Нагнетание воздуха под землю

Установленная в сельской местности рядом с немецким городком Гунторф (около 100 км на юго-запад от Гамбурга) и имеющая обычный вид промышленная электростанция выполняет нетрадиционную задачу: при низком уровне электропотребления она использует излишки энергии для закачивания воздуха в две подземные соляные шахты общим объемом более 300 тыс. куб. м. Затем, в период пиковой нагрузки, сжатый воздух подается в расположенные на поверхности турбины, генерирующие электроэнергию.

Электростанция в Гунторфе, эксплуатируемая с 1978 г. и способная в течение трех часов обеспечить резервную мощность почти 300 МВт, приводится в действие около 100 раз в году. Но эта технология не нашла массового распространения.

Проблема заключается в том, что обслуживание воздухоаккумулирующей электростанции — CAES — является намного более сложным, чем принцип работы ее оборудования. При сжатии воздух сильно нагревается, данное обстоятельство ограничивает объем газовоздушной смеси, который можно закачать в подземный резервуар до того, как температура повысится до опасного уровня. Помимо этого, чем дольше хранится горячий газ, тем больше тепловой энергии теряется, проникая через стены шахты.

На электростанциях в Гунторфе и Макинтоше сжатый воздух подается в стандартные газовые турбины, что увеличивает эффективность системы. Таким образом, наиболее выгодным применение воздухоаккумулирующей технологии видится в составе генерирующих объектов на природном газе.

Электричество в коробке

Задача крупномасштабного аккумулирования энергии была бы уже решена, если бы генерирующие компании могли использовать повсеместно распространенные свинцово-кислотные батареи, почти столетие являющиеся основным типом автомобильных аккумуляторов. К сожалению, свинцово-кислотные накопители отличаются малым количеством циклов заряда-разряда и низкой плотностью энергии, кроме того, они более громоздкие и тяжелые по сравнению с другими аккумуляторами аналогичной емкости.

Более приемлемое решение — натрий-серные аккумуляторы (NaS), которые запасают энергию с помощью химической диссоциации полисульфидов натрия на чистые натрий и серу. Натрий-серные аккумуляторы характеризуются высокой плотностью энергии и способны выдержать несколько тысяч циклов заряда-разряда. Основной проблемой здесь становится хранение соды и серы в отдельных резервуарах в расплавленном состоянии при температуре около 300 °C. К тому же при полном разряде и охлаждении аккумулятор необратимо повреждается. Необходимость использования надежных контейнеров и соблюдения прочих технических требований увеличивает стоимость одного кВт мощности натрий-серных аккумуляторов до 3 тыс. долл.

Несмотря на это, коммерческое производство натрий-серных батарей налажено японской компанией NGK Insulators (Нагоя). Суммарная мощность работающих аккумуляторов подобного типа в Японии составляет около 300 МВт, причем энергия может подаваться в сеть в периоды пикового потребления в течение шести часов подряд. Другие страны также продвигаются в данном направлении. В США, например, мощность уже действующих натрий-серных аккумуляторов достигла 10 МВт.

В будущем крупномасштабные системы аккумулирования на основе натрий-серных батарей смогут конкурировать с решениями на литий-ионных аккумуляторах. Литий-ионные технологии, широко применяемые в мобильных телефонах и ноутбуках, а также активно разрабатываемые для электромобилей, отличаются высокой плотностью энергии и эффективностью более 90%. Их основным недостатком считается высокая цена, что частично является следствием жестких требований к безопасности: в аккумуляторах используется легковоспламеняемый раствор солей лития в органических веществах, это в свою очередь требует максимально надежной конструкции для предотвращения опасности возгорания. Каждый запасенный кВт•ч электроэнергии литий-ионных аккумуляторов стoит несколько сотен долларов. Для того чтобы указанная технология получила широкое распространение в автомобилестроении, стоимость аккумулирования энергии должна быть в пределах 100 долл./кВт•ч, а в электроэнергетической отрасли еще ниже.

Обеспечить безопасность батарей для стационарных систем намного проще и дешевле, чем накопителей энергии для мобильных устройств.