5 способов хранения энергии и насколько они эффективны

Будущее энергетики всегда связывали с потребностью  человечества эффективно накапливать энергию и использовать ее по мере необходимости. Сейчас это будущее уже наступает увереннее, но как всегда неравномерно. И с разной эффективностью.

КПД аккумулирующих технологий определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. То есть эффективность аккумуляторов оценивается с точки зрения потерь энергии в процессе хранения по сравнению с общим объемом энергии, который был «залит в систему».

Интересно, что оценки эффективности накопителей любят проводить в сравнении с двигателем внешнего сгорания, у которого по общим и расхожим данным, КПД составляет 23%. По официальным данным, все системы хранения энергии демонстрируют показатели КПД значительно выше, чем у ДВС.

5 способов хранения энергии и их эффективность с точки зрения "утечек".

• Литий-ионные аккумуляторы. «Свежо», мобильно, дорого (но дешевеет)

Самый раскрученный вид аккумуляции энергии. Спасибо, Илон Маск. Хранение энергии в литий-ионных батареях считается одним из самых эффективных. Но до поры до времени, пока аккумулятор не начнет деградировать.

Плюсы: быстрое строительство (в Австралии Маск построил объект за 100 дней), практически мгновенная выдача накопленной энергии в сеть (десятые секунды).

Минусы: цена, деградация, отсутствие способов утилизации.

Tesla, если речь уже зашла о Маске, производит и бытовые и промышленные литий-ионные батареи (не говоря уже об аккумуляторах для электрокаров). КПД у них в идеальных условиях приблизительно одинаковые. Но идеальные условия бывают редко.

Эффективность инвертора Tesla Powerwall, бытового аккумулятора, – 90%. Такой показатель указывается для «замкнутого цикла» зарядки/разрядки аккумулятора: «переменный ток в батарею и обратно в переменный ток», говорится в спецификации к батарее.

Показатели эффективности системы промышленного аккумулятора, Tesla Powerpack, около 88 – 89%.

Если емкость одного Powerpack 210 кВт•ч, то после одного цикла хранения обратно для пользования будет доступно 186–187 кВт•ч.

Это при том, что аккумулятор новый и работает при оптимальной температуре. Показатели эффективности систем хранения указаны для работы при температуре 25°C – слишком высокая или низкая температура вредят КПД литий-ионного аккумулятора, хотя в спецификации и указывается, что они могут работать при температуре от -25°C до +50°C.

Исследования показывают, что если аккумулятор некоторое (короткое) время заряжать при температуре окружающей среды 40˚C полностью, то его емкость (способность накапливать энергию) уже через год снизится на 35%, даже если его потом использовать мало.  

Основная проблема литий-ионных систем – деградация (потеря ёмкости). Степень деградации зависит от интенсивности использования аккумулятора – насколько часто он работал в пиковые нагрузки, как часто он разряжался до нуля. Но в среднем лет через десять емкость аккумулятора снижается до «экономически невыгодных» уровней (это касается промышленных объектов) – 50 – 70% от заявленной для новых батарей, ведь меньше емкость – меньше КПД.

Деградация порождает еще одну проблему с литий-ионными аккумуляторами – их утилизацию.

Помимо литий-ионных, есть батареи на основе других металлов. Но их КПД несколько ниже. Также как и стоимость. Ниже данные исследователей из Китая. Описаны количество циклов зарядки – разрядки, безопасность использования, энергетическая плотность, стоимость и КПД.

Стоимость литий-ионных батарей оценивается в $213 – $640 за кВт•ч, свинцово-карбоновых – $142 – 213/кВт•ч, ванадиевых проточных батарей – $425/кВт•ч.

• Power-to-gas. Газовые хранилища: инновационно, «зелено», менее эффективно

Плюсы: есть возможность поставлять метан прямо в газовые сети, перевозки контейнеров

Минусы: низкая эффективность, дорогой процесс электролиза

Логика проста: избыточная электроэнергия используется для производства водорода в процессе электролиза. Далее водород может преобразовываться в метан, если есть поблизости источник углерода. Газ хранится в специальных резервуарах, и высвобождается по мере необходимости. Ниже наглядно показана эффективность использования энергии, когда «зеленое» электричество преобразовывается в водород, а после - в метан.

Стандартный показатель КПД для таких систем – около 50%.

Хотя ученые проводят исследования в сфере высокотемпературного электролиза и метанирования, их эффективность превышает 75%. Электролиз при особенно высоких температурах около 800°С является существенным преимуществом для увеличения КПД технологии power-to-gas.

Технология power-to-gas  наиболее эффективна для долгосрочного хранения энергии. При внутрисуточном заряде-разряде потери слишком велики.

Например, Французская компания HDF Energy построит во Французской Гвинее солнечный парк, в рамках которого будет создано водородное хранилище энергии для долгосрочных периодов, но для краткосрочных – литий-ионные аккумуляторы. Мощность солнечного парка – 55 МВт, емкость водородного накопителя 130 МВт-ч, литий-ионного – 10 МВт-ч.

• ГАЭС. Проверено, масштабно, немобильно.

Гидроаккумулирующие электростанции не так свежи, как литий-ионные аккумуляторы или водородные накопители. Это проверенная десятилетиями, и единственная технология аккумуляции, которая используется в Украине. В последнее время слишком активно, так как с запуском рынка электроэнергии балансировать приходится значительно чаще.

