Интеллектуальные сети: проблема аккумулирования энергии1

 

Автор

 

    Пока энергию, вырабатываемую ВИЭ-установками, не научатся повсеместно хранить в промышленных масштабах, ее производство не станет полноценной альтернативой традиционным способам генерации. В статье эксперта из США содержится обзор технологий, существующих сегодня в этой сфере.
    В феврале 2008 г. во время внезапного похолодания обычно суровые ветры западного Техаса успокоились, и тысячи ветряных турбин, которыми изобилует эта часть штата, остановились. Операторы местных энергетических компаний, не имея возможности восполнить недостаток мощности в сети, были вынуждены отключить электроснабжение потребителей, пока ветер не возобновился.
    Периоды безветрия не оказывали бы никакого воздействия, если бы у энергетических компаний находилось в запасе несколько сотен мегаватт-часов, которые можно использовать в непредвиденных ситуациях. Но их не было. Хранить электроэнергию в больших количествах трудоемко и дорого, даже недолгое время.
    Обязанные обеспечивать ее надежную подачу в условиях непрерывно меняющегося объема потребления, операторы генерирующих предприятий обычно прибегают к дорогостоящим и неоптимальным способам регулирования мощности электростанций или включают пиковые энергетические установки в периоды максимума нагрузок.
    Эта практика, основанная на удовлетворении спроса, становится все менее жизнеспособной ввиду увеличения количества объектов на базе возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветряные электростанции. Как показано на примере с Техасом, объем поставляемой мощности ВИЭ-агрегатов зависит от погодных условий, а не от потребности абонентов. «Если мы хотим, чтобы существенная часть используемой энергии приходилась на возобновляемые источники, то необходимо эффективно ее аккумулировать», — уверен Али Нурай (Ali Nourai), руководитель отдела энергетической компании American Electric Power (г. Коламбус, штат Огайо) и председатель Ассоциации по аккумулированию энергии.
    Уже существует ряд соответствующих технологий, некоторые из них известны более десятилетия. Требуется сделать подобные решения отказоустойчивыми, надежными и экономически оправданными, при этом наилучшим образом подходящими для конкретных источников энергии или мест эксплуатации. «Каждая технология уникальна, — поясняет Джиллис Раадшелдерс (Jillis Raadschelders), консультант по энергетическим вопросам компании KEMA (Голландия). — В данной сфере никогда не будет доминирующего способа».
    Рассмотрим особенности отдельных технологий.
    Подъем воды на высоту
    Страны северной части Европы создают оффшорные ветропарки для использования энергии ветров Северного моря. Дания уже получает около 20% электроэнергии от наземных и морских ветряных электростанций и планирует довести этот показатель до 50% к 2025 г. Но поскольку в регионе в течение нескольких дней подряд может наблюдаться штиль, Дания и Голландия повышают интегрированность своих сетей с энергосистемой Норвегии, где подавляющая часть электроэнергии вырабатывается гидроэлектростанциями. Горные водохранилища Норвегии обеспечивают запас резервной мощности и обладают значительным потенциалом гидроаккумулирования: так, при избытке электроэнергии вода закачивается в водохранилища, а при возрастании энергопотребности сливается, приводя в действие генераторы.
    Эффективность гидроаккумулирования составляет 70—85%, кроме того, это наиболее разработанная и широко распространенная технология, используемая для крупномасштабного накопления электроэнергии. Например, Китай, Япония и США располагают многочисленными ГАЭС мощностью от десятков МВт до нескольких ГВт. Гидроаккумулирование оптимально подходит для компенсации выработки ветроустановок, ведь вода, закачанная в верхний бьеф ГАЭС, может находиться там длительное время, позволяя покрывать довольно продолжительные «провалы» в подаче мощности от ветряных электростанций.
