Мировая индустрия хранения электроэнергии находится на пороге бума – в ближайшие два десятилетия глобальная установленная мощность накопителей может вырасти более чем в 120 раз: с нынешних 9 ГВт до 1095 ГВт. И это без учета гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), которые сейчас на 98 % выполняют функции накопителей в мировой энергосистеме.
 
Прогнозы рынка систем хранения энергии с каждым годом становятся оптимистичнее. Если компания Bloomberg New Energy Finance в 2018 году предсказывала рост установленной мощности накопителей с 9 ГВт (общей емкостью 17 ГВт*ч) до 942 ГВт к 2040 году, то в этом году повысила показатель до 1095 ГВт (2850 ГВт*ч). Таким образом, глобальная установленная мощность накопителей за двадцать лет обещает вырасти в 122 раза. При этом совокупный спрос на аккумуляторы достигнет 4584 ГВт*ч.

«Копилки» для энергии растут в объеме, но не в цене
Эксперты выделяют несколько причин быстрого развития рынка систем хранения. Одна из них – рост возобновляемой энергетики, которая к 2040 году сможет обеспечивать 35‑50 % мирового производства электроэнергии и 19‑25 % всего энергопотребления. Интеграция ВИЭ в энергосистемы станет одним из основных стимулов развития технологии накопителей, способных решать главную проблему зеленой энергетики – неравномерность выработки электроэнергии.
 
Вторая причина – удешевление хранения электроэнергии. Снижение стоимости в той или иной степени касается всех видов накопителей, как следует из недавно опубликованного «Прогноза развития энергетики мира и России-2019», совместного проекта Института энергетических исследований РАН и Центра энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. Так, с 2010 года самые популярные батареи – литий-ионные – уже подешевели более чем в 4 раза, ванадиевые проточные батареи – более чем втрое за этот же период.
 
Еще один стимул в развитии рынка аккумуляторов связан с электротранспортом, продажи которого в 2018 году достигли примерно 1,3 млн единиц (без учета гибридных моделей). По самым оптимистичным прогнозам, к 2025 году продажи могут возрасти до 25 млн – с помощью электричества сможет передвигаться каждый пятый новый автомобиль. К 2030 году 31 % продаж новых автомобилей и 20 % мирового автопарка могут стать электрическими.
 
В BloombergNEF полагают, что на мировом рынке накопителей будут доминировать США и Китай, что закономерно – в Соединенных Штатах еще в 2010 году запустили программу California Energy Storage Mandate, согласно которой в стране к 2020 году запланировано построить 1325 МВт мощностей хранения. Китай же остается самым крупным производителем электрокаров – на Поднебесную приходится 60 % продаж транспорта на электротяге и почти полная монополия на литиевые аккумуляторы. За лидерами следуют Германия и Индия. Мировой объем инвестиций в сектор за рассматриваемый период эксперты оценивают в $ 662 млрд, причем преимущественное развитие получат крупные промышленные накопители энергии, установленные в системе, а не у потребителей, считает BloombergNEF. Подтверждением этого тренда служат проекты по строительству мощных централизованных систем хранения энергии.
 
Россия подключилась к индустрии хранения энергии позже лидеров, но у нее есть шанс в сравнительно короткий срок ликвидировать отставание и реализовать потенциал рынка накопительных систем. В поддержку отрасли в августе 2017 года была принята «Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в РФ», подготовленная Минэнерго России. В документе предусмотрены три наиболее перспективных для России направления развития рынка. Это «Интернет энергии» – использование систем хранения электроэнергии в составе распределенной энергетики; «Новая Генеральная схема» – использование систем хранения электроэнергии в составе крупной централизованной энергетики и «Экспорт водорода» – аккумулирование электроэнергии в водородном цикле. По прогнозам авторов концепции, объем российского рынка систем хранения электроэнергии с 2025 г. может составить $ 8 млрд, а общий экономический эффект за вычетом инвестиций – около $ 10 млрд ежегодно.
 