Плюсы: недорогое хранение, большие мощности

Минусы: дорогое и длительное строительство, необходимость подходящего ландшафта

Ниже данные по КПД Ташлыкской ГАЭС

В генераторном режиме максимальный КПД – 87 % (эффективность преобразования энергии при генерации электроэнергии в процессе спуска воды,); в насосном режиме (закачивании воды в верхний резервуар) – 90,8 %. Подчеркиваем – максимальный КПД.

Обычно же КПД ГАЭС около 0,75, это означает, что из каждых 100 кВт·ч, забираемых ГАЭС из системы, обратно возвращается 75 кВт•ч.  И это касается современных, более-менее, технологий. Если же речь идет о ГАЭС, построенных в 60-х годах, то КПД может быть на уровне 40%.

Конечно же еще зависит от размеров водохранилища, его климатического расположения и других факторов, которые оказывают влияние на количество воды в резервуаре, что помимо прочего влияет на эффективность работы ГАЭС.

• Гравитационные системы хранения энергии. Необычно, подешевле, малоэффективно

Принцип работы основывается на гравитации и трении, грубо говоря, аналогичен ГАЭС. Но без воды.

Плюсы: скорость строительства и сравнительная дешевизна

Минусы: новая технология с неопределенной эффективностью

Интересный пример гравитационного хранилища создала американская компания Advanced Rail Energy Storage North America при помощи железной мини-дороги в Неваде. Вместо закачки воды в верхний резервуар при запасании энергии проект ARES поднимает вагоны с балластом поближе к вершине холма, при отдаче энергии, вагоны спускают с холма.

Каждый из вагонов оснащён генератором на 2 МВт, при подъёме он работает как электромотор, а на спуске отдает энергию в сеть. КПД всей системы оценивается в 80 – 86%.

Разница в высоте между точками составляет 900 м ( это очень большой перепад высот, у большинства ГАЭС такого нет), при том, что длина путей, по которым движутся вагоны, 8 км. На пике система выдает до 50 МВт мощности. Это около 1,5 МВт с каждого из 32 вагонов (с учётом всех потерь).

Заявляется, что запуск вагонов в движение происходит быстро – от 5 до 10 секунд. Это не так хорошо, как у литий-ионных аккумуляторов, но в местности, где создан проект, непостоянства ВИЭ балансируют в основном газовые ТЭС, которые подключаются от получаса. 

Пилотный опыт ARES ограничивался испытаниями на расстоянии 240 м. При этом, критики настаивают, что КПД 80–86% возможны лишь при малой длине пути вагонов и чем длиннее отрезки спуска и подъема, тем больше потерь.

По такому же гравитационному принципу работает другой не менее интересный проект – хранение энергии в башне. Принцип работы – шестизвездный кран стоит в центре, а на удалении от него лежат бетонные цилиндры весом 35 метрических тонн. Когда возникает избыток солнечной или ветровой электроэнергии запускается электродвигатель, и кран, управляемый автоматическим алгоритмом, поднимает бетонные блоки один за одним, складывая их в башню вокруг своей оси. Система хранения «полностью заряжена», когда кран создал вокруг себя башню из бетонных блоков. В башне может храниться 20 МВт•ч энергии. Когда в сети недостача электричества, система запускается в обратном направлении, и электроэнергия подается в сеть за счет гравитационной энергии.

Когда сеть работает на низком уровне, двигатели возвращаются в действие - за исключением того, что вместо того, чтобы потреблять электричество, двигатель приводится в движение задним ходом гравитационной энергией и, таким образом, генерирует электричество.

Такую систему хранения энергии разработал швейцарский стартап Energy Vault. Демонстрационный объект расположен в Италии, недалеко от Милана.

Поскольку бетон намного плотнее воды, для подъема бетонного блока требуется (и, следовательно, он может хранить) гораздо больше энергии, чем резервуар с водой одинакового размера, - отмечают разработчики. КПД такой системы около 85%.

• Термальные накопители энергии. Или нагретый «философский» камень от Siemens

Плюсы: недорого
Минусы: не очень эффективно, подходит только для сезонного хранения энергии​

Пару лет назад компания Siemens, которая активно развивает ветровую генерацию, предложила решение по накоплению энергии в Северной Германии. Избыточная энергия, сгенерированная ветропарком, преобразовывается в тепло, нагревает камни (до 600 C), защищенные изолированным покрытием. Когда есть необходимость в дополнительном электричестве, паровая турбина преобразует тепловую энергию обратно в электричество. Это базовая схема работы энергохранилища «на горячих камнях».

Сам проект недорогой в организации, но и эффективность его тоже пока невысокая. Планируется, что полноразмерное хранилище сможет вмещать около 36 МВт•ч энергии в контейнере с около 2000 куб. м скальной породы. С помощью бойлера накопленное тепло генерировать столько пара, что компактная паровая турбина Siemens может вырабатывать до 1,5 мегаватт электроэнергии до 24 часов в сутки. На ранних этапах разработки КПД каменного хранилища составит около 25%. В будущем концепция имеет потенциал эффективности около 50%. То есть, из 36 МВт•ч, которые поступают в хранилище на выходе остается в лучшем случае 18 МВт•ч.

ИТОГО:

Тип аккумуляции	КПД	Скорость реакции	Дорого (+)/ недорого (-)	Долговечность	Мобильность
Li-ion	88 – 90%	+	+	-	+
Power-to-gas	50%	+	+	+/-	+
ГАЭС (новые)	75%	-	-	+	-
Гравитационные	80 - 85%	-	-	+/-	+/-
Горячие камни	25% (обещают 50%)	-	+/-	+	+/-

 

Kosatka.Media