Срок службы батареи: гонка за накопителем для экологически чистой энергии будущего

С продуваемого всеми ветрами северного побережья графства Кент (Англия) Мэри Кинг указывает на мили пустых болотистых сельскохозяйственных угодий. Скоро здесь появятся тысячи солнечных батарей и одна из крупнейших в стране аккумуляторных установок.

В миле от деревни Грейвни сотни грузовых контейнеров, полных аккумуляторных батарей доставляют энергию для британской сети. Она будет предоставлять услуги, необходимые для управления энергией ветра и солнца, запасы которой сейчас колеблются в зависимости от погоды. Эти условия необходимы для выполнения обещаний политиков о более «зеленом будущем».

«Меня беспокоит масштаб этого проекта», - говорит г-жа Кинг, пенсионерка, которая раньше работала в финансовых службах Лондона. «Мы не против возобновляемых источников энергии — мы просто считаем, что они должны быть в правильном месте».

Такие аккумуляторные заводы скоро станут привычным зрелищем по всей Великобритании. Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, становятся дешевле ископаемого топлива в большинстве стран мира. Они нуждаются в хранении, чтобы оставаться стабильным источником энергии. На прошлой неделе премьер-министр Великобритании Борис Джонсон пообещал установить достаточное количество ветряных турбин, чтобы обеспечить энергией каждый дом к 2030году. Однако такое обещание потребует принятия ряда трудных решений.

Современные батареи – это устройства, которые хранят электричество как химическую энергию. Литий-ионные аккумуляторы, используемые в мобильных телефонах и электромобилях Tesla, являются доминирующей технологией хранения. Они устанавливаются от Калифорнии до Австралии. Скорее всего, появятся и в графстве Кент, чтобы помочь электрическим сетям управлять растущими поставками возобновляемой энергии.

Илон Маск, исполнительный директор Tesla, ожидает, что энергетический бизнес компании — включая поставку солнечных и огромных литий-ионных батарей для электросети — будет таким же масштабным, как и ее автомобильный бизнес. По крайней мере, в долгосрочной перспективе.

Но наряду с литий-ионными батареями для полной замены электростанций на ископаемом топливе и обеспечения 100% использования возобновляемых источников энергии потребуются более дешевые и долговечные технологии хранения. Пока большинство из них не являются экономически эффективными. В настоящее время газовые электростанции преодолевают разрыв с возобновляемыми источниками энергии. Постепенно они становятся способными обеспечивать стабильные поставки энергии на более длительный срок, чем это могут сделать современные батареи.

Часть «зеленой промышленной революции» правительства Великобритании, начатой на прошлой неделе, - это создание энергетического инновационного фонда в размере 1 млрд фунтов стерлингов. Он поможет коммерциализировать новые низкоуглеродные технологии. Так, к ним уже относится жидкостно-воздушная батарея, построенная компанией Highview Power за пределами Манчестера.

Без хранилищ странам будет труднее значительно сократить использование газовых и угольных электростанций и уменьшить вредные последствия изменения климата.

Компании спешат сделать следующий шаг – перейти от аккумуляторных технологий к резервуарам, наполненным жидким воздухом, и системам, снижающим вес заброшенных шахтных стволов. Такие разработки помогут открыть путь для крупномасштабной возобновляемой энергии уже к середине этого столетия. Старания компаний поддерживаются и такими именитыми предпринимателями, как основатель Microsoft Билл Гейтс и Сон Масаеси из SoftBank.

Клив-Хилл недалеко от Грейвни, где Hive Energy планирует построить свою солнечную и складскую площадку. Компания решает, какую технологию использовать для своей батареи, но, скорее всего, выберет литий-ионную.

«Если мы хотим полной декарбонизации, то потребуются все эти технологии», - говорит Рори Маккарти, аналитик Энергетического консалтинга Wood Mackenzie. «Но масштаб инвестиций, необходимых для того, чтобы хоть на чем-то заработать, исчисляется миллиардами долларов».

Цепочка поставок «с нулевым запасом»

Каждый день электросети должны мониторить предложение и спрос. Это становится намного сложнее из-за сокращения угольных и газовых электростанций, обеспечивающих надежное и стабильное энергоснабжение. Дональд Садовей, канадский профессор химии в Массачусетском технологическом институте, говорит о «крупнейшей в мире цепочки поставок с нулевым запасом».

В первом квартале возобновляемые источники энергии обеспечивали рекордные 47 % электроэнергии в Великобритании. Тем не менее, этот успех создал проблему всего несколько недель спустя. Тогда спрос на энергию упал на целых 20% после первого национального локдауна в марте. Работа национальной энергосистемы становится все более сложной, когда выработка электроэнергии из возобновляемых источников достигает примерно 50% от общего объема. В этот момент ей нужна помощь больших электростанций, работающих на ископаемом топливе. Только такой подход позволяет умерить волатильность в системе.

