"Зелена" енергія може бути доступна 24/7: що відомо про нові методи зберігання

Відновлювана енергетика стає дедалі більш затребуваною, проте сонячні та вітряні електростанції генерують енергію нестабільно, через що зростає потреба в нових технологіях для зберігання чистої енергії. Про деякі з таких рішень пише портал Knowable Magazine.

Коли світить сонце і дме вітер, сонячні та вітрові електростанції працюють на повну потужність. Бувають моменти, коли вітряні турбіни навіть доводиться відключати, щоб не перевантажувати мережу надлишками енергії.

При цьому в хмарні та безвітряні дні виробництво відновлюваної енергії падає. Німці називають ці періоди Dunkelflauten, що означає "темна хандра". Вони можуть тривати тиждень або довше і є серйозною проблемою для місць, схильних до Dunkelflauten, таких як Німеччина і деякі частини США.

Щоб розв'язати цю проблему, потрібні методи зберігання "зеленої" енергії у великих масштабах, щоб вона була доступною для використання в несприятливі часи. Популярні сьогодні літій-іонні батареї економічно ефективні тільки під час подолання щоденних коливань сонця і вітру, але не підходять для багатоденних простоїв. Є також метод накопичення електроенергії шляхом перекачування води вгору по схилу і повернення енергії, коли вона стікає вниз через турбогенератор, але він зазвичай працює тільки в гірській місцевості.

Зараз інженери в усьому світі займаються розробкою нових технологій зберігання — від передових типів батарей до систем, що використовують тиск повітря, колеса, що обертаються, тепло або хімікати, такі як водень.

Нові акумулятори

Як зазначає, інженерка-матеріалознавиця Ширлі Мен із Чиказького університету, літій-іонні акумулятори не підходять для тривалого зберігання, зокрема через те, що вони залишаються дорогими через свою конструкцію та вартість видобутку й добування літію та інших металів. Вартість акумулятора перевищує 100 доларів за КВтг. Це означає, що контейнер для акумулятора, що забезпечує подачу 1 МВт (приблизно для 800 будинків) щогодини впродовж п'яти годин, обійдеться щонайменше в 500 000 доларів.

"Якщо ви не можете зробити це надзвичайно дешевим, то у вас немає продукту", — вважає експерт з енергетичної політики та ринків із Рочестерського технологічного інституту Ерік Хіттінгер.

Один зі способів скорочення витрат на зберігання енергії в акумуляторах — перехід на дешевші компоненти. Так, кілька компаній у США, Європі та Азії працюють над комерціалізацією натрій-іонних батарей, які замінюють літій на поширеніший і дешевший у витяганні та очищенні натрій.

Також розробляються різні архітектури батарей. Наприклад, акумулятори "окислювально-відновного потоку", в яких хімічні реакції відбуваються не на поверхнях електродів, а в двох заповнених рідиною резервуарах, які діють як електроди. За такої конструкції місткість можна збільшити, збільшивши розмір резервуара і кількість електроліту, що набагато дешевше, ніж збільшення матеріалу електродів літій-іонних батарей. За словами Ширлі Мен, акумулятори окислювально-відновного потоку можуть постачати енергію протягом кількох днів або тижнів.

Зі свого боку американська компанія Form Energy відкрила завод із виробництва "залізно-повітряних" батарей. Вони використовують енергію, що вивільняється під час реакції заліза з повітрям і водою з утворенням гідроксиду заліза (іржі).

Попри низьку вартість, згадані батареї мають свої недоліки. Так, залізо-повітряні та окислювально-відновні батареї повертають до 60% менше енергії, ніж у них вкладено, почасти тому, що вони поступово розряджаються без подачі струму. За словами Ширлі Мен, обидва типи батарей ще не розв'язали ці проблеми і не довели свою надійність та економічну ефективність.

Обертові колеса і стиснене повітря

Деякі дослідники зосередилися на механічних методах зберігання. Одним із таких методів є маховик, який використовує той самий принцип, що змушує колесо велосипеда продовжувати обертатися після приведення його в рух. Технологія маховика використовує електрику для обертання великих сталевих дисків і системи магнітних підшипників для зменшення тертя, що спричиняє уповільнення.

Компанія Amber Kinetics виробляє маховики, які можуть обертатися тижнями, але найбільш рентабельні при використанні принаймні щодня. Коли потрібне живлення, мотор-генератор перетворює енергію руху назад в електрику. Кожен маховик може зберігати 32 КВтг енергії, що близько до щоденного споживання середньостатистичної сім'ї.

"Енергія може зберігатися насправді дуже значний час", — стверджує експерт з електротехніки та власник Amber Kinetics Сет Сандерс.

Зі свого боку канадська компанія Hydrostor виробляє обладнання, яке зберігає електроенергію, використовуючи її для стиснення повітря, а потім приховує повітря в печерах. Коли енергія потрібна мережі, це повітря випускається в повітряну турбіну, і вона знову генерує електрику. Такі системи зазвичай вимагають природних печер, але Hydrostor вирізає порожнини у твердій породі.

"Це просто гігантська повітряна батарея під землею", — пояснив президент компанії Джон Норман.

Зберігання енергії у вигляді тепла і газу

За даними порталу, по всьому світу робляться спроби використовувати надлишкову "зелену" електрику для нагріву води або інших теплоакумулюючих матеріалів. Тепло також можна використовувати для зберігання енергії, хоча ця технологія все ще перебуває на стадії розробки.

Наприклад, експерт із систем і зберігання енергії Живей Ма з Даремського університету у Великій Британії нещодавно випробував систему зберігання теплової енергії з насосом. Основний процес зберігання енергії відбувається, коли електрика використовується для стиснення газу, наприклад, аргону, до високого тиску, нагріваючи його. Електрика виробляється, коли газ розширюється через турбогенератор.

Також повідомляється, що багато експертів вважають перспективним зберігання енергії у вигляді водневого газу. Водень можна виробляти за допомогою електрики і зберігати в резервуарах під тиском. Коли водень реагує з киснем у паливному елементі або турбіні, це генерує електрику.

Серед мінусів водневого методу — до двох третин енергії втрачається під час зворотного перетворення на електрику, зберігання величезних обсягів водню протягом тижнів недешеве. Однак інженер-механік Тобіас Бішоф-Німц вважає, що ці витрати не мають великого значення, якщо водень виробляється з дешевої енергії, яка в іншому разі була б витрачена даремно.

Підбиваючи підсумки, у виданні зазначили, що є безліч інших спроб розробити методи зберігання з більш тривалим терміном служби, але у всіх випадках ключовим моментом є вартість. Експерт з енергетики Дірк Уве Зауер з Рейнсько-Вестфальського технічного університету Ахена в Німеччині наголосив, що всі нові системи мають довести, що вони значно дешевші за літій-іонні акумулятори.

Нагадаємо, в Австралії виробник електроенергії з Квінсленда CleanCo Queensland запустив пілотну версію найбільшої в країні системи зберігання енергії на основі натрій-сірчаних акумуляторних батарей тривалої дії.

Також повідомлялося, що Великій Британії доводиться відключати вітряні турбіни через проблеми з надлишковим виробництвом поновлюваної енергії, у зв'язку з чим з'явилися пропозиції використовувати ці надлишки для майнінгу криптовалют.