Сгладить пики и провалы

Главная проблема электрогенерации – неравномерное потребление энергии, его скачкообразный характер. Генераторам сложно приспособиться к этому ритму: большинство видов электростанций очень инертны, они не могут работать в режиме «старт-стоп» по необходимости. Так, тепловая станция на газе/мазуте/угле выходит на мощность за несколько часов, а атомной может потребоваться несколько суток – это самый маломаневренный источник энергии. Постоянные разгоны-торможения тепловых станций экономически нецелесообразны, а в случае с АЭС – технически сложны.

Зеленый императив: развитие чистой энергетики ускоряется

Солнечная энергетика циклична по определению, ветряная сильно зависит от погоды. По данным ICIS Energy, из более 30 тыс. ветрогенераторов Германии нет ни одного, который бы работал в режиме 24/7. Солнечная и ветряная энергетика с момента появления не смогли преодолеть свой главный недостаток – низкий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Он составляет около 15%. Если ветер не дует и солнце не светит, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) теряют смысл. Он есть только тогда, когда эти источники дополняются емкими аккумуляторами.

Гидроэлектростанции (ГЭС) имеют КИУМ до 90% и могут выходить на мощность за минуты, но на гидроэнергетику приходится лишь 16% мирового потребления электричества (в частности, в России – 18%, в Норвегии и Уругвае – 90%, в странах Ближнего Востока и Северной Африки их практически нет). Впрочем, дизель-генератор выходит на мощность мгновенно, но из-за относительной дороговизны мотора и топлива на единицу выработанной энергии он неэкономичен и используется главным образом для резервирования основных источников энергоснабжения. Генерации одновременно надежной, чистой и дешевой нет.

Систем хранения энергии изобретено десятки. Если исключить экзотику вроде маховиков или запредельно дорогих сверхпроводников, то главные накопители – аккумуляторные батареи и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Они работают совершенно по-разному, но с задачей хранения энергии справляются.

Хранение энергии в батареях

Международное энергетическое агентство (МЭА) в докладе «Аккумуляторы и надежный энергопереход» (Batteries and Secure Energy Transitions) утверждает, что хранение энергии в батареях – самое быстрорастущее направление среди более 500 технологий, которые мониторит агентство. В 2023-м оно выросло в годовом выражении более чем в два раза. Основные батареи – литийионные (Li-ion). 90% их общей мировой емкости используется в электромобилях (EV) и лишь 10% – во всех других отраслях, включая электронные гаджеты.

Еще 10 лет назад Li-батареи для EV были дорогими и ненадежными, но после 2010-го их цена снизилась почти вдвое, а емкость выросла. Это позволило снять главное ограничение EV – маленький запас хода. Раньше одной зарядки батареи хватало на 100–150 км, то есть пользоваться электрическим транспортом можно было только в городе. Сейчас 700 км пробега на одной зарядке – норма, а некоторые модели электромобилей преодолели отметку в 1000 км. На трассах появляются станции быстрой зарядки, где батарею можно довести до емкости 100% за считаные минуты, – правда, такая зарядка дороже медленной, на которую требуются часы.

Революция с подвохом: что мешает электромобилю стать экологичным видом транспорта

Электромобили – емкий рынок батарей, но не единственный. Появились и развиваются методы хранения энергии в промышленных масштабах (utility scale). До недавних пор сферы применения батарей были ограничены дороговизной устройств, но они дешевеют год к году на десятки процентов. Сегодня накопители являются неотъемлемой частью новых ветряных и солнечных парков.

Инвестиции в производство батарей с 2018 года выросли в пять раз. В 2023-м общие вложения в них по миру составили $150 млрд, правда, почти вся эта сумма пришлась на Китай (75%), Европу (15%) и США (5%). Производство батарей – высококонцентрированный бизнес. Впрочем, добыча и очистка минералов, сборка ячеек и блоков батарей и производство систем управления ими – отдельные направления, которые могут быть реализованы в разных странах. Китай изготавливает большую часть ячеек и блоков батарей. Добыча лития сосредоточена в Китае, Чили и Боливии.

По оценке компании «Выгон-Консалтинг», Россия способна производить к 2030 году до 68 тыс. тонн LCE (Lithium carbonate equivalent – эквивалент карбоната лития. Любой литий торгуется как LCE), к 2035-му – 206 тыс. тонн, к 2040-му – 397 тыс. тонн в год. В результате экспорт лития в стоимостном выражении превысит экспорт черных металлов, угля и пшеницы и будет уступать только нефти и газу.

Литий – металл с очень волатильными ценами. Альтернативой Li может стать батарея на основе серы. Оба типа имеют сопоставимую емкость и примерно по 1,5 тыс. циклов заряда/разряда. Преимущество серных устройств – в дешевизне серы. Прототип создан в 2016-м, но только в прошлом году удалось устранить их главный недостаток, когда элементы из серы окисляются и вызывают шаттл-эффект – утечку активного вещества из катода. Прослойка в электролите позволила устранить его. Производство таких батарей в промышленных масштабах должно начаться до конца 2024 года.

МЭА считает, что получат распространение батареи с твердым электролитом, более емкие. Прототипы уже существуют, их называют твердотельными (Solid-state batteries, SSB). Массово они пока не производятся из-за дороговизны, но у всех типов батарей стоимость падает за десятилетие в разы. Батареи дешевели даже при нарушении цепочек поставок редких металлов в период пандемии. Возможно, скоро каждый ветряк или солнечная панель будут иметь аккумуляторный блок, который сделает их работу бесперебойной.

ГАЭС: аккумулятор энергии воды

Способность ГЭС быстро включаться и выключаться используется в их особом типе – гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Международная ассоциация гидроэнергетики (IHA) называет эти станции «самым экономичным и самым чистым способом хранения энергии». К тому же ГАЭС способны хранить ее в крупных масштабах, пригодны для резервного питания электросети в пиковые часы и незаменимы в случае аварий на генерирующей станции.

Принцип работы ГАЭС прост. Станции используют два резервуара, находящихся на разном уровне. Называются они бьефами – верхним и нижним. Когда спрос (и, соответственно, цена на энергию) падает, насосы закачивают воду из нижнего бьефа в верхний. Когда спрос выходит на пик, станция переходит из насосного режима в турбинный. Вода сбрасывается в нижний бьеф, проходя через турбины, то есть работает как обычная генерирующая ГЭС: использует силы гравитации, заставляющие массу воды двигаться вниз.

В погоне за ветром: что мешает странам перейти на использование только зеленой энергетики

Бьефы могут быть природными, но чаще всего они рукотворные. Размеры их варьируются в широких пределах. Даже небольшой бьеф, размером с олимпийский плавательный бассейн (50 метров), может хранить воды в объеме, достаточном для выработки 3,5 МВт·ч. Технически это самый простой способ хранения энергии, он по затратам несопоставим с аккумуляторными батареями в пересчете на единицу энергии. Хоть ГАЭС строятся для хранения, а не для генерации, МЭА учитывают их в числе ГЭС. Аналогично поступает «Русгидро».

Первая ГАЭС появилась в 1909 году в Швейцарии. Сегодня общие мощности таких станций в мире составляют около 140 ГВт. Лидируют Китай (32 ГВт), Япония (28,3 ГВт) и США (22,6 ГВт). Российские ГАЭС суммарно хранят 2,2 ГВт. Крупнейшая из них – Загорская на реке Кунье вблизи поселка Богородское Сергиево-Посадского района Московской области. «РусГидро» отмечает, что это «один из наиболее значимых энергообъектов объединенной энергосистемы Центра России». Ее мощность в турбинном режиме – 1200 МВт.

ГАЭС не является электростанцией как таковой, поскольку потребляет электроэнергии больше, чем вырабатывает. Потребление энергии ГАЭС – только в цикле закачки воды в верхний бьеф. В режиме генерации, как и у обычных ГЭС, КПД составляет около 90%.

Зоны затопления, необходимые для ГАЭС, значительно меньше, чем для обычных ГЭС сопоставимой мощности. Поэтому ГАЭС может располагаться в густонаселенных районах, вблизи потребителей. Как правило, так оно и делается. Например, та же Загорская ГАЭС резервирует мощности центрального региона России, в частности Москвы. ГАЭС Каскада Кубанских ГЭС регулирует подачу воды в северо-кавказские оросительные каналы и одновременно служит аккумулятором энергии для густонаселенной Кубани.

Ленинградская ГАЭС должна была располагаться на реке Шапше в Ленинградской области, но в 2017 году компания «РусГидро» отказалась от проекта. Станция предназначалась для работы в пиковой части графика нагрузок энергосистемы Северо-Запада, испытывающей дефицит высокоманевренных мощностей (в регионе располагаются три крупные АЭС – Ленинградская, Кольская и Калининская, а также ряд мощных тепловых электростанций). Курская ГАЭС на реке Сейм в городе Курчатове Курской области находится на стадии проработки. Предполагается, что она будет работать вместе с Курской АЭС, потребляя ее энергию по ночам и возвращая днем. Аналогичную роль должна играть Центральная ГАЭС на реке Тудовке в Тверской области.

ГАЭС отлично подходят для выравнивания суточных колебаний спроса на энергию АЭС – дешевую и безуглеродную, но немобильную. Для тепловых станций ГАЭС может быть подстраховкой.

Энергохранение будущего

МЭА прогнозирует, что после 2030 года около 30% новых гидромощностей придется не на генерирующие ГЭС, а на ГАЭС. То есть на простой и эффективный способ хранения энергии, к тому же экологически чистый. Если батареи нужно утилизировать по окончании срока их работы, то ГАЭС способны работать по 30–40 лет, а после замены турбин – еще столько же, а потом и еще.

Батареи продолжат дешеветь и увеличивать емкость. В одной упряжке с солнечными панелями и ветряками они будут выравнивать цикличный характер генерации от этих чистых источников. Помимо дорожного транспорта, батареи распространятся на воздушный и морской. Прототипы электрических самолетов и судов уже существуют.

Появятся новые типы хранилищ – на основе расплавленной соли, а накопители энергии на основе явления сверхпроводимости подешевеют. Возможно, мы увидим и другие способы, однако два доказавших свою надежность и экономичность сохранятся: нет никаких резонов отказываться от литиевых, серных или твердотельных батарей и от ГАЭС. Вероятно, продолжится диверсификация накопителей, каждый из которых будет наилучшим образом подходить под конкретные задачи. Где-то важнее большая емкость, где-то – вес и компактность, а где-то – быстрое включение «по щелчку». Особый акцент будет сделан на хранении энергии зеленой генерации. Неслучайно МЭА рассматривает накопители как составную часть энергоперехода к безуглеродной экономике.