Новые перспективные технологии хранения энергии, которые могут быть внедрены в этом десятилетии

Обновлено: 18.05.2024

Авторы исследования Transition Outlook 2019 (по реализации энергетического перехода мировой энергетики до 2040 года) - представители одной из ведущих международных консалтинговых компаний Wood Mackenzie (г. Эдинбург, Великобритания) считают, что существует высокая вероятность невыполнения целей, определенных «Парижским климатическим соглашением».

Сейчас документ является наиболее негативным прогнозом относительно успешности глобального энергетического перехода на фоне стремительного изменения климатических условий. По утверждению экспертов Wood Mackenzie, он базируется на объективной оценке доступных инвестиций и желании вкладывать деньги в зеленые отрасли промышленности на фоне сложившейся инертности к изменениям многих отраслей (металлургической, транспортной), фактическом низком уровне выполнения климатических обязательств на уровне государств и развертывании ряда глобальных конфликтов экономического и политического характера, прежде всего т.н. «торговых войн» между США и Китаем.

Специалисты Wood Mackenzie считают, что текущий энергетический переход происходит слишком медленно и может привести к росту глобальной температуры примерно на 3°C до 2040 года. При этом учитывается влияние дальнейшей политической поддержки устойчивого развития в отдельных государствах и технологический прогресс с учетом инерции бизнеса и потребителей к изменениям поведения в отношении источников получения энергии. Такой сценарий предполагает дальнейший рост выбросов углерода в следующем десятилетии с замедлением только в 2030-х годах.

Возможным альтернативным сценарием считается активизация глобальных усилий с целью внедрения жесткой политики в отношении выбросов углерода, государственной и финансовой поддержки декарбонизации, распространения электрификации, поддержки энергоэффективности и зеленых технологий. Для этого, по мнению международных экспертов, в ближайшее время необходимо объединение усилий ведущих государств мира и повышение ставок налогов на выбросы СО2 в большинстве стран.

По оценкам Wood Mackenzie, в настоящее время политика декарбонизации имеет определенные результаты только в энергетическом секторе. В то же время тяжелая промышленность, машиностроение, жилой сектор, авиация, морской и автодорожный транспорт, сельское хозяйство и теплоснабжающие компании нуждаются во внедрении новых технологий, энергомодернизации и реформах для снижения энергоемкости и перехода на альтернативное низкоуглеродистое топливо. Водород и производные синтетические виды топлива занимают незначительную долю на рынке, а технология улавливания и хранения углерода остается дорогой и технологически сложной. Ситуация осложняется в секторах, характеризующихся наличием жесткой конкуренции на глобальном уровне, в частности, представителями металлургической отрасли (мощными корпорациями из Китая, Южной Кореи и Японии) может оказываться сопротивление внедрению производства дорогой низкоуглеродистой продукции из-за угрозы потерять свои рынки сбыта.

Как объясняется в докладе, для того, чтобы планета пошла по сценарию «два градуса Цельсия», как это предусмотрено Парижским климатическим соглашением, нужны «срочные политические и нормативные инициативы как в странах ОБСЕ, так и в странах, не входящих в организацию». Они должны включать налоговую политику и субсидии, которые стимулируют научные исследования и привлечение капитала в технологии с нулевыми выбросами углерода. Необходимы долгосрочные программы по стимулированию развития и внедрения ВИЭ, а также других технологий, таких как улавливание и хранение углерода (CCS), аккумуляторов и систем длительного хранения энергии, водородных и других альтернативных технологий с их последующим выводом на промышленный и коммерчески выгодный уровень.

Уже в настоящее время отказ от целевых государственных субсидий замедляет прирост ВИЭ во многих странах мира, даже при условии дальнейшего падения стоимости технологий, хотя до 2023 года ожидается, что в большинстве регионов мира солнечная генерация станет дешевле традиционных источников энергии. Wood Mackenzie также прогнозирует, что к 2040 году в мире будет установлено около 600 ГВт накопителей энергии.

