Возможности накапливать и распределять энергию ВИЭ отстают от развития способов ее получения. Что же предлагает мировая наука и на что делают ставку в России?
Недавний блэкаут на Пиренейском полуострове напомнил миру о большой проблеме — неразвитости технологий накопления энергии. Ученые давно пытаются найти надежные способы аккумулировать значительные объемы, чтобы использовать их позднее, но революции в данной сфере до сих пор не произошло. Многие воспринимают это как тупик зеленой энергетики, где выработка априори не может быть равномерной и постоянной и без хороших накопителей, способных не только хранить энергию, но и быстро забирать ее и отдавать обратно, будет провоцировать сбои в энергосетях. Устойчивость и гибкость ВИЭ зависит именно от накопителей, которые позволяют запасать избыток энергии и использовать его в периоды пикового спроса или низкой генерации.
Между тем в качестве накопителей сегодня в основном применяют разработки конца XIX века. Это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), на которые приходится 99% всей запасаемой энергии в мире. В состав ГАЭС входит комплекс гидрогенераторов и насосов либо обратимые гидрогенераторы. Ночью, в часы провала энергопотребления, эти станции получают из сети дешевую энергию и расходуют ее на перекачку воды в верхний бьеф, а утром и вечером, в периоды пикового спроса, сбрасывают воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая более дорогую энергию. Такая схема считается эффективной: мощность существующих ГАЭС варьируется от 1 до 3000 МВт, КПД составляет 70–85%, а эксплуатационный срок службы превышает 40 лет.
Но сегодня потенциал ГАЭС практически исчерпан: эти сооружения слишком громоздки и могут возводиться только в определенных местах на реках. «В Западной Европе уже почти не осталось створов, мест на реках, где можно было бы поставить ГАЭС. А именно там, где есть возобновляемые источники, эти станции особенно нужны, ведь мы не можем регулировать время выработки ВИЭ», — поясняет Игорь Чаусов, директор аналитического направления АНО «Центр энергетических систем будущего “Энерджинет”».
Помимо ГАЭС, для крупных систем с ВИЭ используются накопители на основе сжатого воздуха. Избыточную энергию они расходуют на питание мощных компрессоров, которые закачивают воздух под давлением в резервуар. Однако для извлечения накопленной энергии из резервуара нужен подвод тепла извне — по факту это газовая турбина. Подобную систему можно реализовать не везде; к тому же, как и в случае с ГАЭС, она плохо масштабируется на малые мощности, а энергетика ВИЭ становится все привлекательнее для частных домохозяйств.
Инновации в этой области уже стали идеей фикс для ученых. Последние 10–15 лет делается огромное количество попыток создать принципиально новые накопители, которые позволили бы без ограничений использовать дешевую и доступную энергию солнца и ветра. Ряд из них уже реализован в «железе», другие только готовятся занять свои рыночные ниши.
Чаще всего в новых проектах применяют электрохимические аккумуляторы. Они работают по тому же принципу, что и батареи в привычных нам устройствах — электромобилях, электроприборах, ноутбуках, мобильных телефонах. Их действие основано на химических реакциях окисления и восстановления, протекающих на электродах: аноде (отвечает за восстановление — получение электронов) и катоде (отвечает за окисление — отдачу электронов). На специализированных заводах выпускаются комплектующие для таких накопителей, а потом из них, как из кирпичиков, собираются очень большие системы, занимающие целые здания и способные накапливать мегаватт- и гигаватт-часы электроэнергии.
Основная ставка делается на доминирующие на рынке литий-ионные аккумуляторы. Крупнейшая в мире установка для ВИЭ с литий-ионными аккумуляторами была построена в 2017 году компаниями Tesla и Neoen на территории ветропарка Хорнсдейл в Австралии — считается, что именно она сыграла решающую роль в стабилизации энергосистемы региона. Комплексы солнечных панелей с литий-ионными накопителями введены в эксплуатацию в четырех штатах США, включая Гавайи, а также в Австралии, Великобритании, ОАЭ и Китае. Число их, вероятно, будет расти.
