З моменту відкриття електрики люди шукали ефективні методи зберігання енергії для подальшого використання у разі потреби. За останнє сторіччя галузь накопичення енергії продовжувала розвиватися й адаптуватися до мінливих потреб в енергопостачанні. Підприємства та приватні споживачі також проявляли зацікавленість у можливості зберігання електроенергії для усунення перевантажень і згладжування коливань потужності, що відбуваються незалежно від виробництва відновлюваної енергії. Зараз у всьому світі спостерігається швидке збільшення генерувальних потужностей, що і привело до розвитку технологій накопичення енергії для виробництва електроенергії у великих масштабах. Існує багато способів зберігання енергії, проте дуже важливо визначити, які технології найкраще підходять для задоволення поточних і майбутніх потреб. Давайте більш детально розглянемо промислові та побутові системи акумулювання енергії (ESS).
Основні технології ESS
Світова енергетична система робить впевнені кроки на шляху до декарбонізації: в неї додається все більше відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), знижуються витрати на зберігання. Дослідження показують, що більш швидке, ніж очікувалося, зниження вартості накопичення енергії та використання перемінних джерел енергії може збільшити потребу в ESS до понад 400 ГВт·год вже до 2030 року.
Системи зберігання енергії надають широкий спектр технологічних підходів до управління нашим енергопостачанням. Розглянемо лише основні категорії.
- Твердотільні акумулятори – ряд електрохімічних накопичувачів, у тому числі сучасні хімічні акумулятори та конденсатори (мал. 1).
Рис 1. Твердотільні акумулятори. Джерело: онлайн-видання Energy storage networks, An overview of 6 energy storage methods, Feb’18.
- Проточні акумулятори – акумулятори, в яких енергія накопичується безпосередньо в розчині електроліту для збільшення терміну служби і миттєвого спрацювання (мал. 2).
Рис. 2. Принцип роботи проточного акумулятора. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
- Маховики – механічні пристрої, що використовують енергію обертання для миттєвої подачі електричного струму (мал. 3). Компанія Temporal Power заявляє про створення супермаховиків з вихідною потужністю 500 кВт на кожен.
Мал. 3. Приклад принципу роботи маховика компанії АВВ. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
- Система зберігання енергії на основі стисненого повітря (мал. 4). За допомогою даного способу можна створювати потужний запас енергії. Канадська компанія Hydrostor в партнерстві з AECOM очолює впровадження цієї технології як на морі, так і на суші.
Мал. 4. Зберігання енергії за рахунок стисненого повітря. Джерело: the website of the Pacific Northwest National Laboratory, Compressed Air Energy Storage, Apr’17..
- Сховище теплової енергії – акумулювання тепла і холоду для створення енергії на вимогу та її виділення в зручний для споживачів час. Основним еталонним об’єктом в області таких сонячних електростанцій є Crescent Dunes Solar Reserve в Неваді (США), потужність якої становить 110 МВт (фото 1).
Фото 1. Електростанція Crescent Dunes Solar Reserve, Невада, США. Джерело: онлайн-видання Power Electronics, 6 Promising Energy Storage Options to Tie into the Grid, Feb’18.
- Насосна гідроакумулювальна електростанція – створення та зберігання енергії з використанням двох резервуарів із водою, розташованих на різних висотах (мал. 5). Відомий приклад даної технології – La Muela від Iberdrola, найбільший гідрокомплекс в Іспанії та Європі.
Мал. 5. Принцип роботи насосної гідроелектростанції. Джерело: Wikipedia, Pumped-storage hydroelectricity.
- Гравітаційні накопичувачі енергії – пристрої, які генерують електрику, випускаючи у разі потреби важкий вантаж із певної висоти. Ares – провідна компанія в цій галузі, яка стверджує, що дана технологія коштує на 40% дешевше, ніж гідроакумулювальна електростанція, і є більш ефективною (мал. 6).
