Какие решения для накопления электроэнергии чаще всего используют в мире, и что из этого может быть актуально для Украины?
Николай Колесник, заместитель министра энергетики Украины:
Практика производства “зеленой” энергии в Украине и мире вместе с преимуществами выявила и ряд проблем, которые сейчас очевидны. Одна из них – это неравномерное производство электроэнергии по ветру и солнцу не только в течение года, но и в течение суток.
Сбалансировать эту неравномерность можно с помощью маневровых мощностей, однако, это не всегда оптимальное решение. Поэтому самым актуальным для сектора ВИЭ является вопрос хранения “чистой” электроэнергии.
Собственно от его решения зависят успешность и темпы “зеленого перехода”. Итак, сегодня – о технологиях хранения электроэнергии.
Развертывание систем накопления энергии в Европе
В марте 2023 г. Еврокомиссия приняла перечень рекомендаций, способствующих более широкому развертыванию систем накопителей энергии. В основу их разработки легли Европейское зеленое соглашение и пакет законодательных инициатив Fit for 55.
Это два стратегических документа, целью которых является достижение целей климатической нейтральности. Кроме этого, большое влияние на принятие указанных рекомендаций оказало полномасштабное вторжение России в Украину, а также план REPowerEU. Конечно, все это происходит на фоне общей политики ЕС по поводу прекращения зависимости от российских энергоносителей.
В рекомендациях учтен прогноз, что доля возобновляемой энергии достигнет 69% к 2030 г. и 80% к 2050 г. (с 37% в 2021 г.). Стремительный рост потребует более гибкой энергосистемы.
По оценкам Еврокомиссии, гибкость сети достигнет 24% (288 ТВт-ч) общего спроса на электроэнергию в ЕС в 2030 г. и 30% (2189 ТВт-ч) до 2050 г. во всех временных масштабах (с 11% в 2021-м).
Мировой рынок систем накопления энергии будет расти
В начале января 2023 г. Bloomberg New Energy Finance спрогнозировал рост мирового рынка систем хранения энергии в 2 раза. Глобальный рынок хранения энергии будет продолжать расти, добавив примерно 28 ГВт/69 ГВт-ч накопителей энергии к концу 2023 г. Ожидается, что затраты на хранение электроэнергии останутся высокими в 2023 г., а в следующем снизятся.
В агентстве прогнозируют, что, несмотря на появление и развитие новейших технологий длительного хранения электроэнергии, в этом году инвесторы сделают ставку на насосные гидроаккумуляторы.
Они предполагают, что это может привести к большему объему инвестиций в насосные гидрогенераторы, чем в другие долгосрочные технологии хранения энергии.
Технологии хранения энергии
Их классифицируют собственно по самому принципу хранения. Пять категорий отражают пять принципов: химический, механический, электрический, термальный, электрохимический. Технологии в каждой категории не исчерпывающий перечень, ведь они быстро появляются, меняются, развиваются.
Гидроаккумулирующие электростанции
Во времена низкого спроса на электроэнергию ГАЭС закачивает воду в верхний водоем. В часы пиковых нагрузок ГАЭС работает в турбинном режиме – вода из верхнего водоема сбрасывается в нижнюю через агрегаты, а полученная электроэнергия подается в энергосистему.
На ГАЭС согласно последнему отчету International Hydropower Association приходилось около 90% накопительных мощностей и энергии, хранящейся в энергосистемах всего мира. По состоянию на 2022 год объем накопителей на ГАЭС составил более 9000 ГВт·ч. Более 50% установленных мощностей в мире сосредоточены в США, Японии и Китае.
По прогнозам Международного энергетического агентства (ИЭА) доля ГАЭС в чистом приросте гидроэнергетики составит 30% к 2030 г.
Такие выводы в агентстве делают на основе растущей потребности энергорынков в гибкости системы и накопителях для облегчения интеграции нестабильной возобновляемой энергии.
В ИЭА отмечают, что ГАЭС будет оставаться ключевым источником мощностей для хранения электроэнергии. Там ожидается, что к 2030 году глобальная мощность ГАЭС за счет новых проектов будет расти.
Аккумуляторные системы хранения энергии
Проекты строительства ГАЭС очень капиталоемки, их реализация иногда длится десятилетиями (в зависимости от мощностей), а инвестиции считаются достаточно рискованными. Альтернатива – аккумуляторные системы хранения энергии (battery energy storage systems, BESS).
Мировой рынок BESS стремительно растет. Об этом свидетельствуют исследования McKinsey & Company, опубликованные в августе 2023 г. По оценкам экспертов, в 2022 г. в BESS было инвестировано более $5 млрд. – это почти втрое больше, чем в 2021 г. Они прогнозируют, что к 2030 году глобальный рынок BESS составит $120-150 млрд.
