Солнце за тучами, ветер стих: как решить проблему хранения возобновляемой энергии?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Солнце зашло за горизонт, ветер стих. Наступает вечер, и мир погружается в темноту, но потребности в энергии никуда не исчезают. Этот, казалось бы, простой факт ставит перед человечеством колоссальную задачу: как обеспечить стабильное энергоснабжение в мире, где мы все больше полагаемся на возобновляемые источники? Ответ, как всегда, лежит в области инженерной мысли и инноваций, но на этот раз, он касается не только способов генерации электричества, но и, что не менее важно, его хранения.

Темные времена «Данкельфлаутен»

Представьте себе Германию, страну, где солнечные панели и ветряные турбины стали символом энергетической революции. В июле 2023 года возобновляемые источники энергии обеспечивали более 70% электроэнергии. Но не все так радужно. Бывают периоды, когда солнце уходит за тучи, ветер перестает дуть — и в эти дни возобновляемые источники еле-еле справляются с 30% потребностей страны. Немцы называют это явление «Dunkelflauten» — «темное затишье», и оно может длиться неделями. И это не просто локальная проблема Германии. Подобные «затишья» беспокоят и другие страны, в частности, США, которые также стремятся к углеродной нейтральности.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

В настоящее время солнечная и ветровая энергия обеспечивают 40% электроэнергии в Германии и 15% в США. Оба государства амбициозно заявили о переходе на 100% чистую энергию к 2035 году. Но как это сделать без надежных, пусть и неэкологичных ископаемых ресурсов? Вопрос не только в выработке «зеленой» энергии, но и в обеспечении ее стабильного поступления. Нужны технологии, которые позволят накапливать энергию во времена избытка и отдавать ее в моменты дефицита.

Аккумуляторы: от «ежедневной рутины» до «долгих марафонов»

Сегодня самые популярные устройства для хранения электроэнергии — литий-ионные аккумуляторы. Они отлично справляются с ежедневными колебаниями солнца и ветра, помогая «сглаживать» пики потребления. Но их возможности ограничены: они не подходят для длительных периодов «темного затишья». Литий-ионные аккумуляторы хороши для ежедневного применения, но для масштабного и длительного хранения энергии нужны другие решения.

Дело в том, что литий-ионные батареи не предназначены для долгосрочного хранения: они дорогие, требуют контроля температуры и ограничены ресурсами. Кроме того, они не могут долго хранить энергию — обычно это 4-8 часов. Для энергосистемы, стремящейся к 100% возобновляемости, этого явно недостаточно.

Поэтому инженеры по всему миру ломают голову над тем, как создать более дешевые и эффективные системы накопления энергии. Один из путей — замена лития на более распространенный и недорогой натрий. Другой — разработка проточных окислительно-восстановительных батарей, в которых химические реакции происходят не на поверхности электродов, а в специальных резервуарах с жидкостями. Это позволит увеличивать емкость хранилища, просто добавляя еще жидкости. Есть и «железо-воздушные» батареи, где основным компонентом является… ржавчина!

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Механика в помощь: вращение и сжатие

Но не одними аккумуляторами жив мир хранения энергии. Инженеры обратили внимание и на механические системы. Маховик — это, по сути, тяжелое вращающееся колесо, которое накапливает энергию вращения. Подобная технология может очень быстро отдавать и принимать энергию, что делает ее незаменимой для быстрой «подзарядки» системы во время перепадов генерации.

Другой механический вариант — использование сжатого воздуха. Его закачивают в подземные пещеры, а затем, при необходимости, выпускают обратно, заставляя вращаться турбину. Такие системы требуют больших инфраструктурных проектов, но могут масштабироваться за счет расширения подземных хранилищ.

Тепло и газ: новые горизонты хранения

Инновации не обходят стороной и хранение энергии в виде тепла и газа. Ученые работают над системами, которые используют избыточную электроэнергию для нагрева воды или других материалов. Это тепло затем можно использовать для обогрева зданий или в промышленных процессах. Еще одно направление — хранение энергии путем сжатия газа, например, аргона.