Мал. 6. Порівняння технологій накопичення енергії. Джерело: онлайн-видання Magnus, Energy Storage: Present or Future, Apr’17.
До слова, літій-іонні акумулятори – найпопулярніші елементи, які використовують у сучасних накопичувачах енергії як в побуті, так і в промислових масштабах.
Стиснуте повітря Зберігання енергії стисненим повітрям (CAES) також працює як технологія зберігання покоління, використовуючи пружну потенціальну енергію стисненого повітря для підвищення ефективності звичайних газових турбін. Системи CAES стискають повітря за допомогою електроенергії в неробочий час, а потім зберігають повітря в підземних печерах. У періоди пікових потреб повітря відбирається зі сховища і випалюється природним газом у турбіні згоряння для виробництва електроенергії [9]. Цей метод використовує лише третину природного газу, що використовується у традиційних методах [10]. Оскільки рослинам CAES потрібна якась підземна ємність, вони обмежені своїм розташуванням. Наразі два комерційні підприємства CAES працюють у Хунторфі (Німеччина) та Макінтоші (Алабама), хоча заводи були запропоновані в інших частинах США.
Водень Водень можна використовувати як паливо з нульовим вмістом вуглецю для виробництва. Надлишок електроенергії може бути використаний для створення водню, який можна зберігати та використовувати згодом у паливних елементах, двигунах або газових турбінах для виробництва електроенергії без утворення шкідливих викидів [11]. NREL вивчив потенціал створення водню з енергії вітру та його зберігання у вишках вітрогенераторів для виробництва електроенергії, коли вітер не дме
На сьогодні більшість ESS зосереджені в Європі, Північній Америці, Східній та Центральній Азії, а також Тихому океані. Провідні країни в даному напрямку – США, Південна Корея, Японія і ряд європейських країн, включно з Німеччиною, Великобританією та Італією. В цілому, близько 96% проектів встановлено саме в цих країнах. Решта 4% знаходяться в Китаї та Південній Америці, переважно в Чилі. Близький Схід і Північна Африка, Південна Азія і Африка на південь від Сахари мають лише незначну кількість систем акумулювання енергії.
На ринку досить багато гравців ESS, перерахуємо лише топові компанії.
ЗНИЗИТИ ВИТРАТИ ЕНЕРГЕТИКИ І ЗАБЕЗПЕЧИТИ КРИТИЧНУ РЕЗЕРВНУ ПОТУЖНІСТЬ З ЗБЕРІГАННЯМ ЕНЕРГІЇ
Комерційні та промислові споживачі електроенергії знають, що витрати на енергію можуть мати значний вплив на ваш результат. Зберігання енергії дозволяє вам управляти вашими витратами на енергію, надаючи вам контроль над використанням електромережі, захищаючи вас від нарахування попиту та змінних тарифів на енергію, щоб забезпечити істотну економію. Зберігання енергії також може забезпечити критичне резервне живлення для комерційних та промислових об’єктів, запобігаючи втраті доходу від виробництва та дорогоцінному пошкодженню обладнання. Поєднання комерційного накопичення енергії з відновлюваними джерелами, такими як сонячна енергія або вітер, дозволяє максимально використовувати ці переривчасті джерела, зберігаючи надлишок енергії при її виробництві та використовуючи її у разі потреби.
Компанія Frost & Sullivan, котра займається дослідженням енергетичного ринку, опублікувала звіт, в якому передбачається, що ринок ESS до 2025 року збільшить виручку зі 160,4 млн доларів (дані за 2017 рік) до 1,6 млрд. Прогнозується, що до цього часу саме США, Австралія, Німеччина та Великобританія будуть приносити річний дохід у розмірі 1,5 млрд доларів.
Висновки
Системи акумулювання енергії допоможуть перейти від викопного палива до глобальної декарбонізації та майбутньої стовідсотково відновлюваної енергії.