Развертывание мощностей BESS уже происходит, причем в очень больших масштабах. Подтверждение тому – результаты, которых достигла компания Tesla в 2022 г. По итогам года ее мощности BESS выросли на 64% по сравнению с предыдущим годом и достигли 6,5 ГВт-час.
В прошлом году, согласно исследованиям LCP Delta и Aurora Energy Research, Европа достигла 4,5 ГВт емкости накопителей, в 2030 г. вырастет до 42 ГВт, а к 2050 г. достигнет 95 ГВт.
Специалисты McKinsey&Company убеждены, что в долгосрочной перспективе развертывание BESS будет происходить благодаря строительству солнечных парков и ветровых электростанций, которым понадобятся батареи для кратковременного хранения.
Что касается технологии BESS, то сейчас наиболее распространены хранения с помощью литий-ионных батарей.
Среди преимуществ литий-ионных батарей – большая емкость, длительный срок службы, низкий уровень саморазряда, быстрое время зарядки и доступность. Однако есть и недостатки. Во-первых, это растущий дефицит критических минералов (лития и кобальта) и высокие цены на них. Поэтому большинство стран внедряют отдельную политику в отношении критических минералов. Во вторых – экологические проблемы, связанные с добычей и утилизацией.
Это заставляет искать альтернативные решения, такие как твердотельные батареи (solid state battery) и натрий-ионные батареи.
Во-первых, используют твердый электролит (полимер, керамика, стекло) вместо жидкого, что значительно повышает плотность энергии. Именно этого требует “зеленая” энергетика. Кроме этого они быстрее заряжаются и имеют лучшие характеристики безопасности. Их также легче перерабатывать, что уменьшает их углеродный след, это очень важный фактор.
Пока технология твердотельных батарей дороже технологии литий-ионных батарей. Пока она воспринимается как технология будущего, но “прототипы” ее уже есть – например, элементы питания в кардиостимуляторах. Ученые уверены, что твердотельные батареи со временем станут таким же явлением, как сегодня литий-ионные.
Они могут питать все – от гаджета до электромобиля, а с развитием технологий стать одним из сетевых решений накопления энергии. По информации Bloomberg Finance, такие производители аккумуляторов, как LG Energy Solution, CATL, а также такие стартапы, как Solid Power, Prologium и Quantumscape, уже обнародовали четкие планы коммерциализации твердотельных аккумуляторов в течение этого десятилетия.
Натрий-ионные батареи работают так же, как и литий-ионные, и даже структура в них одинакова – два электрода, разделенных электролитом. Единственное отличие – вместо лития в них используется натрий. К преимуществам таких батарей можно отнести более низкую себестоимость (натрий дешевле лития), высокую скорость зарядки, более высокую экологичность, если сравнить с литий-ионными.
Что касается недостатков, то это низкая плотность энергии – менее 160 Втч/кг, в то время как у литиевых она значительно выше (в Китае недавно изготовили литий-ионные аккумуляторы, которые перезаряжаются с энергетической плотностью свыше 700 Втч/кг). Кроме того, натрий-ионные батареи имеют больший вес и размеры (из-за того, что ионы натрия больше ионов лития и, соответственно, требуются большие электролиты и электроды).
Впрочем, эти недостатки не останавливают разработчиков. В июне китайский производитель электрокаров BYD объявил о совместном с Huaihai Holding Group производстве ионно-натриевых аккумуляторов для электромобилей. Китайцы убеждены, что расширение производства натрий-ионных аккумуляторов будет расти параллельно спросу на аккумуляторы для мини-автомобилей в Китае и, наконец, во всем мире.
Следовательно, можно спрогнозировать, что в течение нескольких последующих лет усовершенствуются существующие и новые технологии аккумуляторных элементов. Можно ли их масштабировать и интегрировать в сетевые системы хранения энергии, зависит от цен на используемое в их производстве сырье, их преимуществ перед существующими технологиями и сроков – насколько быстро их можно будет вывести на рынок. Учитывая экологические требования, важным параметром остается возможность их переработки и утилизации.
Водород
Уже сегодня водород представляет собой очень перспективное решение для будущих систем хранения энергии. Суть технологии состоит в том, что избыточная электроэнергия из возобновляемых источников, производимая в период непиковой нагрузки на сеть с помощью электролизеров (щелочных или водных) превращается в водород.
В этот момент он становится “зеленым”, ведь произведен из ВИЭ, и превращается в безуглеродный (это важно, в связи с климатическими целями) источник энергии, которую можно использовать для производства электроэнергии, когда спрос на нее велик – в часы пиковых нагрузок, благодаря чему сбалансировать сеть.
В отчете Hydrogen Council (глобальная инициатива руководителей ведущих энергетических, транспортных, промышленных и инвестиционных компаний с единым и долгосрочным видением развития водородной экономики), разработанном с участием McKinsey, представлено комплексное видение потенциала водорода и дорожную карту для масштабирования его роли в будущих энергосистемах.