В свою очередь, аналитическое агентство BloombergNEF делает гораздо более оптимистичные прогнозы относительно систем аккумулирования, подчеркивая их определяющую роль для дальнейшей успешной глобальной декарбонизации. В своем исследовании Energy Storage Outlook 2019 аналитики организации прогнозируют стремительный рост глобального рынка мощностей аккумулирования к 2040 году благодаря удешевлению технологий и распространению комбинированных систем с объектами ВИЭ.

По данным исследования, ожидается запуск в эксплуатацию 1095 ГВт/2850 ГВт-ч мощностей общей стоимостью инвестиций около 662 миллиардов долларов США. При этом BloombergNEF учитывает только динамику роста литиево-ионных батарей и падения их стоимости еще на 50% от уровня 2018 года в период до 2030 года. Совокупно с потребностями электромобильной отрасли, общая ожидаемая мощность аккумулирования к 2040 году может составить 4548 ГВт-ч.

Ключевыми рынками для такого роста считают промышленные стационарные системы накопления и электромобили, а драйверами роста - большие объемы новых мощностей генерации ветровыми и солнечными электростанциями с низкими ценами на электроэнергию, что повысит рентабельность их комбинирования для обеспечения стабильной работы и балансировки в соответствии с потребностями энергетической системы.

Малые системы накопления, установленные для нужд частных домохозяйств и промышленных объектов, останутся нишевым продуктом без существенного влияния на работу энергетической системы. Вместо этого они станут одним из основных инструментов для сокращения расходов на электроэнергию потребителей, которые их будут использовать по так называемому алгоритму «после узла учета» (behind-the-meter).

BloombergNEF прогнозирует увеличение роли систем аккумулирования в таких сегментах рынка, как: смещение периодов пикового производства электроэнергии солнечными электростанциями на периоды пикового потребления, покрытие пиковых нагрузок на энергосистему в ответ на неожиданный рост спроса, управление электрообеспечением потребителей благодаря накоплению дешевой электроэнергии и потребление в автономном режиме в пиковые часы.

Международная консалтинговая компания Wood Mackenzie дает достаточно консервативную оценку возможностей глобальной энергетики осуществить низкоуглеродистую трансформацию в период до 2040 года и акцентирует внимание на возникновении новых вызовов — политического напряжения, торговых войн, протекционизма, инерции к изменениям в бизнесе и обществе при неизменном желании инвестировать в высокодоходные проекты добычи или использование углеводородов. Исследование может способствовать как формированию более взвешенных подходов в рамках энергетической трансформации, так и ускорить внедрение новых законодательных норм, особенно в ЕС, который стремится оставаться «зеленым» лидером планеты.

По мнению международных экспертов, этот нарратив свидетельствует об ограниченности на глобальном уровне инвестиций в энергетическую трансформацию и необходимость формировать весомые стимулы, при этом отказываясь от чрезмерной государственной поддержки и финансирования. Введение зеленых аукционов может быть недостаточным стимулом для новых инвестиций в ВИЭ и требовать дополнения, например, временными налоговыми льготами для девелоперов.

Глобальный рынок систем аккумулирования электроэнергии на основе литиево-ионных батарей обладает значительным потенциалом для дальнейшего стремительного роста благодаря стабильному спросу в сегменте промышленных установок и развития электротранспорта. Возможные новые технологические решения могут лишь ускорить развитие соответствующих мощностей, которые быстро приобретают конкурентные преимущества над традиционными источниками балансировки энергетической системы, а в сочетании с ВИЭ — над базовой и переменной генерацией.

Недостаток энергии обычно считается одной из основных экзистенциальных проблем нашей цивилизации, но на самом деле ее достаточно - только не там и тогда, когда она нужна, потому что мы не можем хранить ее эффективно. Хотя первые автомобили приводились в действие электричеством, а первым автомобилем, преодолевшим барьер скорости 100 км/ч в 1899 году, был электромобиль, прогресс в хранении электроэнергии затем надолго остановился.

Только недавно электромобили отметили свое возвращение, но они все еще не победили. Их литиевые батареи (литий-ионные) имеют относительно высокую плотность энергии и отсутствие эффекта памяти, но у них также есть существенные недостатки, о которых мало говорят.