Одним из пилотных проектов в рамках концепции стал накопитель большой мощности, разработанный специалистами компании «Системы накопления энергии» и учеными Новосибирского государственного технического университета. Такие накопители выпускают немногие компании в мире. Пока российскими разработчиками созданы два накопителя: СНЭ-1 мощностью 100‑500 кВт и СНЭ-2 мощностью 2‑32 МВт. Одного 2‑мегаваттного накопителя хватит, чтобы в течение часа обеспечивать электричеством населенный пункт среднего размера, а устройства в 32 МВт – небольшой город.

Больше, чем накопители
Эксперты McKinsey Global Institute назвали хранение электроэнергии одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику.
Не исключено, что системы хранения энергии в перспективе станут реальной альтернативой генерирующим активам любого типа и позволят расширить зоны распределенной генерации, когда источник и хранилище энергии будут разделены сотнями километров. Так, в 2020 году планируется реализовать масштабный проект, объединяющий ветропарки Северной Германии и ГАЭС в Норвегии. Производителей электроэнергии и ее хранителей соединит подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 км и мощностью 1400 МВт. Особая роль в распределительных системах отводится электромобилям, которые могут отдавать энергию в сеть, а при необходимости (в случае аварий и чрезвычайных ситуаций) служить резервными источниками энергии.
 
Для сетевых компаний и промышленных предприятий накопители – это, прежде всего, возможность улучшить качество работы энергосистемы, так как они могут стабилизировать напряжение и частоту, сглаживать пиковые нагрузки, служить аварийными генераторами и т. д.
 
Характеристики технологий хранения энергии
характеристики.jpg 
 Бизнес-модели внедрения накопителей предусматривают также более стабильное ценообразование на рынке электроэнергии за счет управления спросом со стороны потребителей. Имея возможность приобретать электроэнергию впрок, потребитель в течение суток может запасаться ею в то время, когда она дешева, и за счет накопленной энергии снижать сетевое потребление в пиковые, наиболее дорогие часы для покупки энергии. Как отмечают специалисты, после появления системы хранения Tesla мощностью 100 МВт в Джеймстауне (Австралия) тарифы на электроэнергию упали на 75 %.

Где хранится энергия
 
Среди накопителей нет ни одной приоритетной технологии – для различных сфер применения и задач подходят разные решения, считают авторы «Прогноза-2019». Для регулирования частоты в энергосистеме по своим характеристикам хорошо подходят супермаховики и суперконденсаторы, для сглаживания внутрисуточных колебаний – литий-ионные накопители, для хранения относительно большого количества энергии (если время разряда исчисляется несколькими часами) – проточные накопители энергии.

ГАЭС, на которые приходится 98 % мирового хранения энергии (более 160 ГВт), способны обеспечить национальные энергосистемы мега- и гигаваттами маневренной мощности, однако для их строительства требуется природный рельеф с большим перепадом высот, а по своим масштабам и затратам на проектирование, возведение и эксплуатацию они сопоставимы с гидроэлектростанциями.

Занимающие треть оставшейся доли электрохимические технологии, прежде всего литий-ионные батареи, имеют ограниченное количество циклов заряда и разряда и, как следствие – ограниченный срок службы. Но высокая плотность энергии и компактность батарей дает возможность использовать их в любых мобильных устройствах – от электропоездов до скутеров.

В мире разработаны проекты эффективных накопительных станций, где сочетаются несколько технологий. Так, совместное предприятие Mitsubishi и Hitachi планирует построить в штате Юта хранилище на 1 ГВт. В одной системе будут объединены несколько видов аккумуляторов, в том числе водородные, на сжатом воздухе, твердооксидные топливные элементы и проточные батареи. Частью проекта станет турбина, перерабатывающая смесь природного газа и водорода с пониженной эмиссией двуокиси углерода. Со временем ее модернизируют таким образом, чтобы она смогла работать с чистым водородом. Еще одна составляющая проекта – хранение энергии в сжатом воздухе в соляных пещерах, чтобы запасать энергию в периоды низких цен.

По данным компании, такую систему можно комбинировать с ветровыми и солнечными станциями: когда энергии вырабатывается много, излишки можно использовать для запуска систем гидролиза и получения водорода, или для сжатия воздуха, или для зарядки других типов батарей. Системы хватило бы на то, чтобы обеспечивать потребности 150 тысяч домохозяйств в течение одного года.