    Вместе с тем реализация технологии гидроаккумулирования подразумевает наличие гор, поэтому ее распространенность ограничена географическими условиями. Сооружение таких систем аккумулирования является разрушительным для окружающей среды, а возведение высоковольтных линий электропередачи, соединяющих удаленную систему аккумулирования энергии с электрической сетью, вызывает протесты экологов.
    Одна из инновационных концепций компании KEMA предполагает размещение ветряных генераторов и ГАЭС в одном месте — в виде «энергетического острова» на мелководье Северного моря. Район, площадь которого составит около 60 кв. км, будет окружен дамбой, образующей искусственное озеро. Ветрогенераторы планируется установить по периметру дамбы и в случае избытка электроэнергии перекачивать воду из озера в море. При перетоке воды обратно в озеро станет вырабатываться «запасенная» электроэнергия. Такой «энергетический остров» в отсутствие ветра способен обеспечить мощность около 1500 МВт в течение 12 часов.
    Нагнетание воздуха под землю
    Установленная в сельской местности рядом с немецким городком Гунторф (около 100 км на юго-запад от Гамбурга) и имеющая обычный вид промышленная электростанция выполняет нетрадиционную задачу: при низком уровне электропотребления она использует излишки энергии для закачивания воздуха в две подземные соляные шахты общим объемом более 300 тыс. куб. м. Затем, в период пиковой нагрузки, сжатый воздух подается в расположенные на поверхности турбины, генерирующие электроэнергию.
    Электростанция в Гунторфе, эксплуатируемая с 1978 г. и способная в течение трех часов обеспечить резервную мощность почти 300 МВт, приводится в действие около 100 раз в году. Но эта технология не нашла массового распространения. Подобный объект меньшей мощности в городе Макинтош (США, штат Алабама) был введен в эксплуатацию в 1991 г. В 2002-м планировалось возведение еще одной аналогичной станции в штате Айова, но проект до сих пор находится на стадии выбора места для пробного бурения.
    Проблема заключается в том, что обслуживание воздухоаккумулирующей электростанции — CAES — является намного более сложным, чем принцип работы ее оборудования. При сжатии воздух сильно нагревается, данное обстоятельство ограничивает объем газовоздушной смеси, который можно закачать в подземный резервуар до того, как температура повысится до опасного уровня. Помимо этого, чем дольше хранится горячий газ, тем больше тепловой энергии теряется, проникая через стены шахты.
    На электростанциях в Гунторфе и Макинтоше сжатый воздух подается в стандартные газовые турбины, что увеличивает эффективность системы. Таким образом, наиболее выгодным применение воздухоаккумулирующей технологии видится в составе генерирующих объектов на природном газе.
    «В ближайшее время ввод гибридных систем подобного типа будет иметь большой смысл, — считает Хареш Камат (Haresh Kamath), специалист из Научно-исследовательского энергетического института (EPRI) в Пало Альто (Калифорния). — Особенно если учесть, что “подзарядка” системы доступна ночью». С прицелом на перспективу EPRI и другие исследовательские организации находятся в поиске инноваций, которые позволят преобразовать CAES в объекты аккумулирования энергии, не требующие привлечения ископаемого топлива. Как ожидается, их эффективность достигнет 80%, что сравнимо с эффективностью гидроаккумулирующих систем. Суммарные расходы на строительство и эксплуатацию будут также сопоставимы.
    Электричество в коробке
    Задача крупномасштабного аккумулирования энергии была бы уже решена, если бы генерирующие компании могли использовать повсеместно распространенные свинцово-кислотные батареи, почти столетие являющиеся основным типом автомобильных аккумуляторов. К сожалению, свинцово-кислотные накопители отличаются малым количеством циклов заряда-разряда и низкой плотностью энергии, кроме того, они более громоздкие и тяжелые по сравнению с другими аккумуляторами аналогичной емкости.