Это, в частности, высокая стоимость, самопроизвольное старение, чувствительность к неправильной зарядке и разрядке, а также риск возгорания в кризисных ситуациях. То же самое, конечно, относится к стационарным литиевым батареям для компенсации колебаний в производстве альтернативных источников энергии.

Литий-ионные аккумуляторные батареи

Пока что литий-железо-фосфатные (LFP) элементы, которые Tesla хочет установить в новых моделях электромобилей, вероятно, наиболее близки к практическому применению. Хотя они не обладают лучшими рабочими параметрами, они дешевле и обходятся без экологически опасного кадмия.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи

Но даже если бы был создан более мощный и дешевый литиевый элемент, это не решило бы основную проблему лития: его ресурсы неравномерно распределены по планете, а добыча является энергоемкой, что в конечном итоге несколько обесценивает преимущества этих элементов.

Поэтому многие лаборатории по разработке сосредоточены на аккумуляторных батареях, которые обходятся без лития. Концепция сочетания серебра и цинка, которая имеет даже лучшие параметры, чем литий, но увеличивает цену, выглядит многообещающей.

Незарядная версия этих элементов в лунном модуле Apollo 13 спасла жизнь экипажа после взрыва кислородного бака, питающего топливные элементы в служебном модуле. Зарядные типы используются на подводных лодках.

Фактически, существует ряд комбинаций материалов, которые можно использовать для хранения электроэнергии, включая дешевое и общедоступное сырье.

Одна из перспективных технологий - так называемые проточные окислительно-восстановительные батареи (Redox Flow Battery, RFB), которые работают по принципу, аналогичному топливным элементам.

Название «окислительно-восстановительный потенциал» относится к реакциям химического восстановления и окисления, используемым в RFB для хранения энергии в растворах жидких электролитов, которые протекают через батарею электрохимических ячеек во время заряда и разряда.

Проще говоря, в то время как гальванические аккумуляторы накапливают энергию, изменяя состав электродов, RFB достигают этого, изменяя состав электролита.

Среда между катодом и анодом разделена полупроницаемой мембраной, аналогичной топливным элементам, система также содержит резервуары для хранения электролита и насос, обеспечивающий его движение вокруг электродов.

Поэтому элементы намного тяжелее и больше, поэтому они не подходят для электромобильности, но они могут найти применение на альтернативных электростанциях, предприятиях, домашних хозяйствах и т.п. Важно, чтобы они были изготовлены из общедоступных материалов, имели длительный срок службы и не допускали саморазряда.

Многие ученые и специалисты, занимающиеся новыми перспективными технологиями хранения энергии уделяют им особое внимание.

Redox Flow Battery

Разделение мощности и энергии - ключевое отличие RFB от других электрохимических систем хранения. Как описано выше, энергия системы накапливается в объеме электролита, который может легко и экономично находиться в диапазоне от киловатт-часов до десятков мегаватт-часов, в зависимости от размера резервуаров для хранения.

Мощность системы определяется размером пакета электрохимических ячеек. Количество электролита, протекающего в электрохимической батарее в любой момент, редко превышает несколько процентов от общего количества присутствующего электролита (для номинальных значений энергии, соответствующих разряду при номинальной мощности в течение от двух до восьми часов).

Поток можно легко остановить при возникновении неисправности. Как результат, уязвимость системы к неконтролируемому высвобождению энергии в случае RFB ограничена архитектурой системы до нескольких процентов от общей запасенной энергии.

Эта особенность контрастирует с пакетными интегрированными технологиями хранения энергии (свинцово-кислотная, NAS, литий-ионная), где вся энергия системы постоянно подключена и доступна для разряда.

Некоторые эксперты считают, что суперконденсаторы, которые работают исключительно по физическому принципу, могут стать реальным решением проблем хранения электроэнергии в будущем. По сути, это классический конденсатор, но с гораздо большей емкостью (порядка фарад), что дает ряд преимуществ.

Например, со временем зарядки проблем нет, ведь в них заряд можно просто «влить», как воду в стакан. По той же причине они могут выдерживать большие нагрузки, поэтому при необходимости обеспечивают отличную мгновенную производительность.

Они не разрушаются при глубоком разряде, как в случае со многими химическими элементами. Они не стареют и не разрушаются так быстро, как литий-ионные батареи.