Остается добавить, что в 2018 году по темпам внедрения систем хранения энергии гидроаккумулирующие мощности уже уступили свои позиции: 2 ГВт ГАЭС против 3 ГВт других накопительных технологий.
 
 Самые необычные накопители электроэнергии 
вулканич_аккум.jpg Вулканический аккумулятор (Гамбург, Германия)
 
 Проект Siemens Gamesa, названный ETES (electric thermal energy storage), создан на месте выведенной из эксплуатации традиционной электростанции. Установка преобразует электричество в горячий воздух с помощью резистивного нагревателя, чтобы нагреть до 750°C примерно 1000 тонн вулканической породы. Накопленная тепловая энергия преобразуется обратно в электричество с помощью паровой турбины.

Благодаря эффективной изоляции тепло может храниться в течение недели или дольше, производя до 130 МВт*ч энергии в течение недели.
аккум_станц.jpg Аккумулирующая электростанция,
но без воды (Новосибирск, Россия)
 
Еще один пример использования гравитации – проект «Энергозапас» в наноцентре «Сигма» (Новосибирск). Принцип работы такого накопителя похож на лифт: двигатель потребляет электроэнергию из сети и с помощью каната поднимает груз. В нужный момент груз или его часть начинают спуск, вращая вал генератора. Пока построен прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) мощностью 10 кВт размером с пятиэтажный дом. Внутри здания вдоль стен расположены две ячейки ТАЭС шириной около 2 м и длиной около 12 м. Чтобы иметь возможность накапливать 10 ГВт энергии, понадобится устройство высотой с Эйфелеву башню.  
Дубай.jpg 
Соль на солнцепеке
(Дубай, Объединенные Арабские Эмираты)
 
В солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума установлены сотни сконценирированных на солнце зеркал. Они собирают тепло солнечного света и нагревают соль внутри резервуара до расплавленного состояния с температурой свыше 5000 оС. Полученный в результате пар либо перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплава, чтобы вечером снабжать дома теплом. Созданы другие варианты этой технологии для хранения излишков выработанной ВИЭ энергии: использование расплавов солей в сочетании с антифризом и применение жидкого металла вместо соли.
Калиф.jpg 
 Вагончик тронется, и свет включается (Калифорния, США)
 
В местечке Техачапи рядом с ветропарком по склону холма проложена узкоколейная железная дорога. По ней перемещается накопитель, запасающий энергию при помощи гравитации. Когда ветер дует, вагончик весом 5670 кг, приводимый в движение электромотором, едет в гору, накапливая энергию, а когда стихает – скатывается вниз. В этот момент его двигатель работает как генератор, подавая энергию в сеть.

Главное достоинство проекта – более низкая стоимость жизненного цикла по сравнению с батареями. Эффективность системы достигает 86 %.
 
бактерии.jpg 
 Бактерии тоже в деле (США, Германия, Венгрия)
 
 Эта технология получения биометана из газа с помощью бактерий была разработана в Университете Чикаго и реализована на практике немецкой компанией Electrochaea . Установка биологического метанирования мощностью 10 МВт построена в Венгрии, здесь впервые применен модифицированный в лаборатории штамм метаногенной бактерии Archaea.

Поступающее от солнечной или ветряной станции избыточное электричество превращает воду в водород и кислород. Водород смешивают с углекислым газом в биореакторе, где микроорганизмы поглощают газ при температуре около 500 оС, выделяя метан. 
аккум.jpg 
Храните энергию в холоде (Великобритания)
 
 Концепция использования жидкого воздуха в качестве накопителя энергии была известна еще в 1970‑х годах. Избыток электроэнергии, получаемой от ВИЭ, используется, чтобы охладить воздух до состояния жидкости и хранить ее при температуре –196°C. При потребности в электроэнергии жидкость превращается в газ, быстро расширяясь с 700‑кратным увеличением объема и приводя в движение турбину генератора.

По емкости система CRYOBattery сопоставима с электростанцией на ископаемом топливе и может хранить несколько гигаватт-часов электроэнергии в течение недель. 
 