Падение спроса означало, что доля возобновляемых источников энергии превысила половину. Инженеры из Национального центра управления сетями были вынуждены принять акт, который приводил к увеличению использования хранилищ. По мнению правозащитников, это всего лишь оправдание для расширения технологии.

Прогноз глобальных мощностей для хранения энергии.

Такой расклад событий будет в том случае, когда появится большая доля возобновляемой энергии. Об этом говорит Питер Кавана, исполнительный директор Harmony Energy, которая обеспечивает питание сети от шести литий-ионных батарей Tesla на южном побережье Англии.

«Солнечная энергия и ветер - самая дешевая форма генерации во многих странах. Но вам нужно это хранилище, чтобы заставить его работать, как только мы получим доступ к возобновляемым источникам энергии», - говорит он.

Более 97% всех мировых запасов энергии в настоящее время производится за счет использования электричества для закачки воды в высокий резервуар и последующего ее высвобождения. Такой процесс приводит в действие турбину для создания еще большего количества электроэнергии, так называемую «перекачиваемую гидроэлектростанцию». Резервуар для воды действует храненилище энергии. Но эти системы находятся под угрозой. Они могут быть ограничены в будущем растущим дефицитом воды.

Преимущество литий-ионных аккумуляторов заключается в том, что они могут быть размещены в любом месте. Кроме того, они могут обеспечить питание сети очень быстро - как это происходит в электромобилях. Батареи могут реагировать за миллисекунды и, как правило, обеспечивают до четырех часов энергоснабжения. Это помогает сетям справляться с внезапными перебоями в производстве электроэнергии. Однако ученые отмечают, что они менее экономически эффективны в долгосрочной перспективе. В Великобритании большинство крупномасштабных литий-ионных аккумуляторов обеспечивают энергию только на 30-90 минут.

А местные жители, такие как мисс Кинг, беспокоятся о своей безопасности после череды пожаров таких аккумуляторов за последние несколько лет. Только в период с 2017 по 2018 год на объектах в Южной Корее произошло 33 пожара. В Великобритании и США тоже случались такие инциденты.

Лоскутное одеяло технологий

Альтернативные технологии могли бы обеспечить безопасное хранение больших объемов энергии в течение более длительных периодов времени. Такая система позволила бы еще больше интегрировать энергию ветра и солнца. А это крайне необходимо для удовлетворения растущего спроса и для сокращения затрат.

В январе Калифорнийская энергетическая комиссия, агентство по первичной энергетической политике и планированию штата США, выступила с призывом к долгосрочному хранению энергии. Речь шла о более чем 10 часах, которых достаточно, чтобы использовать дневную солнечную энергию ночью.

Одним из победителей тендера стала компания Invinity Energy Systems, которая использует большие батареи на основе ванадия - сырья, используемого сталелитейной промышленностью для повышения прочности металла. Эти так называемые редокс - проточные батареи, впервые разработанные NASA в 1970-х годах. Они представляют собой большие емкости с отдельно заряженными электролитами.

Мэтт Харпер, главный коммерческий директор компании, говорит, что ванадиевые батареи могут хранить от 8 до 10 часов возобновляемой энергии в течение дня. Таким образом, ее можно использовать во время пикового спроса или в ночное время, помогая снизить цены на электроэнергию. Еще они достаточно безопасны, потому что «скорее потушат пожар, чем начнут его». Электролит, используемый в них, имеет водную основу. Они также служат дольше, чем литий-ионные элементы. Их срок эксплуатации около 30 лет.

В центре Даляня, на северо-востоке Китая, компания Rongke Power строит самую большую в мире ванадиевую батарею. Она будет в три раза больше, чем самая большая в мире установка литий-ионных аккумуляторов в Калифорнии. Ванадиевая батарея рассчитана на 800 мегаватт-часов. Такой масштаб помог бы электрической сети провинции Ляонин успешнее интегрировать энергию ветра.

«Нам не разрешат устанавливать масштабную литий-ионную батарею в центре города из соображений безопасности», - говорит Ли Бин, директор по маркетингу Rongke. «Вопросы безопасности в литий-ионных батареях еще не решены».

Тем не менее цены на ванадий очень волатильны и выросли до $127 за килограмм в ноябре 2018 года. Правда, затем они упасли. Теперь ванадий стоит до $25 за килограмм, что может повлиять на себестоимость производства.

Профессор Массачусетского технологического института Садовей считает, что технологии должны основываться на более богатых материалах, чем те, которые используются в литий-ионных и ванадиевых батареях. Он предлагает обратить внимание на алюминий, серу, кальций и сурьму. В 2005 году профессор помог разработать жидкометаллическую батарею, использующую кальций, сурьму и расплавленный солевой электролит. Компания Ambri, участвовавшая в исследованиях, нашла поддержку со стороны Билла Гейтса, который инвестировал в нее после просмотра онлайн- лекций мистера Садовея по химии.