Эксперты убеждены, что водород играет огромную роль в декарбонизации промышленности, транспорта и станет надежным хранилищем для хранения “зеленой” энергии.
Hydrogen Council убеждены, что водород может составлять 18% от общей конечной энергии, что будет потребляться к 2050 году и это позволило бы сократить ежегодные выбросы CO 2 примерно на 6 ГВт.
Кроме того, глобальный рынок водорода оценивается в 2,5 трлн. долларов США, а для 30 млн. человек были бы созданы рабочие места.
Десятки стран уже разработали свои водородные стратегии, а компании-лидеры на мировом энергетическом рынке учитывают водород в своих планах развития.
Планы правительств в этом направлении очень масштабны. В частности, в июне 2019 года в США законодательно были приняты налоговые стимулы для хранения энергии и закон о развертывании. Согласно закону, все технологии хранения энергии, включая хранение водорода, имеют право на налоговые льготы.
Летом 2022 г. Министерство энергетики США выдало кредитную гарантию на сумму $504,4 млн. для финансирования проекта Advanced Clean Energy Storage – хранилища чистого водорода и энергии, способного обеспечивать долгосрочное сезонное хранение энергии.
После реализации проекта можно будет преобразовывать 220 МВт возобновляемой энергии в 100 метрических тонн зеленого водорода в день, а храниться он будет в двух соляных пещерах. Этот водород будет использоваться для работы турбин электростанции мощностью 840 МВт.
В свою очередь, Европейская комиссия предложила полноценную законодательную базу для производства, потребления, развития инфраструктуры и рыночных правил для будущего рынка водорода.
В декабре 2022 года была достигнута политическая договоренность о пересмотре Директивы EU ETS, устанавливая бесплатные квоты для электролизеров, производящих водород. Год назад, 14 сентября президент Еврокомиссии Урсула фон дер Ляен объявила о создании Европейского банка водорода.
Цель – привлечение инвестиций, чтобы увязать будущее предложение возобновляемого водорода с целевым спросом в 20 млн. тонн возобновляемого водорода. В Еврокомиссии убеждены, что Банк водорода будет способствовать как производству возобновляемого водорода в ЕС, так и его импорту, и таким образом приблизит цели RepowerEU и климатическую нейтральность.
Кстати, 30 января были опубликованы условия первого аукциона для водородного банка и объявлена дата пилотного мероприятия. Торги состоятся 23 ноября, тогда водородный банк должен обеспечить финансирование проектов на общую сумму 800 млн. евро.
Итак, стимулов много. Европа объявила о своих амбициях и, судя по всему, стремится захватить лидерство в этом направлении.
Без сомнения, водород будет играть важную роль в будущей области хранения электроэнергии.
Энергохранилища на базе сжатого воздуха
Принцип работы таких хранилищ (compressed air energy storage – CAES) схож с работой ГАЭС, но вместо воды задействован воздух. В часы низкого спроса сжатый воздух закачивается в резервуар, а в часы нагрузок выпускается из него и приводит в работу турбину, производящую электроэнергию.
Обычно резервуаром для сжатого воздуха служат шахты или пещеры, созданные внутри соляных пород (каверны). Почва вокруг них должна быть максимально плотной и герметичной, чтобы предотвратить потерю энергии из-за утечки.
Первый в мире объект CAES появился в Хунторфе, Германия, в 1978 г. Это энергохранилище мощностью 290 МВт функционирует и сейчас в основном для выравнивания переменной мощности генераторов ветровых турбин.
Интересно, что энергохранилище на базе сжатого воздуха пытались построить на Донбассе еще в советское время, но развал союза не позволил этим планам осуществиться.
На сегодняшний день росту рынка CAES мешает высокая стоимость оборудования для хранения энергии сжатого воздуха. Их применение ограничивает достаточно высокая скорость саморазряда и высокая стоимость установки подземных промежуточных охладителей для рассеивания тепла.
Еще одним ограничением является географический фактор, ведь не на всех территориях есть соляные пещеры – наиболее надежные подземные хранилища для сжатого воздуха в больших масштабах. По данным ученых, такой потенциал обладают Южная Африка, Канада, США.
Впрочем, проекты CAES все же реализуются: в Калифорнии (США) к 2026 году построят два энергохранилища мощностью 1600 МВт, а в Израиле возводят 166 МВт-ч накопительных мощностей для пяти солнечных ферм.
Термальные накопители энергии
TES (thermal energy storage) – одна из приобретающих популярность инновационных технологий хранения электроэнергии. Технология основана на фокусировке солнечной энергии с большой площади на приемнике с помощью концентраторов, таких как зеркала или линзы.
