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

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.

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!

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.

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.