Парад батарей: зачем нужны накопители энергии и как они работают

От накопителей энергии зависит не только работа электрического транспорта. Накопители устраняют волнообразный характер выработки/потребления, синхронизируют их, что делает эффективной генерацию энергии с помощью солнца и ветра. В мире есть много методов хранения энергии, однако основных два: химический – в батареях и гравитационный – на гидроаккумулирующих станциях. Они разные, но задачу решают единую: создают буфер между временем производства энергии и ее использования.

Сгладить пики и провалы

Главная проблема электрогенерации – неравномерное потребление энергии, его скачкообразный характер. Генераторам сложно приспособиться к этому ритму: большинство видов электростанций очень инертны, они не могут работать в режиме «старт-стоп» по необходимости. Так, тепловая станция на газе/мазуте/угле выходит на мощность за несколько часов, а атомной может потребоваться несколько суток – это самый маломаневренный источник энергии. Постоянные разгоны-торможения тепловых станций экономически нецелесообразны, а в случае с АЭС – технически сложны. Бьефы могут быть природными, но чаще всего они рукотворные. Размеры их варьируются в широких пределах. Даже небольшой бьеф, размером с олимпийский плавательный бассейн (50 метров), может хранить воды в объеме, достаточном для выработки 3,5 МВт·ч. Технически это самый простой способ хранения энергии, он по затратам несопоставим с аккумуляторными батареями в пересчете на единицу энергии. Хоть ГАЭС строятся для хранения, а не для генерации, МЭА учитывают их в числе ГЭС. Аналогично поступает «Русгидро».

Первая ГАЭС появилась в 1909 году в Швейцарии. Сегодня общие мощности таких станций в мире составляют около 140 ГВт. Лидируют Китай (32 ГВт), Япония (28,3 ГВт) и США (22,6 ГВт). Российские ГАЭС суммарно хранят 2,2 ГВт. Крупнейшая из них – Загорская на реке Кунье вблизи поселка Богородское Сергиево-Посадского района Московской области. «РусГидро» отмечает, что это «один из наиболее значимых энергообъектов объединенной энергосистемы Центра России». Ее мощность в турбинном режиме – 1200 МВт.

ГАЭС не является электростанцией как таковой, поскольку потребляет электроэнергии больше, чем вырабатывает. Потребление энергии ГАЭС – только в цикле закачки воды в верхний бьеф. В режиме генерации, как и у обычных ГЭС, КПД составляет около 90%.

Зоны затопления, необходимые для ГАЭС, значительно меньше, чем для обычных ГЭС сопоставимой мощности. Поэтому ГАЭС может располагаться в густонаселенных районах, вблизи потребителей. Как правило, так оно и делается. Например, та же Загорская ГАЭС резервирует мощности центрального региона России, в частности Москвы. ГАЭС Каскада Кубанских ГЭС регулирует подачу воды в северо-кавказские оросительные каналы и одновременно служит аккумулятором энергии для густонаселенной Кубани.

Ленинградская ГАЭС должна была располагаться на реке Шапше в Ленинградской области, но в 2017 году компания «РусГидро» отказалась от проекта. Станция предназначалась для работы в пиковой части графика нагрузок энергосистемы Северо-Запада, испытывающей дефицит высокоманевренных мощностей (в регионе располагаются три крупные АЭС – Ленинградская, Кольская и Калининская, а также ряд мощных тепловых электростанций). Курская ГАЭС на реке Сейм в городе Курчатове Курской области находится на стадии проработки. Предполагается, что она будет работать вместе с Курской АЭС, потребляя ее энергию по ночам и возвращая днем. Аналогичную роль должна играть Центральная ГАЭС на реке Тудовке в Тверской области.

ГАЭС отлично подходят для выравнивания суточных колебаний спроса на энергию АЭС – дешевую и безуглеродную, но немобильную. Для тепловых станций ГАЭС может быть подстраховкой.

Энергохранение будущего

МЭА прогнозирует, что после 2030 года около 30% новых гидромощностей придется не на генерирующие ГЭС, а на ГАЭС. То есть на простой и эффективный способ хранения энергии, к тому же экологически чистый. Если батареи нужно утилизировать по окончании срока их работы, то ГАЭС способны работать по 30–40 лет, а после замены турбин – еще столько же, а потом и еще.

Батареи продолжат дешеветь и увеличивать емкость. В одной упряжке с солнечными панелями и ветряками они будут выравнивать цикличный характер генерации от этих чистых источников. Помимо дорожного транспорта, батареи распространятся на воздушный и морской. Прототипы электрических самолетов и судов уже существуют.

Появятся новые типы хранилищ – на основе расплавленной соли, а накопители энергии на основе явления сверхпроводимости подешевеют. Возможно, мы увидим и другие способы, однако два доказавших свою надежность и экономичность сохранятся: нет никаких резонов отказываться от литиевых, серных или твердотельных батарей и от ГАЭС. Вероятно, продолжится диверсификация накопителей, каждый из которых будет наилучшим образом подходить под конкретные задачи. Где-то важнее большая емкость, где-то – вес и компактность, а где-то – быстрое включение «по щелчку». Особый акцент будет сделан на хранении энергии зеленой генерации. Неслучайно МЭА рассматривает накопители как составную часть энергоперехода к безуглеродной экономике.