"Зеленая" энергия может быть доступна 24/7: что известно о новых методах хранения

Возобновляемая энергетика становится все более востребованной, однако солнечные и ветряные электростанции генерируют энергию нестабильно, из-за чего растет потребность в новых технологиях для хранения чистой энергии. О некоторых из таких решений пишет портал Knowable Magazine.

Когда светит солнце и дует ветер, солнечные и ветровые электростанции работают на полную мощность. Бывают моменты, когда ветряные турбины даже приходится отключать, чтобы не перегружать сеть излишками энергии.

При этом в облачные и безветренные дни производство возобновляемой энергии падает. Немцы называют эти периоды Dunkelflauten, что означает "темная хандра". Они могут длиться неделю или дольше и являются серьезной проблемой для мест, подверженных Dunkelflauten, таких как Германия и некоторые части США.

Чтобы решить эту проблему, нужны методы хранения "зеленой" энергии в больших масштабах, чтобы она была доступна для использования в неблагоприятные времена. Популярные сегодня литий-ионные батареи экономически эффективны только при преодолении ежедневных колебаний солнца и ветра, но не походят для многодневных простоев. Есть также метод накопления электроэнергии путем перекачивания воды вверх по склону и возврата энергии, когда она стекает вниз через турбогенератор, но он обычно работает только в горной местности.

Сейчас инженеры по всему миру занимаются разработкой новых технологий хранения — от передовых типов батарей до систем, использующих давление воздуха, вращающиеся колеса, тепло или химикаты, такие как водород.

Новые аккумуляторы

Как отмечает, инженер-материаловед Ширли Мэн из Чикагского университета, литий-ионные аккумуляторы не подходят для длительного хранения, в частности потому, что они остаются дорогими из-за своей конструкции и стоимости добычи и извлечения лития и других металлов. Стоимость аккумулятора превышает 100 долларов за КВтч. Это означает, что контейнер для аккумулятора, обеспечивающий подачу 1 МВт (примерно для 800 домов) каждый час в течение пяти часов, обойдется как минимум в 500 000 долларов.

"Если вы не можете сделать это чрезвычайно дешевым, то у вас нет продукта", — считает эксперт по энергетической политике и рынкам из Рочестерского технологического института Эрик Хиттингер.

Один из способов сокращения расходы на хранение энергии в аккумуляторах — переход на более дешевые компоненты. Так, несколько компаний в США, Европе и Азии работают над коммерциализацией натрий-ионных батарей, которые заменяют литий на более распространенный и дешевый в извлечении и очистке натрий.

Также разрабатываются разные архитектуры батарей. К примеру, аккумуляторы "окислительно-восстановительного потока", в которых химические реакции происходят не на поверхностях электродов, а в двух заполненных жидкостью резервуарах, которые действуют как электроды. При такой конструкции емкость можно увеличить, увеличив размер резервуара и количество электролита, что намного дешевле, чем увеличение материала электродов литий-ионных батарей. По словам Ширли Мэн, аккумуляторы окислительно-восстановительного потока могут поставлять энергию в течение нескольких дней или недель.

В свою очередь американская компания Form Energy открыла завод по производству "железно-воздушных" батарей. Они используют энергию, высвобождаемую при реакции железа с воздухом и водой с образованием гидроксида железа (ржавчины).

Несмотря на низку стоимость, упомянутые батареи имеют свои недостатки. Так, железо-воздушные и окислительно-восстановительные батареи возвращают до 60% меньше энергии, чем в них вложено, отчасти потому, что они постепенно разряжаются без подачи тока. По словам Ширли Мен, оба типа батарей еще не решили эти проблемы и не доказали свою надежность и экономическую эффективность.

Вращающиеся колеса и сжатый воздух

Некоторые исследователи сосредоточились на механических методах хранения. Одним из таких методов является маховик, который использует тот же принцип, который заставляет колесо велосипеда продолжать вращаться после приведения его в движение. Технология маховика использует электричество для вращения больших стальных дисков и системы магнитных подшипников для уменьшения трения, вызывающего замедление.

Компания Amber Kinetics производит маховики, которые могут вращаться неделями, но наиболее рентабельны при использовании по крайней мере ежедневно. Когда требуется питание, мотор-генератор превращает энергию движения обратно в электричество. Каждый маховик может хранить 32 КВтч энергии, что близко к ежедневному потреблению среднестатистической семьи.

"Энергия может храниться на самом деле очень значительное время", — утверждает эксперт по электротехнике и владелец Amber Kinetics Сет Сандерс.

В свою очередь канадская компания Hydrostor производит оборудование, которое хранит электроэнергию, используя ее для сжатия воздуха, а затем скрывает воздух в пещерах. Когда энергия нужна сети, этот воздух выпускается в воздушную турбину, и она снова генерирует электричество. Такие системы обычно требуют естественных пещер, но Hydrostor вырезает полости в твердой породе.

"Это просто гигантская воздушная батарея под землей", — объяснил президент компании Джон Норман.

Хранение энергии в виде тепла и газа

По данным портала, по всему миру предпринимаются попытки использовать избыточное "зеленое" электричество для нагрева воды или других теплоаккумулирующих материалов. Тепло также можно использовать для хранения энергии, хотя эта технология все еще находится в стадии разработки.

К примеру, эксперт по системам и хранению энергии Живей Ма из Даремского университета в Великобритании недавно испытал систему хранения тепловой энергии с насосом. Основной процесс хранения энергии происходит, когда электричество используется для сжатия газа, например, аргона, до высокого давления, нагревая его. Электричество вырабатывается, когда газ расширяется через турбогенератор.

Также сообщается, что многие эксперты считают перспективным хранение энергии в виде водородного газа. Водород можно производить с помощью электричества и хранить в резервуарах под давлением. Когда водород реагирует с кислородом в топливном элементе или турбине, это генерирует электричество.

Среди минусов водородного метода — до двух третей энергии теряется при обратном преобразовании в электричество, хранение огромных объемов водорода в течение недель недешево. Однако инженер-механик Тобиас Бишоф-Нимц считает, что эти расходы не имеют большого значения, если водород производится из дешевой энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.

Подводя итоги, в издании отметили, что есть множество других попыток разработать методы хранения с более длительным сроком службы, но во всех случаях ключевым моментом является стоимость. Эксперт по энергетике Дирк Уве Зауэр из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена в Германии подчеркнул, что все новые системы должны будут доказать, что они значительно дешевле литий-ионных аккумуляторов.

Также сообщалось, что Великобритании приходится отключать ветряные турбины из-за проблем с избыточным производством возобновляемой энергии, в связи с чем появились предложения использовать эти излишки для майнинга криптовалют.