5 способів зберігання енергії і наскільки вони ефективні

Майбутнє енергетики завжди пов'язували з потребою людства ефективно накопичувати енергію і використовувати її в міру необхідності. Зараз це майбутнє вже настає впевненіше, але як завжди нерівномірно. І з різною ефективністю.

ККД акумулюючих технологій визначається відношенням корисно використаної енергії до сумарної кількості енергії, отриманої системою. Тобто ефективність акумуляторів оцінюється з точки зору втрат енергії в процесі зберігання у порівнянні із загальним обсягом енергії, який був «залитий в систему».

Цікаво, що коли роблять оцінки ефективності накопичувачів, то їх люблять порівнювати з двигуном зовнішнього згоряння, у якого за загальними і поширеними даними, ККД становить 23%. За офіційними даними, всі системи зберігання енергії демонструють показники ККД значно вище, ніж у ДВС.

5 способів зберігання енергії і їх ефективність з точки зору втрат.

• Літій-іонні акумулятори. «Свіжо», мобільно, дорого (але дешевшає)

Найрозкрученіший вид акумуляції енергії. Спасибі, Ілон Маск. Зберігання енергії в літій-іонних батареях вважається одним з найефективніших. Але до пори до часу, поки акумулятор не почне деградувати.

Плюси: швидке будівництво (в Австралії Маск побудував об'єкт за 100 днів), практично миттєва видача накопиченої енергії в мережу (десяті секунди).

Мінуси: ціна, деградація, відсутність способів утилізації

Tesla, якщо мова вже зайшла про Маска, виробляє і побутові, і промислові літій-іонні батареї (не кажучи вже про акумулятори для електрокарів). ККД у них в ідеальних умовах приблизно однакові. Але ідеальні умови бувають рідко.

Ефективність інвертора Tesla Powerwall, побутового акумулятора, - 90%. Такий показник вказується для «замкнутого циклу» зарядки/розрядки акумулятора: «змінний струм в батарею і назад в змінний струм», йдеться в специфікації до батареї.

Показники ефективності системи промислового акумулятора, Tesla Powerpack, близько 88 – 89%. Тобто, якщо ємність одного Powerpack 210 кВт•год, то після одного циклу зберігання назад для користування буде доступно 186-187 кВт•год.

Це при тому, що акумулятор новий і працює в умовах оптимальної температури. Показники ефективності систем зберігання вказані для роботи при температурі 25 °C – занадто висока або низька температура шкодять КПД літій-іонного акумулятора, хоча в специфікації і вказується, що вони можуть працювати за температури від -25 °C до + 50 °C.

Дослідження демонструють, що якщо акумулятор деякий (короткий) час заряджати при температурі навколишнього середовища 40˚C повністю, то його ємність (здатність накопичувати енергію) вже через рік знизиться на 35%, навіть якщо його потім використовувати мало.

Основна проблема літій-іонних систем – деградація (втрата ємності). Ступінь деградації залежить від інтенсивності використання акумулятора – наскільки часто він працював у пікові навантаження, як часто він розряджався до нуля. Але в середньому років через десять ємність акумулятора знижується до «економічно невигідних» рівнів (це стосується промислових об'єктів) - 50 – 70% від заявленої для нових батарей, а менша ємність – менший ККД.

Деградація породжує ще одну проблему з літій-іонними акумуляторами – їх утилізацію.

Крім літій-іонних, є батареї на основі інших металів. Але їх ККД трохи нижчий. Також як і вартість. Нижче дані дослідників з Китаю. Описано кількість циклів зарядки – розрядки, безпеку використання, енергетичну щільність, вартість і ККД.

