Если последние 10 лет успешного развития солнечной энергетики, ветряных турбин, аккумуляторов и электромобилей чему-то нас научили, так это планированию безуглеродных технологий, которые сегодня недоступны. Они могут прийти завтра.
Так обстоит дело с кругом претендентов на долговременное накопление энергии. Мы можем назвать это Большим Хранилищем — способность сохранять много энергии, когда она больше всего нужна.
И напротив небольшое хранилище, которое захватило все заголовки в последние годы. Литий-ионные аккумуляторы, которые питают ноутбуки, телефоны и электромобили, также закрепились в самой сети, поскольку некоторые коммунальные службы инвестируют в краткосрочное хранение энергии либо для резервного храненияя, либо для сглаживания периодов, когда ветряные турбины не работают, а солнечные батареи темнеют. Коммунальные службы установили 987 мегаватт накопителей энергии в 2017 году, увеличили их до 3,5 гигаватт в 2020 году и, по прогнозам, введут 10,2 гигаватта в 2023 году, сообщает BloombergNEF.
В то время как малое хранение, как ожидается, вырастет намного больше, это также ограничено физикой и стоимостью услуг, которые оно может предоставить энергосистеме. В настоящее время системы литий-ионных батарей могут подавать энергию в сеть в течение примерно четырех часов. Расширение возможностей сверх этого становится слишком дорогостоящим.
Инженеры хотели бы иметь большие технологии хранения, которые могут обеспечить питание в 5-10 раз дешевле, чем современные литий-ионные батареи, и могут делать это гораздо дольше. Сколько еще — вопрос открытый. Научно-исследовательский центр Министерства энергетики США, известный как ARPA-E, вложил 28 миллионов долларов в 10 ранних технологий в 2018 году, которые могут привести к системам, способным питать сеть в течение от 10 до 100 часов. Это «очевидно, очень большой диапазон», как писал политический аналитик Sandia National Laboratories в январе. Это разница между обеспечением энергией в пасмурный день и покрытием для экстремальной погоды, которая ограничивает выработку электроэнергии в течение нескольких недель.
Технологии больших хранилищ столь же разнообразны, как и инженерные цеха, которые их производят. Корпорация Raytheon Technologies работает над альтернативой — химией «проточной батареи», изготовленной из недорогой серы и марганца. Form Energy Inc., базирующаяся в Массачусетсе и поддержанная прорывными энергетическими предприятиями Билла Гейтса, строит еще один вид батареи, которая, как они говорят, сможет хранить 150 часов энергии. Возглавляемый Матео Харамильо, который покинул Tesla Inc. в качестве руководителя стационарного хранилища в 2017 году, стартап в прошлом году объявил о пилотном проекте в Миннесоте.
С таким количеством возможных подходов, от гидросистем до нетрадиционных батарей и тепла, это головокружительный момент для правительств, исследователей, бизнеса и инвесторов, чтобы подумать о том, над чем работать в первую очередь.
Нестор Сепульведа, постдокторант MIT Energy Initiative, работал с коллегами, чтобы оценить более десятка различных потенциальных технологий по показателям стоимости и производительности, связанным с емкостью хранилища, зарядкой и разрядкой. Исследователи смоделировали 1280 технологических сценариев и сравнили каждый из них с миром без больших хранилищ. Эта работа основана на предыдущем исследовании, в котором несколько тех же авторов показали, что наиболее экономически эффективный способ декарбонизации электроэнергии включает сохранение крупномасштабного или «твердого» источника энергии, такого как ядерные, гидроэлектростанции или ископаемые электростанции, которые улавливают CO₂. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.
Сепульведа и его коллеги обнаружили, что большие хранилища могут снизить цены на электроэнергию в безуглеродной сети до 40%. Экономия затрат проявляется быстрее всего, когда атомные станции обеспечивают базовую мощность, как из-за их расходов, так и из-за относительной негибкости. Для технологий сложнее проникнуть на большие электростанции, где отопление и транспорт уже электрифицированы, такие как северо-восток США. И самое большое преимущество для зрелого хранения будет исходить от систем, которые могут обеспечить более 100 часов мощности в сети.
«Многие люди, компании и правительства работают над этим, пытаясь разблокировать набор технологий», — говорит Сепульведа. — «Но никто толком не знает, как они будут выглядеть».
Стоимость хранения энергии — фактическая способность технологии удерживать энергию — является наиболее важным фактором в исследовании Сепульведы. За этим последовала эффективность разрядки, или то, как быстро накопитель может высвободить свою энергию. Уже один этот результат может послужить полезным руководством для разработчиков, которые в настоящее время пытаются выяснить, где их ограниченные исследовательские ресурсы могут оказать наибольшее влияние. Хорошая разрядка, заключают авторы, оказывает в два раза большее влияние на ценность системы с большим объемом памяти, чем хорошая зарядка.
«Когда эти компромиссы появятся в дорожной карте развития»,-говорит Сепульведа, — «я надеюсь, что эта работа поможет понять, в каком направлении идти».