Команда, работающая с Роландом Фишером, профессором неорганической и металлоорганической химии в Техническом университете Мюнхена (TUM), разработала высокоэффективный суперконденсатор.

В основе устройства накопления энергии лежит новый, мощный и устойчивый гибридный графеновый материал, характеристики которого сопоставимы с используемыми в настоящее время батареями.

Суперконденсатор с гибридным графеновым материалом

Гибрид графена, сделанный из металлоорганических каркасов (MOF) и графеновой кислоты, является отличным положительным электродом для суперконденсаторов, которые, таким образом, достигают плотности энергии, аналогичной плотности энергии никель-металлогидридных батарей.

В настоящее время суперконденсаторы используются в основном в качестве резервных источников или в качестве дополнения к литиевым элементам в электромобилях для получения мгновенной высокой мощности (ускорение и т. д.) вероятно, уже используется.

Однако ожидается, что развитие нанотехнологий, в частности графена, займет много времени. Но возможно, что придется заплатить огромные инвестиции в литиевую технологию, прежде чем суперконденсаторам будет разрешен зеленый свет.

В последние десятилетия стоимость ветровой и солнечной энергии резко упала. Это одна из причин, по которой Министерство энергетики США прогнозирует, что возобновляемые источники энергии будут самым быстрорастущим источником энергии в США до 2050 года .

Однако хранить энергию по-прежнему относительно дорого . А поскольку возобновляемые источники энергии не доступны все время -это бывает , когда ветер дует или светит солнце-хранилище имеет важное значение.

Типичная проточная батарея состоит из двух резервуаров с жидкостью, которые прокачиваются через мембрану, удерживаемую между двумя электродами. Предоставлено: Ци и Кениг, 2017 г. , CC BY.

В качестве исследователя в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии я работаю с федеральным правительством и частным сектором над разработкой технологий хранения возобновляемой энергии. В недавнем отчете исследователи NREL подсчитали, что существует потенциал для увеличения емкости хранения возобновляемой энергии в США на целых 3000% к 2050 году .

Вот три новые технологии, которые могут помочь в этом.

Более длительные сборы

От щелочных батарей для небольшой электроники до литий-ионных батарей для автомобилей и ноутбуков большинство людей уже используют батареи во многих аспектах своей повседневной жизни. Но есть еще много возможностей для роста.

Например, батареи большой емкости с длительным временем разряда — до 10 часов — могут быть полезны для хранения солнечной энергии в ночное время или увеличения дальности действия электромобилей. Сейчас таких батарей очень мало. Однако, согласно последним прогнозам , к 2050 году, вероятно, будет установлено более 100 гигаватт этих батарей. Для сравнения, это в 50 раз превышает генерирующую мощность плотины Гувера . Это может серьезно повлиять на жизнеспособность возобновляемых источников энергии.

Одно из самых больших препятствий — ограниченные запасы лития и кобальта, которые в настоящее время необходимы для создания легких и мощных батарей. По некоторым оценкам , около 10% мировых запасов лития и почти все мировые запасы кобальта будут исчерпаны к 2050 году.

Кроме того, почти 70% мирового кобальта добывается в Конго в условиях, которые давно задокументированы как бесчеловечные .

Ученые работают над разработкой методов утилизации литиевых и кобальтовых батарей , а также над созданием батарей на основе других материалов. Tesla планирует производить батареи без кобальта в течение следующих нескольких лет. Другие стремятся заменить литий натрием , который по своим свойствам очень похож на литий, но его гораздо больше.

Батареи работают, создавая химическую реакцию, в результате которой возникает электрический ток.

Более безопасные батареи

Другой приоритет — сделать батареи более безопасными. Одной из областей, требующих улучшения, являются электролиты — среда, часто жидкая, которая позволяет электрическому заряду течь от анода или отрицательной клеммы батареи к катоду или положительной клемме.

Когда батарея используется, заряженные частицы в электролите перемещаются, чтобы уравновесить заряд электричества, вытекающего из батареи. Электролиты часто содержат легковоспламеняющиеся материалы. В случае утечки аккумулятор может перегреться и загореться или расплавиться.