Однако, как признают ученые, эти накопители далеко не передовой край науки и технологий в области хранения энергии. По словам Игоря Чаусова, у литий-ионных систем есть серьезные недостатки, в частности относительно небольшое количество циклов заряда-разряда, воспламеняемость и высокая токсичность некоторых компонентов, а также сложная и дорогая переработка. Кроме того, батареям данного типа необходима сложная система управления и контроля, регулирующая токи, температуру на отдельных аккумуляторах и, главное, выравнивающая их напряжение в процессе заряда и разряда. Без такой системы вся батарея может начать работать на заряд единственного аккумулятора с минимальным напряжением, следствием чего станут пожар и взрыв.
В отличие от литиевых натрий-ионные накопители не боятся перегрева и полной разрядки, и сырье для них на планете есть в достаточном количестве. Осталось повысить их энергоемкость и срок службы
В последние годы все больше авансов выдают твердотельным литиевым аккумуляторам, которые должны прийти на смену привычным литий-ионным. Это накопители с твердым «телом» электролита, состоящим из полимерных и композитных материалов на основе неорганических оксидов и сульфидов (у каждого разработчика имеются собственные уникальные формулы химического состава смеси). Твердотельный вариант, в отличие от жидкого, сочетается с более широким кругом тоже твердотельных катодных и анодных материалов, позволяющих повысить удельную плотность заряда (плотность накопленной энергии); кроме того, у него нет проблем с образованием литиевых дендритов, вызывающих пробои и короткие замыкания, термически и механически он стабильнее и обладает лучшей ионной проводимостью. В готовых изделиях это конвертируется в более высокие показатели энергоемкости, потенциально большие сроки работы между зарядками, а также в более долгое время службы. Однако подобные устройства все еще доводятся до ума (ими занимаются в Toyota, Volkswagen, Panasonic и других компаниях) и не вышли на стадию освоения рынка. А в прошлом году японская TDK Corporation объявила, что подготовила новый материал для твердотельных аккумуляторов, обеспечивающий плотность энергии 1000 ватт-час на литр — примерно в 100 раз выше, чем у прочих моделей твердотельных батарей.
При этом уверенности, что твердотельные литиевые аккумуляторы спасут нестабильную энергетику ВИЭ, нет. Дело в том, что для их создания необходимы большие объемы лития — мировые потребности в этом металле оцениваются минимум в 1,7 млн тонн ежегодно. Добыча лития постоянно увеличивается: по итогам 2024 года она составила 1,28 млн тонн, что оказалось даже выше текущего потребления в 1,16 млн. Растут и разведанные запасы металла в мире, но из-за сложности, неэкологичности и дороговизны технологии его получения наращивать поставки будет сложно. «К 2035 году Международное энергетическое агентство в свежем докладе о критических металлах прогнозирует тридцатипроцентный дефицит ресурсов лития», — отмечает Игорь Чаусов.
В качестве альтернативы ученые предлагают натрий-ионные аккумуляторы. Для их создания на планете достаточно ресурсов (мировая добыча натрия — более 150 млн тонн), нет риска перегрева из-за короткого замыкания (иногда это приводит к возгоранию литиевых устройств). Кроме того, подобные накопители, в отличие от литиевых, не боятся полной разрядки: катодный материал в них меньше подвержен деформации структуры при разряде, несмотря на больший размер ионов натрия в сравнении с ионами лития. Но эти идеи еще не получили физического воплощения. Задачи, которые сейчас решают ученые в данной области, — повышение энергоемкости натрий-ионных батарей (сейчас она примерно вдвое меньше, чем у литий-ионных, — 100–150 ватт-час на килограмм против 300) и срока их службы, который у опытных образцов, как правило, не превышает 3000 циклов перезарядки (тоже вдвое меньше, чем у литий-ионных). Но, как отмечалось на недавней отраслевой конференции в Сколтехе, количество статей, посвященных натрий-ионным и твердотельным аккумуляторам, быстро растет.