    Более приемлемое решение — натрий-серные аккумуляторы (NaS), которые запасают энергию с помощью химической диссоциации полисульфидов натрия на чистые натрий и серу. Высвобождение энергии происходит при реакции этих двух элементов. Натрий-серные аккумуляторы характеризуются высокой плотностью энергии и способны выдержать несколько тысяч циклов заряда-разряда. Основной проблемой здесь становится хранение соды и серы в отдельных резервуарах в расплавленном состоянии при температуре около 300 °C. К тому же при полном разряде и охлаждении аккумулятор необратимо повреждается. Необходимость использования надежных контейнеров и соблюдения прочих технических требований увеличивает стоимость одного кВт мощности натрий-серных аккумуляторов до 3 тыс. долл.
    Несмотря на это, коммерческое производство натрий-серных батарей налажено японской компанией NGK Insulators (Нагоя). Суммарная мощность работающих аккумуляторов подобного типа в Японии составляет около 300 МВт, причем энергия может подаваться в сеть в периоды пикового потребления в течение шести часов подряд. Другие страны также продвигаются в данном направлении. В США, например, мощность уже действующих натрий-серных аккумуляторов достигла 10 МВт, и примерно такой же объем мощности планируется установить. Лидируют в этой сфере компании American Electric Power и Xcel Energy из Миннеаполиса (штат Миннесота).
    В будущем крупномасштабные системы аккумулирования на основе натрий-серных батарей смогут конкурировать с решениями на литий-ионных аккумуляторах. Литий-ионные технологии, широко применяемые в мобильных телефонах и ноутбуках, а также активно разрабатываемые для электромобилей, отличаются высокой плотностью энергии и эффективностью более 90%. Их основным недостатком считается высокая цена, что частично является следствием жестких требований к безопасности: в аккумуляторах используется легковоспламеняемый раствор солей лития в органических веществах, это в свою очередь требует максимально надежной конструкции для предотвращения опасности возгорания. Каждый запасенный кВт•ч электроэнергии литий-ионных аккумуляторов стoит несколько сотен долларов. Для того чтобы указанная технология получила широкое распространение в автомобилестроении, стоимость аккумулирования энергии должна быть в пределах 100 долл./кВт•ч, а в электроэнергетической отрасли еще ниже.
    Обеспечить безопасность батарей для стационарных систем намного проще и дешевле, чем накопителей энергии для мобильных устройств. Литий-ионные технологии активно внедряются в Азии, где существует острая конкуренция между производителями, которая в конечном счете приведет к снижению стоимости аккумуляторов. Дональд Садоуэй (Donald Sadoway), специалист-химик из Массачусетского технологического института, уверен: данный параметр можно минимизировать еще более радикально, «и способ сделать это — производить батареи из грязи», то есть на основе самых распространенных в земной коре элементов. Несмотря на то, что электрохимическая реакция элементов (например, кремния, железа и алюминия) практически полностью изучена, появляется огромное количество неисследованных сочетаний материалов. «Поиски стали реальными, — говорит Д. Садоуэй, — благодаря суперкомпьютерам, поэтому в ближайшее десятилетие интенсивность исследований повысится».
    Преобразование электроэнергии в энергию вращения
    Одним из простейших способов аккумулирования энергии (по крайней мере, концептуально) является применение маховиковых накопителей: электрическая энергия преобразуется в кинетическую посредством вращения маховика, разгоняемого электродвигателем. Кинетическая энергия отбирается по мере необходимости при подсоединении маховика к генератору.
    Впрочем, в действительности все намного сложнее: маховик должен вращаться очень быстро, чтобы удерживаться в элементах крепления. Системы аккумулирования на основе маховиковых накопителей позиционируются на рынке как источники бесперебойного питания, способные выдать достаточную мощность в течение нескольких секунд или минут, но они непригодны для длительного хранения энергии.