Татьяна Рейтер

Похожие новости

  • 10/04/2019

    Академик Сергей Алексеенко: Инновационное развитие требует объединения усилий науки, образования, бизнеса и власти

     В последние десять лет развитию вузов уделяется повышенное внимание, возможно, в связи с попыткой переноса науки в сферу образования. Реализуется целый ряд вузовских программ и проектов, в которых неотъемлемой частью являются научные исследования.
    458
  • 24/09/2018

    Андрей Травников оценил вклад СГУГиТ в развитие цифровой экономики

    ​Новые технологические решения для проекта "Академгородок 2.0", использование цифровых платформ и BIM-технологий в развитии инфраструктуры Новосибирского научного центра, развитие цифровой экономики Новосибирской области, а также создание и функционирование многоуровневой системы подготовки инженеров обсудил Губернатор Андрей Травников во время совещания в Сибирском государственном университете геосистем и технологий.
    754
  • 31/10/2016

    В НГУ проходит российско-японская конференция по перспективным наноматериалам

    ​Новосибирский государственный университет совместно с Институтом химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и Университетом Тохоку проводит с 30 октября по 2 ноября 2016 года российско-японскую конференцию «Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructures», посвящённую перспективным материалам и наноструктурам.
    3439
  • 16/10/2019

    Академический час на Фестивале науки - 2019, лекция «Разработка новых лекарств: там, где химия, биология, медицина и инженерия объединяются»

    ​Сегодня в НГУ проходит лекция профессора Университета Алабамы Майкла Боумена «Разработка новых лекарств: там, где химия, биология, медицина и инженерия объединяются». Часть 1 и 2. Аннотация: «Необходимо разрабатывать новые лекарства двух видов: для лечения новых болезней и для преодоления устойчивости старых болезней к лекарствам, которые мы уже используем.
    217
  • 20/03/2019

    «Академический час для школьников» — лекция «К 150-летию со дня рождения: Сергей Алексеевич Чаплыгин — выдающийся ученый-механик»

    20 марта в 15:00 в малом зале Дома ученых СО РАН состоится лекция научного руководителя СибНИА доктора технических наук Алексея Николаевича Серьезнова «К 150-летию со дня рождения: Сергей Алексеевич Чаплыгин — выдающийся ученый-механик».
    480
  • 22/03/2018

    В НГТУ прошла стратегическая сессия «Аддитивные технологии. Концепция развития 3D-образования в Новосибирской области»

    ​21 марта на базе Новосибирского государственного технического университета состоялась стратегическая сессия «Аддитивные технологии. Концепция развития 3D-образования в Новосибирской области». В ее работе приняли участие помощник губернатора Новосибирской области по вопросам образования, науки и инноваций, представитель департамента промышленности Новосибирска, руководители и ведущие специалисты промышленных предприятий, учреждений среднего профессионального образования (Новосибирского промышленно-энергетического колледжа, Новосибирского технического колледжа им.
    937
  • 15/03/2019

    Единственный в РФ 3D-принтер, меняющий свойства металлов, разработают до конца 2019 года

    ​Устройство предназначено для изготовления крупногабаритных деталей для авиакосмической отрасли.  Разрабатываемый несколькими российскими университетами, в частности учеными из Москвы, Томска и Новосибирска, 3D-принтер по металлу, способный менять свойства металлов в процессе работы, будет завершен до конца 2019 года.
    478
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    2374
  • 17/10/2019

    НГУ – 60 лет: все только начинается

    ​Новосибирскому государственному университету исполнилось 60 лет. Новосибирский государственный университет ориентирован на подготовку кадров для науки, образования и высокотехнологических отраслей промышленности, новейших междисциплинарных направлений науки.
    289
  • 28/05/2019

    «Академический час для студентов»: лекция «Оптико-электронные измерительные и лазерные технологии для научного и промышленного применений»

    ​​ 29 мая в 14:10 в Сибирском государственном университете путей сообщения (ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224) состоится лекция доктора технических наук Юрия Васильевича Чугуя «Оптико-электронные измерительные и лазерные технологии для научного и промышленного применений» (КТИ НП СО РАН).
    555