«Судя по последним работам, натрий-ионные накопители можно сделать более безопасными и энергоемкими, что позволит им выйти на паритет с сегодняшними литий-ионными, — отмечает доцент Центра энергетических технологий Станислав Федотов. — Что касается твердотельных аккумуляторов, то здесь есть движение, с одной стороны, к упрощению конструкции, с другой — к увеличению самой, наверное, понятной характеристики — энергоемкости. Ее обеспечит переход от одного типа анодов — объемных, малоемких — к сплавным, чем мы как раз и занимаемся».
Между тем южнокорейская фирма KAIST уже анонсировала скорый выпуск на рынок натрий-ионных аккумуляторов, у которых заявленная плотность выше, чем у литий-ионных, за счет применения технологий, традиционно использующихся в суперконденсаторах — устройствах, где накопление электрической энергии происходит благодаря заряду двойного электрического слоя, образованного поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита.
В России первые прототипы натрий-ионных батарей создала компания «Рустор», основанная учеными из МГУ и Сколтеха Евгением Антиповым и Артемом Абакумовым. У новых устройств относительно небольшая энергоемкость — до 106 ватт-час на килограмм, но, как уверяют разработчики, есть все составляющие для совершенствования технологии, в частности новые катодные материалы NaVP2O7 и NaVPO4 с рекордной удельной энергоемкостью 540 ватт-час на килограмм.
Эксперименты проводятся и с другими металлами. В начале этого года команда ученых из Пекинского университета под руководством исследователя Вэй Вана сообщила о создании алюминий-ионного твердотельного аккумулятора, «который может выдержать многократные механические нагрузки и нагрев до 200 градусов без вредных последствий, поскольку лишен легковоспламеняющихся электролитов (iPhone при тех же условиях взорвался бы), а также сохраняет 99% своей первоначальной емкости при 10 тысячах циклов перезарядки». Для сравнения: современные литий-ионные батареи начинают терять емкость уже после 500–1000 циклов.
Заменой литий-ионным накопителям могут стать и ванадиевые проточные, где электрохимические реакции проходят не на поверхности твердых электродов, а в жидких электролитах и на мембране. Такие аккумуляторы схожи с классическими: в них есть анод и катод, на которых протекают реакции окисления и восстановления с высвобождением электронов. При этом ванадиевые батареи способны хранить энергию практически бесконечно и без потерь, к тому же они не столь токсичны и не огнеопасны, поскольку в них используются негорючие водные растворы.
Устройства данного типа появились в начале 1990-х годов в Австралии; позже технология была продана в другие страны. Сегодня ванадиево-проточные аккумуляторы используются в Китае, Германии и США для запасания энергии ВИЭ и сглаживания пиков спроса на электричество.
Но и этот вариант пока несовершенен. Как отмечает один из разработчиков ванадий-проточных накопителей в России старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Михаил Пугач, иногда батареи начинают вести себя нелинейно в зависимости от нагрузки, внешней температуры и других факторов. Такие моменты необходимо отслеживать и корректировать, что требует более сложных алгоритмов управления аккумулятором. Кроме того, проточные модели весьма тяжелые и громоздкие, их сложно приспособить для портативных устройств (а низкая универсальность ухудшает экономику проекта). Но при некоторой доработке ванадий-проточные накопители будут хороши как раз в комплексе с ВИЭ или в качестве резервного источника питания для объектов, работа которых не может прерываться, таких как АЭС или центры обработки данных.
Появляются и аналоги старой доброй ГАЭС — твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС), позволяющие накапливать энергию за счет вертикального подъема и спуска тяжелых грузов. В мире реализовано несколько проектов данного типа. В России ТАЭС разрабатывает новосибирская компания «Энергозапас», в которую инвестируют «Роснано» и «РусГидро». Ее накопитель потребляет энергию за счет подъема 60-тонных грузов на высоту 300 метров, а вырабатывает благодаря опусканию их под действием силы тяжести. Заявленная емкость батареи составляет 10 ГВт⋅ч, мощность — 1 ГВт. Регулируя подъемники, можно управлять режимом работы станции. Разработчики новой системы полагают, что востребованность ТАЭС в мире будет быстро расти, особенно в странах Азии и Латинской Америки, где интенсивно развиваются ВИЭ. Из мировых производителей на рынок с подобным предложением уже вышла швейцарская компания Energy Vault: в 2023 году она построила в китайской провинции Цзянсу гравитационную накопительную систему, которая помогает сбалансировать выработку энергии ветряных генераторов. Недостатком ТАЭС специалисты называют лишь ее размеры: по сравнению с этим грандиозным сооружением меркнет даже пирамида Хеопса. И еще высокий уровень шума.
