Стоит солнцу и ветру пропасть, в Германии тут же начинаются разговоры о «тёмном затишье». Особенно зимнему времени года присуще подобные периоды – когда солнечные и ветряные электростанции вырабатывают мало электроэнергии. В такие периоды электричество необходимо получать откуда-нибудь ещё. В настоящий момент, например, основную часть электричества обеспечивают угольные и газовые электростанции, но в будущем их планируют отключить – и что тогда?
Начиная с 2030 года Германия намерена до 80% своей энергии производить за счёт энергии ветра и солнца. Однако для надёжного энергоснабжения ей необходимы механизмы для поддержания баланса. С одной стороны, в будущем можно жёстче скорректировать потребление электроэнергии в зависимости от имеющейся в наличии энергии, но в то же время важно развивать внешнюю торговлю электроэнергией и электрическую инфраструктуру. Помимо этого, необходимо задействовать различные технологии накопления энергии или дополнительные источники энергии.
Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке
Аккумуляторные батареи способны компенсировать кратковременные сбои в электроснабжении. Батареи помогают поддерживать стабильность электросети в течение нескольких секунд или даже нескольких часов, например, ночью. Особенно распространены большие энергонакопители, состоящие из литий-ионных аккумуляторов. Их устройство аналогично аккумуляторам в электромобилях: они способны быстро поглощать избыточную энергию, а позже отдавать её обратно. По данным Исследовательского центра в Юлихе, эффективность энергонакопителей составляет от 80 до 90%.Подобные накопители используются всё чаще и чаще – их устанавливают во многих местах. Другие типы батарей в настоящее время применяются крайне редко. В последние годы литий-ионные аккумуляторы стали не только легче и компактнее, но и дешевле. «К тому же, они весьма долговечны – почти как электростанции с двигателем внутреннего сгорания – совсем не такие, как в мобильных телефонах», - говорит Мартин Винтер, руководитель Исследовательского центра аккумуляторных батарей при Мюнстерском университете и Мюнстерского института Гельмгольца – филиала Исследовательского центра Юлиха.
Германии необходимы накопители с большой ёмкостью. Институт солнечных энергетических систем им. Фраунгофера ISE прогнозирует, что к 2045 году для хранения электроэнергии потребуется целых 180 гигаватт-часов (ГВт-ч). Страна всё ещё далека от этих показателей – по данным института RWTH в Ахене, ёмкость накопителей в настоящий момент достигает 17,8 (ГВт-ч).
Натрий-ионные аккумуляторы обладают более низкой плотностью энергии
Поскольку литий исчерпаем и встречается не везде, проводятся исследования и тестирования других различных типов аккумуляторов. По словам Максимилиана Фихтнера из Института Гельмгольца в Ульме, литий всё чаще заменяют натрием, известным, например, в качестве компонента хлорида натрия, то есть поваренной соли.Как рассказал Фихтнер в одной из университетских бесед, натрий – это экологичный, дешёвый материал, доступный во всём мире в отличие от лития, имеющегося в наличие лишь в нескольких странах и создающим тем самым зависимость. Натрий-ионные аккумуляторы уже можно встретить на рынке: они используются, например, в небольших прототипах электромобилей.
Однако плотность энергии натрий-ионных аккумуляторов значительно ниже, поэтому они более тяжёлые и громоздкие, чем литий-ионные аккумуляторы. «И постоянно требуется всё больше и больше, в крайних случаях – в три раза больше», – объясняет Мартин Винтер. «В три раза больше материалов, корпусных деталей, химикатов тонкой очистки, в три раза больше печей и грузовиков для транспортировки и размещения».
Водород для длительного хранения
Периоды долгого безветрия, длящиеся нескольких дней, невозможно восполнить с помощью аккумуляторов – даже при значительном увеличении размеров ёмкости всё равно будет недостаточно. «Здесь необходимо прибегнуть к химии, то есть производить молекулы с «зелёной» энергией, пригодной для сжигания», – считает Винтер.С помощью электрического тока, в идеале производимого в будущем из экологически чистых источников, вода может быть расщеплена на водород и кислород. Затем водород можно использовать в топливных элементах или на электростанциях – частично на старых газовых электростанциях. Ещё водород можно применять для получения синтетического топлива. «К сожалению, всё это очень неэффективно», – утверждает Винтер.
Однако водород можно производить где-нибудь ещё, например, в солнечных странах, а затем морем или по трубопроводу доставлять в Германию. В будущем можно было бы построить сезонные хранилища для водорода.
До ядерного синтеза ещё далеко
Несмотря на то, что ядерный синтез с целью получения энергии возможен, однако, реальные термоядерные заводы вряд ли запустят раньше, чем через несколько десятилетий. Согласно недавнему отчёту Бундестага, довольно трудно найти достаточное количество трития в качестве сырья.По словам исследователя термоядерного синтеза Кристиана Линзмайера из Исследовательского центра в Юлихе, заводам, по сути, необходимо всё время работать с высокой производительностью, иначе инвестиции не окупятся. То есть нельзя будет включать заводы лишь на пару дней на время «тёмного затишья». Намного реальнее было бы, например, на заводах производить водород.
Новые научные идеи: нагрев кирпичей
Одна из возможностей энергонакопления состоит в том, чтобы с помощью дешёвого электричества в часы пик что-нибудь нагревать, а затем сохранять произведённое тепло. Как пишут учёные в одном исследовании, опубликованном в научном журнале «PNAS Nexus», можно, к примеру, нагревать кирпич в изолированном резервуаре.При необходимости тепло снова можно использовать в качестве возобновляемой энергии на производствах цемента, стали, стекла и бумаги. По словам ведущего учёного Марка Джейкобсона из Стэнфордского университета, стоимость такого хранилища составляет одну десятую от стоимости батарей.