Свет превращается в накапливаемое тепло, а в часы пиковых нагрузок приводит в действие генераторы пара, и производится электроэнергия.
Приемник – это фактически хранилище. Оно может быть наполнено разными материалами – от воды до камней и даже вулканических пород, очень хорошо накапливающих тепло.
Остановлюсь на расплавной соли (molten salt). В хранилищах таких солей тепловая энергия сохраняется путем нагревания и охлаждения безводного расплава жидкой соли, а сами хранилища обычно состоят из двух резервуаров: один из них с высокой температурой, а другой с низкой и одного, или нескольких теплообменников.
При поглощении тепла соль перемещается из холодного резервуара, нагревается с помощью теплообменника или электроэнергии и подается в горячий резервуар. При отборе тепла соль перемещается из горячего бака, охлаждается теплообменником и подается в холодный резервуар. Образуется перегретый пар, который затем подается в турбину для выработки электроэнергии. В зависимости от вида соли, рабочие температуры могут колебаться в пределах 170-560 °C.
Такая технология может быть использована как для производства электроэнергии, так и для отопления или даже охлаждения.
Концентрированная солнечная энергия (concentrated solar power-CSP) является перспективной технологией. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что к 2050 году 11% электроэнергии будет производиться с CSP.
По данным Precedence Research, в 2021 г. размер мирового рынка накопителей тепловой энергии оценивался в $23,7 млрд., а к 2030 г. ожидается, что он составит примерно $53,4 млрд. с ежегодным ростом на 9,45%. Согласно тому же исследованию, установлена мощность CSP в Европе до 4 ГВт к 2030 году. Эксперты обращают внимание на усилия европейских стран по достижению целевых показателей сокращения выбросов углерода, росту производства “зеленой” энергии, и это, по их мнению, будет способствовать развитию CSP с системами хранения.
Критические минералы – движущая сила чистой энергии
Мир на пути к устойчивому чистому энергетическому будущему. Поэтому важность критических минералов, как материалов для производства систем хранения энергии, как и мощностей ВИЭ, будет только расти.
Литий, кобальт, графит, марганец… Эти и другие критические минералы станут движущей силой глобального перехода к чистой энергии и их значение в энергетической революции очень трудно переоценить.
Мировой спрос на критические минералы продолжает расти и обеспечение надежных поставок стало глобальным приоритетом для многих стран. Они признают их значение для стимулирования энергоперехода, экономического роста и технологического прогресса.
Поэтому глобальные тренды в этом секторе таковы:
- Внедрение отдельных политик в отношении критических минералов;
- Диверсификация цепей поставок;
- Устойчивые практики и новые технологии добычи;
- Обработка и циркулярная экономика.
Критические минералы сегодня – это возможности для инноваций завтра, устойчивое, безопасное и чистое завтра.
Украина
15 февраля 2022 года Верховная Рада приняла законопроект “О внесении изменений в некоторые законы Украины о развитии систем накопления энергии”. Он стал базовым для дальнейшего движения и создал законодательную основу для развития технологий “energy storage facilities” в нашей стране.
В частности он внедряет новые термины, такие как система накопления энергии, оператор системы накопления энергии и полностью интегрированные элементы сети. Кроме того, он предполагает появление операторов установок накопления энергии. Это совершенно новый для Украины участник рынка электроэнергии, в законе четко прописаны его права и обязанности, а деятельность подлежит лицензированию.
Полномасштабное вторжение создало новые вызовы и затормозило процесс развития систем скопления, хотя сейчас они очень актуальны. Правда, первые “ласточки” все же появились.
В июне 2023 года НКРЭКУ выдала винницкой компании первую лицензию на право осуществления хозяйственной деятельности по хранению энергии. Установка для хранения энергии мощностью 1 МВт разработана и изготовлена в Украине, а ее роль – балансировка напряжения в сети.
И хотя на фоне передовых систем, уже работающих в мире, такая мощность невелика, однако главное, что мы сделали первый, возможно наиболее трудный шаг на пути внедрения новых систем хранения электроэнергии.
Оптимизму прибавляют другие проекты. В частности, планы ЧАО “Укргидроэнерго” уже в следующем году приступить к реализации проекта по строительству “energy storage” и солнечных электростанций на украинских ГЭС. До конца этого года должна быть завершена разработка технико-экономического обоснования и проектное решение.
Проект предусматривает установку систем накопления электроэнергии объемом 212 МВт и солнечных станций мощностью 63,9 МВт в качестве дополнительного источника обеспечения потребностей ГЭС и зарядки систем накопления.
Уже сегодня система накопления является неотъемлемым элементом стратегии развития “зеленой” энергетики. Очевидно, что они являются фактором, от которого зависит успешность энергетического перехода, и их роль в будущих энергосистемах будет только расти. (Epravda.com.ua/Энергетика Украины и мира)