Ученые разрабатывают твердые электролиты , которые сделают батареи более прочными. Частицам гораздо труднее перемещаться через твердые тела, чем через жидкости, но обнадеживающие результаты лабораторных исследований позволяют предположить, что эти батареи могут быть готовы к использованию в электромобилях в ближайшие годы, а их коммерциализация должна начаться уже в 2026 году.

В то время как твердотельные батареи хорошо подходят для бытовой электроники и электромобилей, для крупномасштабного хранения энергии ученые разрабатывают полностью жидкостные конструкции, называемые проточными батареями .

В этих устройствах и электролит, и электроды являются жидкостями. Это обеспечивает сверхбыструю зарядку и упрощает изготовление действительно больших аккумуляторов. В настоящее время эти системы очень дороги, но исследования продолжают снижать цену .

Сохранение солнечного света в виде тепла

Другие решения для хранения возобновляемой энергии в некоторых случаях стоят меньше, чем батареи. Например, концентрированные солнечные электростанции используют зеркала для концентрации солнечного света , который нагревает сотни или тысячи тонн соли до тех пор, пока она не тает. Затем эта расплавленная соль используется для привода электрогенератора, так же как уголь или ядерная энергия используются для нагрева пара и привода генератора на традиционных установках.

Эти нагретые материалы также можно хранить для выработки электроэнергии в пасмурную погоду или даже ночью. Такой подход позволяет концентрированной солнечной энергии работать круглосуточно.

Эта идея может быть адаптирована для использования с несолнечными технологиями производства электроэнергии. Например, электричество, произведенное с помощью энергии ветра, можно использовать для нагрева соли, чтобы использовать ее позже, когда нет ветра.

Проверка клапана расплавленной соли на предмет коррозии на испытательной петле для расплавленной соли Sandia. Предоставлено: Рэнди Монтойя, Sandia Labs / Flickr , CC BY-NC-ND.

Концентрация солнечной энергии по-прежнему относительно дорога. Чтобы конкурировать с другими формами производства и хранения энергии, она должена стать более эффективной. Один из способов добиться этого — повысить температуру, до которой нагревается соль, что позволит более эффективно производить электричество. К сожалению, используемые в настоящее время соли нестабильны при высоких температурах. Исследователи работают над разработкой новых солей или других материалов, которые могут выдерживать температуры до 1300 градусов по Фаренгейту (705 C).

Одна из ведущих идей о том, как достичь более высокой температуры, заключается в нагревании песка вместо соли, которая может выдерживать более высокую температуру. Затем песок будет перемещаться с помощью конвейерных лент от точки нагрева к хранилищу. Министерство энергетики недавно объявило о финансировании пилотной концентрированной солнечной электростанции на основе этой концепции.

Передовые возобновляемые виды топлива

Батареи полезны для кратковременного хранения энергии, а концентрированные солнечные электростанции могут помочь стабилизировать электрическую сеть. Однако коммунальным предприятиям также необходимо хранить много энергии в течение неопределенного времени. Это роль возобновляемых видов топлива, таких как водород и аммиак . Коммунальные предприятия будут накапливать энергию в этих видах топлива, производя их с избытком энергии , когда ветряные турбины и солнечные панели вырабатывают больше электроэнергии, чем нужно потребителям коммунальных услуг.

Водород и аммиак содержат больше энергии на килограмм, чем батареи, поэтому они работают там, где батареи этого не делают. Например, их можно использовать для перевозки тяжелых грузов и работы тяжелого оборудования , а также для ракетного топлива .

Сегодня это топливо в основном производится из природного газа или других невозобновляемых ископаемых видов топлива в результате крайне неэффективных реакций. Хотя мы думаем об этом как о зеленом топливе, сегодня большая часть водородного газа производится из природного газа.

Ученые ищут способы производства водорода и других видов топлива с использованием возобновляемой электроэнергии. Например, можно сделать водородное топливо, расщепляя молекулы воды с помощью электричества. Ключевой задачей является оптимизация процесса, чтобы сделать его эффективным и экономичным. Потенциальная выгода огромна: неиссякаемая, полностью возобновляемая энергия.

Читайте также: