Как хранить возобновляемую энергию: новые решения для старых проблем
По мере того как мир движется к более чистым источникам энергии, остаётся главная задача: как хранить возобновляемую энергию, чтобы использовать её тогда, когда она нужна больше всего?
Современные технологии хранения энергии в батареях относительно дороги в производстве и традиционно не могут накапливать достаточно энергии, чтобы удовлетворить спрос, когда солнце не светит или ветер не дует.
Но новые альтернативы, известные как батареи длительного хранения энергии (LDES), которые имеют большой запас энергии, сейчас предлагают перспективное решение. Эти технологии вскоре могут позволить нам хранить электроэнергию, созданную солнечными панелями и ветряными турбинами, в течение длительных периодов времени, чтобы обеспечить бесперебойную и постоянную подачу электроэнергии по требованию.
Кроме того, батареи LDES могут обеспечивать резервное питание в критических ситуациях, например, для больниц или во время стихийных бедствий.
Преимущества хранения энергии с помощью LDES-батарей
Одно из ключевых преимуществ — повышение стабильности сети. Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, непостоянны, то есть они не производят электроэнергию всё время, например, ночью или при штиле. LDES помогает сгладить подачу энергии, накапливая избыточную электроэнергию и высвобождая её при необходимости, снижая риск отключений электроэнергии.
Батареи LDES позволяют более эффективно интегрировать возобновляемую энергию в энергосистемы. Благодаря лучшим решениям для хранения энергии, ветровую и солнечную энергию можно использовать более эффективно, снижая зависимость от ископаемого топлива и ускоряя переход к низкоуглеродной экономике.
Батареи LDES также играют роль в снижении нагрузки в часы пик. Спрос на электроэнергию меняется в течение дня, часто достигая максимума вечером. Предоставляя накопленную энергию в эти пиковые периоды, системы LDES могут снизить нагрузку на сеть.
Они также могут поддерживать отдалённые районы и сообщества с ненадёжным электроснабжением, обеспечивая устойчивый и экологичный источник энергии, особенно в регионах, подверженных стихийным бедствиям.
Перспективные технологии LDES-батарей
* Ванadium flow. Разработанные в UNSW профессором Марией Скайллас-Казакос в 1980-х годах, батареи с ванadium flow становятся популярными во всём мире благодаря возросшей мощности и энергоёмкости.
Мировая крупнейшая батарея с ванadium flow, система мощностью 175 МВт/700 МВтч в Даляне, Китай, была разработана компанией Rongke Power и введена в эксплуатацию в декабре 2024 года. Тем временем в Великобритании построена установка мощностью 5 МВт, подключённая к национальной электросети.
Батарея с ванadium flow накапливает энергию в жидких электролитах, содержащих ионы ванадия в четырёх различных степенях окисления. Положительные и отрицательные электролиты, которые хранятся в отдельных резервуарах, прокачиваются через батареи, где происходит преобразование энергии. При зарядке или разрядке электроны переходят между электролитами через внешнюю цепь, обеспечивая накопление и высвобождение энергии без значительного износа.
Батареи с ванadium flow легко масштабируются, что позволяет увеличить энергоёмкость для длительного энергоснабжения. Однако они имеют меньшую плотность энергии по сравнению с некоторыми другими вариантами LDES.
* Литий-ионные. В отличие от них, литий-ионные батареи предлагают высокую плотность энергии и быстрое время отклика, что делает их уже популярными для транспортных средств, бытовой электроники и медицинских устройств. Однако они быстрее деградируют со временем и могут прослужить только 500–3000 циклов зарядки до ощутимой потери ёмкости — по сравнению с 200 000 циклов для батареи с ванadium flow.
Есть также дополнительные проблемы безопасности, связанные с тепловым разгоном, который может привести к возгоранию литий-ионных батарей, а также зависимость от дефицитного сырья и дорогостоящая и сложная переработка.
Тем не менее в резерве энергии Хорнсдейла в Южной Австралии и в крупной викторианской батарее в Джилонге используются литий-ионные Tesla Megapacks. Последняя может накапливать достаточно энергии для обеспечения энергией более миллиона викторианских домов на срок до получаса.
* Iron flow. Батареи с iron flow, которые накапливают энергию в жидком электролите, обычно состоящем из железа, соли и воды, являются доступным и экологически чистым вариантом для длительного хранения энергии. Они обещают около 10 000 циклов с минимальным износом с течением времени. Однако они имеют меньшую плотность энергии по сравнению с литий-ионными или ванadium flow и требуют больше места для той же ёмкости хранения энергии.
* Organic flow. Ещё одним потенциальным вариантом являются органические проточные батареи, которые всё ещё находятся на стадии исследований, при этом тестируются углеродсодержащие молекулы для использования вместо металлов, таких как ванадий или литий. Хотя они могут обеспечить более дешёвое и нетоксичное решение для хранения энергии, всё ещё существуют большие вопросы об их плотности энергии в больших масштабах и долговечности.
Ограничения и проблемы LDES-батарей
Несмотря на свои преимущества, разработка LDES-батарей сталкивается с некоторыми серьёзными проблемами. Одной из основных проблем являются высокие первоначальные затраты, поскольку многие технологии требуют значительных первоначальных инвестиций в инфраструктуру, что затрудняет крупномасштабное внедрение.
Технологии LDES, как и другие системы хранения, испытывают потери энергии во время процессов хранения и извлечения из-за таких факторов, как саморазряд, внутреннее сопротивление и неэффективность циклов зарядки и разрядки.
Ограничения по материалам и цепочка поставок также создают значительные проблемы для некоторых LDES-батарей. Некоторые технологии зависят от редких или дорогих материалов, что может привести к уязвимости цепочки поставок, а также к экологическим проблемам.
Хотя многие технологии LDES демонстрируют большие перспективы, некоторые из них всё ещё находятся на экспериментальной стадии и требуют дальнейших исследований и разработок, прежде чем они смогут быть широко внедрены.
Воздействие LDES-батарей на окружающую среду
Хотя LDES-батареи могут стать ключом к более чистому энергетическому будущему, их воздействие на окружающую среду зависит от используемой технологии. Одним из основных преимуществ является снижение выбросов углекислого газа, поскольку использование ископаемого топлива для производства электроэнергии может быть значительно сокращено.
Однако некоторые основные технологии аккумуляторов зависят от редких или критически важных минералов, таких как литий, ванадий и кобальт, что вызывает экологические опасения, если методы добычи не являются устойчивыми или сами по себе вызывают значительные выбросы парниковых газов.
Кроме того, необходимы надлежащие методы переработки и утилизации, чтобы предотвратить вред окружающей среде, особенно в отношении литиевых батарей. Проточные батареи, напротив, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду благодаря возможности восстановления и повторного использования электролитов.