Людству необхідно у найкоротші терміни відмовитися від вугільної генерації – закрити сумнозвісні вугільні ТЕС. Адже вони завдають непоправної шкоди людському здоров’ю, довкіллю і клімату. Але замінити їх не так просто. Поставити вітряки і сонячні панелі – це лише половина справи. Друга половина – мати можливість швидко нарощувати генерацію електроенергії в моменти пікового споживання (або в моменти, коли не світить сонце і не дме вітер). Зараз це роблять ТЕС.
В статті «(Не)замінні вугільні ТЕС» ми розглянули які види генерації, крім вугільної, мають таку спроможність. Але є ще один спосіб розв’язати питання швидкого балансування енергосистеми: накопичити надлишок електроенергії, коли попит на неї низький, і подати в мережу, коли її не вистачає. Отже, в цій статті мова піде про способи накопичення і зберігання електроенергії.
Старі добрі ГАЕС
В уже згаданій вище статті ми писали про гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС). Ця технологія зараз становить 95% (!) всіх потужностей зі зберігання енергії в світі і успішно застосовується в Україні. Дністровська, Київська та Ташлицька ГАЕС мають загальну встановлену потужність близько 2 ГВт, що є дуже серйозним інструментом балансування. Це як швидко увімкнути два блоки АЕС у потрібний оператору енергосистеми момент.
Але ця технологія має обмеження, якщо казати про подальше нарощування потужностей. В Україні з її рівнинним ландшафтом вибір вдалих місць для ГАЕС не такий вже й великий. Нагадаємо, що для роботи ГАЕС потрібен пагорб біля чималої водойми. На пагорбі створюється резервуар, куди закачується вода під час надлишку електроенергії. А під час нестачі вода тече з резервуара вниз до водойми і обертає лопаті генератора. Все в цій схемі чудово, крім одного – наявні проєкти нових ГАЕС в Україні мають серйозні застереження з боку науковців та екологів, про що йшлося в документах екокомітету Верховної Ради. Додайте сюди пов’язані зі змінами клімату збільшення обсягів випаровування і зменшення опадів, які теж негативно впливатимуть на перспективи ГАЕС.
З іншого боку, навіть в цій добре відомій технології можливі прориви. Нещодавно в ЗМІ повідомляли про тестування у Великобританії міні-ГАЕС, яка працює на рідині з густиною у 2,5 раза більшою, ніж у води. Внаслідок більшої ваги цієї рідини навіть невеликого пагорба достатньо, щоб вона обертала турбіну генератора. .
Гігантські акумуляторні батареї
У грудні 2017 року Ілон Маск запустив в експлуатацію гігантський акумулятор потужністю 100 МВт, який тепер балансує енергосистему Південної Австралії. Перед цим мільярдер заявив, що він або збудує цей акумулятор за 100 днів, або штат отримає його безплатно. Компанія Tesla впоралася за 60 днів. В основі конструкції лежала та сама літій-іонна батарея, що і в автомобілях Tesla.
Здається, що в цій історії було більше піару, але вже у 2019 році місцева влада вирішила збільшити потужність акумуляторної станції на 50%, тим самим визнавши її ефективність. Як повідомлялося у пресі, за неповних два роки проєкт вартістю $66 млн зекономив споживачам $50 млн.
Приблизно тоді ж Tesla презентувала батарею Megapack, розміром з контейнер. Кожна така батарея місткістю близько 4 МВт·год є модулем для побудови станції будь-якого масштабу. Одна з найбільших таких модульних станцій збудована в тій-таки Австралії в штаті Вікторія, складається з 212 юнітів і має загальну потужність 350 МВт. Ця цифра цілком порівняна з енергоблоком вугільної ТЕС, який використовується для маневрування в енергосистемі України.
Здається, варто лише почекати, коли вартість цієї технології знизиться ще більше завдяки масштабуванню. Але не все так однозначно. По-перше, обсяги видобутку літію і попит на нього можуть розійтися, як в морі кораблі. Адже літій-іонні батареї використовуються і в гаджетах, і в електрокарах, і от тепер ще й в великих накопичувачах енергії. Потреба в літії зростатиме експотенційно. Чи встигатиме за нею видобуток?
По-друге, занепокоєння викликає той факт, що найдешевші літій-іонні батареї виробляють в Китаї. Потрапити в залежність від китайських батарей, як це свого часу трапилося з російським газом, для України не варіант.
По-третє, хоч літій-іонні акумулятори можуть накопичувати найбільші обсяги енергії на одиницю об’єму, у них є і недоліки: відсутність прийнятної технології утилізації, порівняно обмежена кількість циклів заряджання-розряджання, порівняно короткий час розряджання на робочій потужності (від 1 до 8 годин). Два останні недоліки менш виражені в проточних акумуляторах.
Проточні акумулятори – це великі акумулятори з масивними зовнішніми резервуарами рідинного електроліту, що утримують заряд. Вони коштують достатньо дорого, однак мають кілька ключових переваг: триваліший термін служби, ніж інші акумулятори (від 20 до 25 років), і майже необмежену кількість циклів перезаряджання. Час розряджання на робочій потужності у проточних акумуляторів теж трохи більший, ніж у літій-іонних.