Однако под вопросом остаётся насколько быстро подобные экспериментальные подходы можно было бы широко применять на деле. Исследования проводятся и в других областях, например, разработки новых батарей. В частности, в Институте Гельмгольца в Мюнстере и в институтах в кампусе Юлиха учёные работают над твердотельными батареями, металло-воздушными батареями и так называемыми проточными окислительно-восстановительными батареями.
Надёжное электроснабжение при отключённых электростанциях
Энергетическая безопасность стала целью изучения одного из исследований в рамках проекта «Энергосистемы будущего» (ESYS).Исследователи пришли к выводу, что надёжное энергоснабжение в будущем возможно даже без так называемых базовых электростанций – непрерывно работающих электростанций, например, на ядерном топливе и обеспечивающих постоянный минимальный уровень потребления электроэнергии. Участниками проекта ESYS стали Национальная академия наук Леопольдина, Немецкая академия технических наук Acatech и Союз немецких академий наук.
Согласно исследованию, благодаря достаточному количеству недорогой альтернативной энергии базовые электростанции потеряют своё прежнее важное значение. Однако это не означает, что в будущем они перестанут быть частью энергоснабжения. «Если они будут соответствовать всем требованиям в области экономики, безопасности и защиты климата, то смогут стать весомым дополнением к основной системе энергоснабжения», – считают авторы исследования.
Газ, геотермальная энергия или ядерный синтез – будут ли они выгодны?
В ходе исследования изучался вопрос: «Будут ли непрерывно работающие электростанции представлять интерес для немецкого и европейского энергоснабжения в 2045 году в рамках климатически нейтральной энергосистемы?» Атомные электростанции, электростанции на природном газе с улавливанием CO2, геотермальная энергия и ядерный синтез рассматривались в исследовании в качестве технологий с низким уровнем выбросов парниковых газов.Учёные пришли к выводу, что надёжное и экологически безопасное энергоснабжение возможно за счёт «сочетания солнечной и ветровой энергии совокупно с энергонакопителями, гибкого потребления электроэнергии», а также эксплуатации электростанций в случае необходимости. «Ожидается, что развитие возобновляемых источников энергии, а также европейских электрических и водородных сетей позволит удовлетворить потребности в электроэнергии и большую часть потребностей в водороде внутри Европы», – говорится в 55-страничном докладе.
Эксперты опасаются финансовых потерь в отношении базовых технологий
Типовые расчёты также показали, что базовые электростанции можно интегрировать в энергосистему с превалирующими солнечной и ветровой энергиями. «Электричество электростанций можно использовать для электролиза в периоды слабого спроса, что позволит сократить импорт водорода». Также они практически не влияют на развитие и потребности сетей в электричестве и водороде – переход на электромобильность и тепловые насосы пройдёт без изменений. Выгода от эксплуатации электростанций будет очевидна прежде всего в случае, если они будут экономически более привлекательными, чем альтернативные источники энергии.Эксперты не ждут, что за счёт базовых технологий удастся снизить общие затраты энергоснабжения. «Для того, чтобы базовые электростанции существенно повлияли на снижение затрат, их стоимость должна быть значительно ниже уровня, прогнозируемого на данный момент», — подчеркнула глава Центра энергетики при Мюнхенском Институте экономических исследований Ifo Карен Питтель. «На самом деле, мы склонны оценивать финансовые и временные риски в отношении базовых технологий по сравнению с возможными рисками в случае дальнейшего развития солнечной и ветровой энергетики».
Количество аккумуляторных батарей растёт
Граждане и различные организации в Германии установили в прошлом году почти 600 000 новых аккумуляторных батарей. Тем самым, согласно последним данным Федеральной ассоциации солнечной энергетики (BSW), почти в два раза выросло как число самих установок, так и их ёмкость.В целом, по предварительным подсчётам Ассоциации, по всей ФРГ было установлено 1,8 миллиона энергонакопителей совокупной ёмкостью 19 ГВт-ч электроэнергии. Однако, это не так уж и много, по сравнению с общим производством «зелёной» электроэнергии в Германии. По данным Федерального сетевого агентства, ветер, солнечная энергия и другие возобновляемые источники энергии дали в прошлом году 255 ТВт-ч электроэнергии – один ТВт-ч равен 1000 ГВт-ч.
Генеральный директор BSW Карстен Кёрниг выступил за скорейшее увеличение мощностей аккумуляторных батарей. «Энергонакопители являются самым быстрым, дешёвым и эффективным средством для интеграции солнечной энергии в энергосистему и на рынок энергии», – заявил Кёрниг.
Львиная доля всех аккумуляторных батарей в Германии устанавливается в частых домах – согласно предварительным подсчётам BSW, в прошлом году насчитывалось около 580 000. Однако, относительно более быстрыми темпами росла ёмкость новых энергонакопителей, устанавливаемых фирмами: плюс 26%. По данным Ассоциации солнечной промышленности, общее количество аккумуляторных батарей, установленных в Германии в коммерческих целях, увеличилось более чем на 60% и превысило 38 000.
Подводя итоги, наиболее быстрый рост наблюдался в области установок больших энергонакопителей, представляющих собой батареи ёмкостью более 1 МВт-ч электроэнергии. По данным BSW, в 2024 году в эксплуатацию было введено около 100 новых крупногабаритных энергонакопителей ёмкостью около 0,8 ГВт-ч, что вдвое больше, чем в 2023 году.