По всей России насчитывается около тысячи населенных пунктов, которые снабжаются энергией от привозных дизель-генераторов, что дорого и неэкологично. Именно там необходимо устанавливать ВИЭ, а в паре к ним — водородные накопители
Интересная разработка из цикла механики — маховичный накопитель. Он собирает кинетическую энергию вращающегося маховика и превращает ее в электрическую почти мгновенно, ведь двигатель и генератор здесь одно и то же устройство. Подобные системы тестируются уже давно, но только в последнее время стали выходить за рамки экспериментальных прототипов. Например, минувшей осенью в китайском городе Чанчжи впервые в мире была подключена к сетям маховичная система накопления энергии мощностью 30 МВт. Она состоит из 120 маховичных генераторов (накопителей), разделенных на 10 блоков по 12 установок, которые помещены в земляной колодец для подавления шума. Частота вырабатываемой энергии стабилизируется на уровне каждого из блоков, все они подключены к сети напряжением 110 кВ. В России подобную технологию развивает компания «Русский сверхпроводник», но о практических результатах пока ничего не известно.
Отдельно стоит сказать еще об одном потенциальном козыре зеленой энергетики — водородных накопителях, на которые делают ставку в Европе и России. Практически все богатые западные страны инвестируют в эту технологию, которую условно называют «энергия — газ».
Она применяется для временного хранения в газообразном состоянии избыточной электроэнергии, которая вырабатывается переменчивой генерацией на основе солнца и ветра. Водород получают с помощью электролиза воды, а затем посредством топливного элемента из него производят электроэнергию и тепло.
Водородные накопители энергии большой емкости — десятки мегаватт-часов — представляют собой группы соединенных контейнеров, в которых размещены электролизные модули, системы водоподготовки, осушки водорода и топливные элементы, а также силовое преобразовательное оборудование и шкафы управления. Кроме того, в состав аккумуляторов входят ресиверы (специальные цистерны или штабели баллонов) для хранения водорода, связанные между собой и с контейнерами небольшими трубопроводами с запорно-регулирующей арматурой.
«Общий КПД таких накопителей пока относительно невысок — 30–45 процентов против 85–98 у литий-ионных батарей. Причина в том, что хранение энергии в водороде требует нескольких преобразований, на каждом из которых наблюдаются потери. Во-первых, КПД электролиза воды всего 60–80 процентов. Во-вторых, при хранении водорода в связанном, или сжатом, или сжиженном состоянии потери составляют 5–20 процентов от энергии хранимого газа. Наконец, КПД обратного преобразования водорода в электричество в топливных элементах не превышает 40–60 процентов, — объясняет руководитель Центра компетенций по новым и мобильным источникам энергии на базе ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН Алексей Левченко. — Но есть и весомые преимущества: по сравнению с литий-ионными аккумуляторами здесь практически нет потерь энергии при ее длительном хранении, к тому же подобные накопители имеют меньшую деградацию. Кроме того, они проще с точки зрения масштабирования и возможностей размещения».
Эти плюсы, по словам эксперта, определяют потенциальные сферы применения водородных накопителей: ВНЭ экономически оправданны там, где традиционные технологии хранения энергии неэффективны или слишком дороги, в частности при энергоснабжении изолированных энергосистем, включая дачные домохозяйства. Например, в России, по мнению президента Центра водородных технологий АФК «Система» Юрия Добровольского, они будут востребованы в районах, где нет централизованного энергоснабжения, а это практически три четверти территории страны: Крайний Север, Сибирь, Дальний Восток.
Основные заделы в науке у нас также связаны с водородными технологиями. Юрий Добровольский считает, что в предыдущие десятилетия страна потеряла много специалистов в области литиевых батарей, но сумела сохранить экспертов по водородным. Поэтому сейчас в данной области есть не только схемы, но и работающие устройства.