    Значимым преимуществом маховиков можно назвать их способность быстро поглощать энергию и так же быстро ее отдавать. Это именно то, что требуется для регулирования частоты электрической сети, которую надо поддерживать на уровне 50 или 60 Гц (в зависимости от страны), но которая уменьшается каждый раз, когда кратковременное повышение нагрузки вызывает замедление вращения турбин. С учетом данного фактора компания Beacon Power из штата Массачусетс в течение прошедшего десятилетия разрабатывала высокотехнологичный маховиковый накопитель, оптимизированный для целей регулирования частоты сети. Устройство высотой 2 м и диаметром 1 м состоит из цилиндрического алюминиевого ядра, в которое помещены электродвигатель и генератор, и композитного обода из углеродного волокна. Маховик опирается на магнитные подшипники, расположенные внутри вакуумированной камеры, и может раскручиваться до 16 тыс. об./мин. «Накопитель рассчитан на эксплуатацию в течение 20 лет, не требуя при этом технического обслуживания, — рассказывает Мэтью Лазаревич (Matthew Laza­rewicz), глава технического отдела компании Beacon Power. — Он способен хранить энергию с эффективностью 85%, ускоряться или замедляться миллионы раз в течение срока службы, что делает его более долговечным по сравнению с аккумуляторными батареями».
    Основной задачей сегодня становится уменьшение стоимости проекта, чего Beacon Power надеется достичь с помощью кредита, полученного от Министерства энергетики США. В Стефентауне (штат Нью-Йорк) эта компания начала возводить станцию с 200 маховиковыми накопителями стоимостью 70 млн долл. и мощностью 20 МВт, которая поможет регулировать частоту в региональной электрической сети. Бюджет включает множество разовых расходов, связанных с определением характеристик станции, необходимых для программы федеральных гарантий по кредиту. Специалисты ожидают, что в будущем цена подобных проектов снизится до 30 млн долл. В конце ноября Министерство энергетики выделило Beacon Power на сооружение еще одной 20-мегаваттной станции рядом с Чикаго (штат Иллинойс) 24 млн долл., что составляет половину суммы всех затрат.
    Интеграция с интеллектуальной сетью
    Существует немалое количество еще более высокотехнологичных решений, применимых в целях крупномасштабного аккумулирования энергии при условии, что исследователи сумеют со временем уменьшить стоимость этих технологий до конкурентоспособного уровня. В качестве примера можно привести суперконденсаторы, способные накапливать мощный электрический заряд на электродах, расстояние между которыми составляет несколько атомных слоев, и сверхпроводниковые накопители, запасающие огромное количество энергии в магнитном поле.
    Но едва ли не самый экономически эффективный способ крупномасштабного аккумулирования энергии — сокращение данной потребности как таковой. Это одна из целей американской стимулирующей программы, в рамках которой планируется выделить 4,3 млрд долл. на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в сферах ВИЭ-генерации, энергоэффективности и, что особенно важно, развития технологий интеллектуальных сетей. Вместо регулирования генерируемой мощности в зависимости от непредсказуемо меняющегося потребления станет возможным регулирование потребления устройствами самой интеллектуальной сети.
    Заключение
    В инновационных системах технологии аккумулирования энергии и технологии интеллектуальных сетей применяются совместно, что позволяет эффективнее выравнивать пики и провалы нагрузки, чем при отдельном использовании таких решений. «Полностью устранить колебания невозможно, но благодаря аккумулированию они станут намного более плавными», — полагает упоминавшийся выше Али Нурай, руководитель отдела энергокомпании American Electric Power.
    В перспективе даже малые города окажутся энергетически самодостаточными, так как будут способны генерировать ровно столько электроэнергии, сколько требуется для удовлетворения собственных нужд, и обеспечивать надежное энерго­снабжение путем обмена мощностью с соседними населенными пунктами.
    Все местные электрические сети можно сделать низковольтными, а протяженные высоковольтные линии будут нужны только для подсоединения к густонаселенным регионам удаленных ветряных или солнечных электростанций. Эта трансформация кардинальным образом изменит способы эксплуатации и проектирования систем аккумулирования электроэнергии.