Вартість літій-іонних батарей оцінюється в $213 - $640 за кВт•год, свинцево-карбонових - $142 - 213/кВт•год, ванадієвих проточних батарей - $425/кВт • год. (ціни на кінець 2018)

  • Power-to-gas. Газові сховища: інноваційно, «зелено», менш ефективно

Плюси: є можливість поставляти метан прямо в газові мережі, перевезення контейнерів

Мінуси: низька ефективність, дорогий процес електролізу

Логіка проста: надлишкова електроенергія використовується для виробництва водню в процесі електролізу. Далі водень може перетворюватися в метан, якщо є поблизу джерело вуглецю. Газ зберігається у спеціальних резервуарах, і вивільняється в міру необхідності. Нижче наочно показана ефективність використання енергії, коли «зелена» електрика перетворюється в водень, а після – в метан.

Стандартний показник ККД для таких систем – близько 50%.

Хоча вчені проводять дослідження в сфері високотемпературного електролізу і метанування – їх ефективність перевищує 75%. Електроліз за особливо високих температурах (близько 800°С) є суттєвою перевагою для збільшення ККД технології power-to-gas.

Технологія power-to-gas найбільш ефективна для довгострокового зберігання енергії. При внутрішньодобових зарядці-розрядці втрати дуже великі.

Французька компанія HDF Energy побудує у Французькій Гвінеї сонячний парк, в рамках якого буде створено водневе сховище енергії для довгострокових періодів, але для короткострокових – літій-іонні акумулятори. Потужність сонячного парку – 55 МВт, ємність водневого накопичувача 130 МВт•год, літій-іонного - 10 МВт•год.

 

  • ГАЕС. Перевірено, масштабно, немобільні.

Гідроакумулюючі електростанції не настільки свіжі, як літій-іонні акумулятори чи водневі накопичувачі. Це перевірена десятиліттями, і єдина технологія акумуляції, яка використовується в Україні. Останнім часом дуже активно, так як з запуском ринку електроенергії врегулювання небалансів значно частіше.

Плюси: недороге зберігання, великі потужності

Мінуси: дороге і тривале будівництво, необхідність відповідного ландшафту

Нижче дані по ККД Ташлицької ГАЕС

У генераторному режимі максимальний ККД – 87% (ефективність перетворення енергії при генерації електроенергії в процесі спуску води,); в насосному режимі (закачуванні води в верхній резервуар) - 90,8%. Підкреслюємо – максимальний ККД.

Зазвичай же ККД ГАЕС близько 0,75, це означає, що з кожних 100 кВт•год, що забираються ГАЕС з системи, назад повертається 75 кВт•ч. І це стосується сучасних, більш-менш, технологій. Якщо ж мова йде про ГАЕС, побудованих в 60-х роках, то ККД може бути на рівні 40%.

Звичайно ж ефективність ще залежить від розмірів водосховища, його кліматичного розташування та інших чинників, які впливають на кількість води в резервуарі, що крім іншого впливає на ефективність роботи ГАЕС.

  • Гравітаційні системи зберігання енергії. Незвично, дешевше, малоефективно

Принцип роботи ґрунтується на гравітації і терті, грубо кажучи, аналогічно до ГАЕС. Але без води.

Плюси: швидкість будівництва і порівняльна дешевизна

Мінуси: нова технологія з невизначеною ефективністю

Цікавий приклад гравітаційного сховища створила американська компанія Advanced Rail Energy Storage North America за допомогою залізної міні-дороги в Неваді. Замість закачування води в верхній резервуар при запасанні енергії проект ARES піднімає вагони з баластом ближче до вершини пагорба, коли вагони спускають з пагорба – енергія вивільняється.

Кожен із вагонів оснащений генератором на 2 МВт, при підйомі він працює як електромотор, а на спуску віддає енергію в мережу. ККД всієї системи оцінюється в 80 – 86%.

Різниця у висоті між точками становить 900 м (це дуже великий перепад висот, у більшості ГАЕС такого немає), при тому, що довжина шляхів, по яких рухаються вагони, 8 км. На піку система видає до 50 МВт потужності. Це близько 1,5 МВт з кожного з 32 вагонів (з урахуванням всіх втрат).