«Осенью прошлого года в селе Новиково на юге Сахалина заработал первый в России водородный накопитель энергии — это один из пилотных проектов водородного полигона, созданного МФТИ и партнерами, — рассказывает один из участников проекта Игорь Чаусов. — Накопитель — часть находящегося здесь же автоматизированного гибридного энергокомплекса с ветрогенераторами. Водородный накопитель энергии включает электролизный модуль для выработки H2, в котором стоит блок водоподготовки (установка обратного осмоса), электролизные модули и блок осушки водорода; кроме того, есть ресиверы для хранения газа, а в отдельном контейнере — электрохимический генератор на базе топливного элемента. Ванадиевая проточная батарея включена параллельно как альтернативный тип накопителя. Оборудование объединено системой автоматизированного управления, созданной в Научно-исследовательском центре “РусГидро” на острове Русский во Владивостоке. Водородный накопитель принимает из сети энергию, вырабатываемую ветрогенераторами, выпрямляет ее и направляет на электролиз подготовленной деионизированной воды. Вода разлагается на кислород (он сбрасывается в атмосферу) и водород, который поступает на осушку и затем в ресиверы, где может храниться довольно долго. Когда возникает потребность в возврате энергии, водород подается на батарею топливных элементов, где в ходе электрохимической реакции с кислородом воздуха получается электрический ток и вода. Вода направляется в рецикл, а постоянный ток подается на инвертор, который преобразует его в переменный ток промышленной частоты, и выдается в сеть».
Помимо села Новиково, в водородный кластер острова входит город Южно-Сахалинск, где работает Центр водородного инжиниринга с собственным опытным полигоном солнечных панелей на 300 кВт и электролизеров для выработки H2. Этот водород используется для энергоснабжения полевых объектов на аэродроме МЧС Пушистый и вышки сотовой связи в селе Огоньки. Кроме того, в Южно-Сахалинске будет проходить эксперимент по внедрению водородного транспорта — мусоровозов и автобусов. А вблизи поселка Шахтерск на западном побережье острова запланированы испытания модифицированных для работы на водородном топливе карьерных самосвалов БеЛАЗ.
Похожий проект, связанный с установкой водородных накопителей, предполагается воплотить и на Юге России. «В Краснодарском и Ставропольском краях много солнца, там активно строят ВИЭ, но покрыть дефицит энергии пока не удается. В итоге из-за сельскохозяйственных работ, массового включения кондиционеров и прочего в регионе часто “ложатся” сети. Здесь водородные накопители призваны прежде всего обеспечить стабильность энергосистемы», — комментирует Юрий Добровольский.
Сегодня, по словам эксперта, по всей России насчитывается около тысячи населенных пунктов, которые срочно нуждаются в резервных мощностях. Они снабжаются энергией от привозных дизель-генераторов, что дорого и неэкологично. Именно там необходимо устанавливать ВИЭ, а в паре к ним — водородные батареи. Причем, поскольку речь идет в основном о землях, где значительную часть года очень холодно и месяцами длится полярная ночь, требуются резервуары, устойчивые к низким температурам и позволяющие накапливать огромные объемы энергии. Это настоящий вызов для нашей науки. Опытные образцы водородных накопителей большой мощности — от 100 кВт⋅ч до 1 МВт⋅ч — ученые обещают представить до конца текущего года.
Воплощать водородные разработки в «железе», по словам Юрия Добровольского, планируют преимущественно в России «с небольшой помощью китайских партнеров». Полностью локализовать производство топливных элементов из-за малых масштабов рынка пока не удается. Так, 70% топливных элементов в водородном грузовике, разработанном КамАЗом, оказались китайскими, но производство водорода обещают сделать отечественным. В частности, нынешним летом в Новоуральске должен начаться серийный выпуск ключевого компонента для создания газовых аккумуляторов — электролизеров (устройств, необходимых для получения водорода); такие же заводы уже работают в Великобритании, Германии и Дании, а первый в Европе крупномасштабный водородный накопитель строится в немецкой Саксонии.