Но, пожалуй, наиболее перспективный вариант для долгосрочного хранения — водород. Его можно получать из воды с помощью электролиза, а затем хранить в сжатом виде. При необходимости водород может быть использован в топливных элементах или турбинах для выработки электричества. Однако, пока технология не является идеальной: при преобразовании водорода в электричество теряется значительная часть энергии. И все же, водород может стать «спасательным кругом» в случае длительных периодов «темного затишья», когда другие методы хранения оказываются неэффективными.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Цена вопроса: кто заплатит за «зеленую» энергию?

Разработка новых способов хранения энергии — дело затратное. А ведь и литий-ионные аккумуляторы еще не так дешевы, как хотелось бы. Поэтому главная задача — найти экономически эффективные решения. Одна из проблем заключается в том, что рынок долгосрочного хранения энергии только начинает формироваться. Многие страны пока еще полагаются на ископаемое топливо для покрытия пиковых потребностей, и в таких условиях стоимость новых технологий кажется слишком высокой.

Одним из стимулов для развития «зеленых» технологий мог бы стать налог на выбросы углекислого газа. Но даже при наличии стимулов, остается вопрос: кто оплатит счета за хранение энергии? В конечном итоге, это могут быть потребители, которые увидят заметный рост счетов за коммунальные услуги. Поэтому нужны механизмы государственной поддержки и развития рынка.

Умное потребление: ключ к стабильности

Помимо развития технологий хранения, важно и разумное потребление энергии. «Умная» сеть должна автоматически перераспределять энергию, направляя ее в нужные моменты времени. Потребители могут поощряться за использование электроэнергии во время ее избытка (например, для зарядки электромобилей днем), а не в часы пик.

В конечном счете, переход к полностью возобновляемой энергетике требует комплексного подхода. Это не только разработка новых технологий, но и изменение потребительского поведения, и, конечно же, политическая воля для внедрения этих решений. Поиск идеального способа хранения энергии — это сложная головоломка, в которой необходимо учесть множество факторов. Но, судя по усилиям ученых и инженеров, это вызов, который человечество готово принять. И возможно, уже в ближайшем будущем мы увидим, как непостоянство солнца и ветра перестанет быть проблемой на пути к «зеленому» будущему.

3 комментария

Добавить комментарий

D
«литий-ионные батареи не могут хранить энергию долго (это 4-8 часов).» что за бред???
Gshelegia1969
А гравитационные накопители? Они самые дешевые и давно используются. Есть гидравлические и есть механические. Последние активно используются в китайских городах
a
Чего только европейцы не придумают, чтобы АЭС не строить.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему самолет АНТ-2 имел гофрированную обшивку и что такое кольчугалюминий

АНТ-2 — один из первых советских цельнометаллических самолётов, созданный в 1925 году под руководством Андрея Николаевича Туполева. Его облик сразу бросается в глаза из-за характерной...

Thorens PC650: технические особенности и судьба единственной кассетной деки виниловой марки

Коэффициент детонации 0,06% по стандарту WRMS и 0,12% по стандарту DIN инженеры получили за счет двухмоторного механизма с пассиковым приводом тонвала от тахорегулируемого электродвигателя. В...

Твой новый IPhone!? Обзор Poco F9 Pro: тесты и опыт эксплуатации + видеообзоры

Poco F9 Pro — тот случай, когда открываешь коробку и ещё до первого запуска понимаешь: перед тобой уже не тот Poco, который когда-то стоил копейки и просто разрывал рынок...

Почему лампы и экраны мерцают, хотя глаз этого не замечает: ШИМ, герцы и проверка камерой смартфона

Убавьте настольную лампу почти до минимума и наведите на неё камеру смартфона. Нередко на экране телефона по свету поползут тёмные полосы. Глазом их не видно, лампа светит ровно и спокойно. Но...

Три опоры вместо четырёх: как гидропневматика Citroën DS держала кузов без заднего колеса

В октябре 1955 года на Парижском автосалоне французские конструкторы представили седан Citroën DS с гидропневматической подвеской инженера Поля Маже. При снаряженной массе от 1150 до...

✦ ИИ  Почему старые жесткие диски надежнее SSD для резервного копирования

При покупке или самостоятельной сборке нового ПК пользователи уже не ограничиваются одними лишь жесткими дисками (HDD). Несмотря на более низкую цену, HDD уступают SSD по скорости и...