Батарея Ambri предназначена для хранения энергии в течение более 6 часов. Садовей считает, что ее стоимость может быть ниже 150 долларов за киловатт-час, особенно, когда она будет производиться массово. Такая стоимость сделает ее дешевле, чем современные литий-ионные системы.

Компания еще не нашла крупного коммерческого клиента, и г-н Садовей предупреждает о длительных сроках разработки. «Это сложные технологии, это тяжелая промышленность, это не похоже на написание кода. Это действительно трудно», - сказал он.

Мышление каменного века

Существуют и другие варианты хранения, основанные на естественных и физических решениях. Например, перекачиваемые гидростанции, которые могут вырабатывать энергию в течение 20 часов без использования естественных резервуаров.

За пределами немецкого города Гамбурга есть большое серое бетонное здание без окон. «Добро пожаловать в новый каменный век» написано на его фасаде фиолетовыми буквами. Завод управляется Siemens Gamesa, вторым по величине производителем ветряных турбин в мире. На нем используется 1000 тонн вулканической породы из Норвегии для хранения 130 МВтч энергии в виде тепла. Это обеспечивает достаточное количество энергии для почти 3000 немецких домохозяйств или примерно 750 электромобилей.

Электричество используется для того, чтобы сначала нагреть вулканические породы до температуры не менее 600 ° C. В результате, энергия может храниться до недели. Но главная цель состоит в том, чтобы передать энергию в ночное время. По словам Хасана Оздема, руководителя инновационных проектов Siemens Gamesa, систему можно установить на закрывающихся угольных электростанциях, использующих свои турбины.

«Вы можете превратить их в гигантские хранилища», - говорит он. «Крупнейшие коммунальные предприятия отчаянно ищут вариант второй жизни, потому что вы не можете их продать - никто не покупает угольные электростанции. Мы предлагаем сохранить их работоспособность с зелеными целями ».

На окраине Манчестера аналогичный проект реализуется на месте выведенной из эксплуатации электростанции. Но уже с использованием сосудов с жидким воздухом, а не с вулканическими породами.

Highview Power приступила к строительству своей электростанции мощностью 250 МВт-ч в Trafford Energy Park в ноябре после получения гранта в размере 10 млн фунтов стерлингов от Министерства бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании.

«Литий-ионная технология - это отличная технология, но она слишком мала для тех проблем, которые сейчас возникают», - говорит Хавьер Кавада, исполнительный директор компании. «Бизнес-модель длительного хранения заключается в том, чтобы обеспечить использование всей ветровой и солнечной энергии».

Литий-ионный: на водительском сиденье

Несмотря на свои различные преимущества, этим технологиям будет трудно превзойти масштабы производства литий-ионных аккумуляторов. Всплеск инвестиций в сферу в течение последнего десятилетия связано с производством электромобилей. По данным Bloomberg New Energy Finance, цена литий-ионных аккумуляторов упала на 87% в реальном выражении в период с 2010 по прошлый год и составила около 156 долларов за кВт/ч.

Эта цена, вероятно, будет падать и дальше. По словам Вуда Маккензи, к 2030 году во всем мире количество аккумуляторных установок для хранения энергосистем вырастет до 741 гигаватт-часа, причем большая часть из них будет литий-ионной. Первенство будет у США и Китая. Одной ГВт/ч достаточно, чтобы обеспечить энергией 1 млн домов в течение часа.

Кроме того, водород, который образуется в результате электролиза воды с использованием электричества, может стать конкурентоспособным решением для хранения энергии в течение более длительных периодов времени. Водород может храниться в подземных пещерах или в истощенных нефтяных и газовых месторождениях.

Hive Energy, которая планирует построить солнечную электростанцию и складские помещения в Клив-Хилле недалеко от Грейвни, решает, какую технологию использовать для своей батареи. Скорее всего, она выберет литий-ионную, говорит управляющий директор компании Хью Бреннан.

«Это все равно что пытаться не покупать айфон», - говорит он. «Кроме того, более выгодно обеспечить краткосрочное хранение энергии, чтобы воспользоваться преимуществами различных цен на электроэнергию. Компания планирует установить не менее 200 МВтч батарей», - говорит он.

В Грейвни, однако, плакаты с изображениями противогазов и лозунгом «Нет солнечной электростанции!» стоят перед церковью и вдоль дороги. Мария Кинг и другие жители говорят, что они не против расширения возобновляемых источников энергии, но они надеются, что для этого объекта будет использована другая технология хранения.

«Несмотря на весь риск, это не дает им огромной способности накапливать энергию», - говорит мисс Кинг. «Если бы существовала другая технология, которая была бы безопаснее, очевидно, мы приветствовали бы ее».