Накопители электроэнергии — инновации на протяжении 138 лет

В конце 19 века в мире появились первые электрические сети. С этого момента ученые и начали искать способы накопления и хранения электроэнергии. Возможность собирать излишки вырабатываемой энергии в периоды низкого спроса и возвращать ее в период повышенного спроса помогает сгладить пики производства и потребления.

За последние 100 лет изобрели и продолжают изобретать множество разновидностей накопителей. Одни превращают электрическую энергию в механическую, как гидроаккумулирующие станции и маховики, другие преобразовывают электроэнергию в химическую энергию веществ внутри батарей, как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, натрий-серные, литий-ионные аккумуляторы и др.

Самым старым видом промышленного накопителя, а в России он оставался единственным применяемым в электрических сетях до 2018 года, является гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). Принцип действия прост. Во время спада потребления, например, ночью, невостребованная электроэнергия запускает работу насосов, которые перекачивают воду наверх в специальный бассейн, а в пики потребления вода падает обратно в водохранилище, вращая турбины генератора, — вырабатывается электрическая энергия. Первую гидроаккумулирующую станцию построили в 1882 году в Швейцарии. В России первая ГАЭС появилась всего 52 года назад на Кубани, мощностью 15,9 МВт.

Электрохимические аккумуляторы различаются по энергоемкости, мощности, количеству циклов заряд/разряд, наличию или отсутствию эффекта памяти, скорости, с которой аккумулятор вбирает в себя энергию и отдает. В зависимости от характеристик разные типы накопителей служат для разных целей. Например, никель-кадмиевый занял нишу в авиации благодаря низкому сопротивлению, способности отдавать большую мощность без перегрева, устойчивой работе при -60°C — 60°C. Несмотря на дорогую утилизацию аккумуляторов из-за токсичности и летучести кадмия во время плавки, этим батареям не нашли замены при применении в устройствах, где требуется обеспечить высокий уровень надежности.

Самой популярной и универсальной электрохимической батареей удалось стать литий-ионному накопителю. Он характеризуются большим количеством циклов заряд/разряд — до 10 тыс., хорошей плотностью накапливаемой энергии, высоким напряжением по сравнению с другими аккумуляторами, способностью быстро заряжаться и ничтожно малым эффектом памяти.

Литий-ионную батарею разрабатывали и совершенствовали в 1970-1991 годах Джон Гуденаф, Стэнли Виттингхэм и Акира Ёсино, а в 2019 году ученым присудили Нобелевскую премию по химии за изобретение.

Сегодня литий-ионные аккумуляторы используют в смартфонах, ноутбуках, электромобилях, домашних хозяйствах, и энергетических системах.

Последние 10 лет остро стоит вопрос об использовании накопителей, преимущественно литий-ионных, рядом с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) — солнечными и ветряными станциями. Ночью, в пасмурные дни на солнечных электростанциях или в безветренную погоду на ветряных электростанциях, когда выработка энергии падает, накопитель отдает в сеть запасенную электроэнергию. Тем самым обеспечивает бесперебойное питание. Казалось бы, вот он способ покрыть минусы ВИЭ и использовать исключительно экологичную электроэнергию.

В России в феврале 2020 года была запущена первая солнечная электростанция с накопителем энергии на основе литий-ионных аккумуляторов емкостью 8 МВт-ч — в Башкирии.

Крупнейшая в мире литий-ионная накопительная система суммарной мощностью 193,5 МВт-ч соединена с ветряной станцией Хорнсдейл и функционирует в Южной Австралии. С гигантской батареей связана история про спор в Твиттере Илона Маска и генерального директора Atlassian Майком Кэннон-Бруксом. Пари заключалось в том, что Tesla построит накопительную систему емкостью 100 МВт-ч за 100 дней с момента подписания контракта, и, если не уложится в срок, сделает это бесплатно. Илон Маск бросил вызов и выполнил условия.

К сожалению, производство и утилизация литий-ионных батарей не отличаются экологичностью. При переработке аккумуляторы плавят и с помощью химических реакций восстанавливают металлы. Процесс сопровождается выбросом токсичных веществ, а полученные материалы имеют более низкое качество по сравнению с исходными. При этом часть вредных веществ остается после переработки и будет храниться тысячи лет, загрязняя почву.

Срок действия накопителя в электрокаре — 15-20 лет, масса одного аккумулятора, например, в Tesla — 540 кг. Оценивается, что в 2020 году в мире ездят 7,6 млн электромобилей. Следовательно, через пару десятков лет мир столкнется с необходимостью переработки 4 тысяч тонн литий-ионных аккумуляторов.

Не говоря уже о том, что США, Австралия, Великобритания и др. развитые страны соревнуются в строительстве гигантских накопительных систем для электрических станций.

Получается, что расширяя возможности и географию станций, использующих возобновляемые источники энергии, компании вынуждены решать новые экологические проблемы, связанные с производством, переработкой и утилизацией батарей.

#литий-ионныйаккумулятор #альтернативнаяэнергетика #ВИЭ #илонмаск #Tesla #накопительэлектроэнергии