Заявляється, що запуск вагонів в рух відбувається швидко – від 5 до 10 секунд. Це не так швидко, як у літій-іонних акумуляторів, але в місцевості, де створено проект, мінливості ВДЕ балансують в основному газові ТЕС, які підключаються від півгодини.

Пілотний досвід ARES обмежувався випробуваннями на відстані 240 м. А тому критики наполягають, що ККД 80 – 86% можливий лише для малої довжини шляху вагонів і чим довші відрізки спуску і підйому, тим більше втрат.

За таким же гравітаційним принципом працює інший не менш цікавий проект – зберігання енергії в башті. Принцип роботи – кран з шістьма рукавами стоїть у центрі, а на віддаленні від нього лежать бетонні циліндри вагою 35 метричних тонн. Коли виникає надлишок сонячної або вітрової електроенергії, запускається електродвигун, і кран, керований автоматичним алгоритмом, піднімає бетонні блоки один за одним, складаючи їх у вежу навколо своєї осі. Система зберігання «повністю заряджена», коли кран створив навколо себе вежу з бетонних блоків. У вежі може зберігатися 20 МВт•год енергії. Коли в мережі недостача електрики, система запускається в зворотному напрямку, і електроенергія подається в мережу за рахунок гравітаційної енергії. 

Таку систему зберігання енергії розробив швейцарський стартап Energy Vault. Демонстраційний об'єкт розташований в Італії, недалеко від Мілана.

Оскільки бетон набагато щільніше води, для підйому бетонного блоку потрібно (і, отже, він може зберігати) набагато більше енергії, ніж резервуар з водою однакового розміру, - зазначають розробники. ККД такої системи близько 85%.

  • Термальні накопичувачі енергії. Або нагрітий «філософський» камінь від Siemens

Плюси: недорого
Мінуси: не дуже ефективно, підходить тільки для сезонного зберігання енергії

Пару років тому компанія Siemens, яка активно розвиває вітрову генерацію, запропонувала рішення по накопиченню енергії в Північній Німеччині. Надлишкова енергія, яку згенерували вітропарки, перетворюється в тепло, нагріває камені (до 600 C), захищені ізольованим покриттям. Коли є необхідність в додатковій електроенергії, парова турбіна перетворює теплову енергію назад в електрику. Це базова схема роботи енергосховища «на гарячому камінні».

Сам проект недорогий в організації, але і ефективність його теж поки невисока. Планується, що повнорозмірне сховище зможе вміщати близько 36 МВт•год енергії в контейнері з близько 2000 куб. м скельної породи. За допомогою бойлера накопичене тепло генеруватиме стільки пари, що компактна парова турбіна Siemens може виробляти до 1,5 МВт електроенергії до 24 годин на добу. На ранніх етапах розробки ККД кам'яного сховища складе близько 25%. У майбутньому концепція має потенціал ефективності близько 50%. Тобто, з 36 МВт•год, які надходять в сховище на виході залишається в кращому випадку 18 МВт•год.

 

Тип аккумуляції

ККД

Швидкість реакції

Дорого (+)/ недорого (-)

Долговічність

Мобільність

Li-ion

88 – 90%

+

+

-

+

Power-to-gas

50%

+

+

+/-

+

ГАЕС (нові)

75%

-

-

+

-

Гравітаційні

80 - 85%

-

-

+/-

+/-

Гаряче каміння

25% (обіцяють 50%)

-

+/-

+

+/-

 

Kosatka.Media

Читайте також

#Енергоефективність. Нові пріоритети нового Міністерства енергетики та захисту довкілля
Чим цікавий ринок термомодернізації багатоквартирного житла в Україні
Інтерв'ю Олександра Харченка. Частина 2: Про радіоактивних єдинорогів, «Північний потік-2» і чому Україні не потрібні переговори з РФ