Існують і інші технології зберігання енергії в акумуляторних батареях, проте вони наразі поступаються за багатьма характеристиками літій-іонним. Але технологічні прориви тут можна очікувати з високою імовірністю.
Гравітаційні накопичувачі
Гравітаційні накопичувачі нагадують гідроакумулюючі електростанції, але з кранами замість помп. Вантаж у вигляді монолітних блоків підіймається на висоту 100 і більше метрів, і спускається донизу в години, коли потрібна енергія. Перший у світі комерційний гравітаційний акумулятор енергії збудовано в Китаї в провінції Цзянсу неподалік Шанхаю. Його потужність становить 25 МВт, а місткість – 100 МВт·год. Нескладно порахувати, що тривалість його повної «розрядки» становить 4 години. Отже, наразі це така собі лайтова версія літій-іонної станції. Хоча перспективи у цієї технології є, і вони тим вищі, чим глибша у вас закинута шахта, ствол якої можна пристосувати для руху вантажу.
Стиснене повітря
Стиснене повітря нагнітається в резервуар, а потім вивільняється, коли це потрібно, проходячи через турбіну для генерації електроенергії. Донедавна вважалося, що для впровадження цієї технології зберігання енергії необхідні підземні соляні печери або відпрацьовані нафтогазові свердловини. Тільки в цьому випадку у вас буде резервуар, який може вмістити доволі велику кількість стисненого повітря. Нещодавно канадський розробник Hydrostor заявив, що розв’язав цю проблему, розробивши технологію побудови штучних «печер», яку можна впровадити практично будь-де (відзначимо, що зміна підземного ландшафту і необхідність наземного резервуара води для технологічних процесів є впливом на довкілля і недоліком технології). На сайті компанії в проморолику декларується потужність установки до 500 МВт. Швидкий старт генерації також є перевагою цієї технології.
Гігантський маховик
Ця система зберігання енергії ґрунтується на кінетичній енергії ротора, який обертається у “практично безконтактному просторі” (висячи у магнітному полі у вакуумі). Така система комерційно доступна і особливо корисна як технологія короткочасного зберігання в тих випадках, де потрібна швидка відповідь на зміну навантаження та велика кількість щоденних циклів (таких як управління коливаннями напруги та контроль частоти). Недолік полягає в тому, що ця технологія не завжди масштабується через потребу у рідкісних мінералах та складних виробничих процесах, а також тому, що вона вимагає значних початкових інвестицій. Проєкт з маховиком Flores потужністю 500 кВт працює на португальських Азорських островах з 2005 року.
Плавлена сіль
Зберігання енергії у плавленій солі відбувається шляхом її нагрівання як напряму з відновлювальних джерел енергії, таких як концентрована сонячна енергія (CSP), так і опосередковано за допомогою електричних нагрівачів або теплових насосів. Збережена термічна енергія пізніше може бути перетворена в пар для опалення або використана для приведення в дію парової турбіни задля генерації електроенергії. Плавлена сіль може використовуватися для зберігання енергії протягом 10-12 годин або довше. Системи зберігання енергії з плавленою сіллю можуть бути особливо корисними для перехідного етапу від викопного палива, оскільки вони підходять для модернізації, наприклад, вугільних електростанцій. Використовуючи наявне устаткування станцій, таке як енергоблоки і системи охолодження, та додаючи до них електричні нагрівачі та теплообмінники з плавленою сіллю для генерації пари, можна створити дійсно декарбонізований об’єкт з меншим інвестиціями, ніж це потрібно для будівництва нової станції.
Водень
Перетворити надлишкову електроенергію у водень за допомогою електролізера – це законсервувати енергію на необмежений час. І це є основною перевагою водню. А основним недоліком є те, що процес перетворення електроенергії в водень та зворотне перетворення водню в електроенергію є дуже неефективним: зберігається лише близько 30% початкової енергії.
Для великих обсягів та тривалих періодів часу, таких як міжсезонне зберігання, зберігання водню під землею є більш прийнятним, ніж зберігання в резервуарах. Україна має величезні підземні газові сховища, які можуть в майбутньому використовуватися саме з цією метою.
Замість післямови
Наш далеко неповний огляд технологій зберігання енергії показує, як швидко змінюється ця сфера під впливом новітніх технологій. Виклики, які стоять перед людством, штовхатимуть цей розвиток і надалі. В цій ситуації Україна має швидко оцінювати переваги різних технологій і створювати умови для впровадження найбільш перспективних з них. Сподіваємося, що в Україні існують фахівці, які займаються збором і обробкою інформації про накопичувачі енергії та мають реальний вплив на енергетичну політику держави.
Наразі ж прогрес України в цьому напрямку є доволі обмеженим. Повідомлялося про установку компанією ДТЕК літій-іонного акумулятора потужністю 1 МВт, що є мізерною величиною для нашої енергосистеми. Подія ця сталася ще перед повномасштабним вторгненням на майданчику Запорізької ТЕС в Енергодарі, яка зараз перебуває під окупацією.
Ця публікація створена за фінансової підтримки Європейського Союзу. ЇЇ зміст є винятково відповідальністю ГО SaveDnipro і не обов’язково відображає погляди Європейського Союзу.