenion заявляет, что она перешла на хранение энергии только для использования в качестве тепла для систем мощностью менее 100 МВт-ч. Австралийская компания 1414 Degrees модернизирует свою систему хранения тепловой энергии.
Предложение в области TES от компании MAN Energy Solutions, расположенной в Швейцарии, не вызвали интереса, в то время как промышленные тепловые насосы этой компании пользуются огромным спросом. "В отличие от тепловых насосов у нас нет большого прогресса в области хранения энергии", - говорит Раймонд Декорвет, старший менеджер по работе с клиентами в MAN. "Я думаю, это зависит от того кто за это платит и кому это выгодно? Мы должны снести барьеры".
Одной из оставшихся надежд на TES является Malta Inc, созданная на базе компании Google Alphabe, которая получила более 85 миллионов долларов инвестиций. У Malta Inc есть демонстрационная установка для хранения тепловой энергии, установленная в Юго-Западном исследовательском институте, некоммерческой группе, расположенной в Техасе.
Надежды на сжатие.
Еще одна главная надежда LDES, аккумулирование энергии на сжатом воздухе (CAES), имеет 50-летний опыт работы, уступая с точки зрения установленного масштаба только гидроаккумуляторам. Две установки работают в Германии (мощностью 290 МВт) и Алабаме (110 МВт), с 1978 г. и 1991 г. соответственно. Исследование, проведенное в 2002 году Научно-исследовательским институтом электроэнергетики, показало, что около 80% геологических ресурсов США подходят для CAES.
Технология накапливает энергию, сжимая воздух и сохраняя его в подземной полости или контейнере. Когда необходимо воздух выпускается и приводит в движение турбины. Технология интересна тем, что быстро запускается и может хранить большое количество энергии, а ее усовершенствование все еще продолжается. Сегодня станции CAES переживают бум в Китае, где разработчики используют заброшенные шахты. Крупнейший в мире объект CAES мощностью 350 МВт/1,4 ГВт-ч расположен в соляной шахте Шаньдуна и в ближайшее время может быть расширен до 600 МВт.
Канадская компания Hydrostor, разработавшая запатентованную передовую технологию хранения энергии на сжатом воздухе, является одним из крупнейших игроков за пределами Китая. Компания, располагающая капиталом в 250 миллионов долларов, включает в число своих инвесторов Goldman Sachs. Среди проектов Hydrostor - разработка передовой технологии CAES мощностью от 300 до 500 МВт в Онтарио. Компания заключила соглашение о покупке электроэнергии (PPA) с коммунальной электрической компанией Central Coast Community Energy для предлагаемого объекта мощностью 500 МВт в Калифорнии.
Генеральный директор Hydrostor Кертис ВанВаллегем говорит, что компания стремится улучшить традиционные подходы к CAES, устранив геологические ограничения. Hydrostor advanced-CAES могут быть размещены "везде, где есть твердая порода на глубине 600 м, т.е. на более чем 50% земного шара. Технология A-CAES компании Hydrostor может обеспечить те же мегаватты и мегаватт-часы, что и гидроэлектростанции, используя при этом в 10 раз меньше земли и в 20 раз меньше воды", - говорит ВанВаллегем.
Генеральный директор утверждает, что эффективность решения его компании составляет 60-65%, а капитальные затраты на систему "находятся в диапазоне 2500 долларов США за кВт в течение восьми часов или 250-300 долларов США за кВт/ч мощности хранения, для актива со сроком службы 50 с лишним лет без снижения производительности". Система монетизируется через PPA.
Проточные батареи.
Одна из самых больших надежд в области электрохимии LDES - Form Energy, альтернативная компания на рынке батарей с большими деньгами. Компания привлекла более 800 миллионов долларов для создания железо-воздушной батареи, которая может хранить энергию в течение 100 часов при системных затратах, конкурентоспособных по сравнению с обычными электростанциями. Первое предприятие Form по производству батарей строиться в Вейртоне, Западная Вирджиния; выпуск готовой продукции ожидается в 2024 году.
Проточные батареи представляют собой еще один вектор надежды. Проточные окислительно-восстановительные устройства на основе ванадия хорошо изучены, и в рамках китайского проекта 2022 года была установлена система емкостью 400 МВт-ч. Интерес вызывают и другие подходы с использованием материалов без дорогостоящего ванадия.
Компания ESS, зарегистрированная на Нью-Йоркской фондовой бирже и специализирующаяся на производстве железных проточных батарей, недавно вышла на европейский рынок и, учитывая стремительный рост инвестиций в возобновляемые источники энергии в США, готова к увеличению спроса. Старший вице-президент по развитию бизнеса и продажам ESS Хью Макдермотт говорит, что компания наращивает производство: "Мы быстро действуем, чтобы успеть внести свой вклад в удовлетворение ожидаемого спроса на рынке LDES. McKinsey & Company прогнозирует, что к 2040 году только в США потребуется от 30 до 40 ТВт-ч LDES". Годовая производственная мощность первой полностью автоматизированной линии ESS по сборке батарей составляет 75 МВт, при этом планируется увеличить мощность до 200 МВт.
"С точки зрения совокупной стоимости наши системы хранения энергии значительно дешевле, чем литий-ионные, что объясняется тем, что наша технология не имеет ограничений по цикличности, а наши продукты рассчитаны на срок службы более 20 лет без деградации или необходимости модернизации", - добавляет Макдермотт.
Технологическая компания Third Derivative поддержала полдюжины стартапов в области проточных батарей, включая новые поколения проточной химии, в которой используются органические соединения и материалы, альтернативные ванадию, такие как цинк-воздух. Однако, как говорит Шанг из Wood Mackenzie: "Требуются более значительные инвестиции. Главное, что развертывание [LDES] в больших масштабах имеет много преимуществ. Для общества это является огромным преимуществом, но сейчас нам нужно еще больше планировать, еще больше инвестировать и еще больше действовать. Мы должны инвестировать сегодня, чтобы получить выгоду завтра".