Довготривале збереження енергії (Long-Duration Energy Storage, LDES) важливе для декарбонізації енергосистеми, але системи масштабу гігават-години, як і раніше, складні для практичної реалізації. Ось деякі з останніх інновацій, які охоплюють широкий спектр нових та старих ідей.
У міру впровадження відновлюваних джерел зростає попит на системи довготривалого зберігання енергії, переваги яких очевидні: зберігання чистої енергії та повернення сонячної та вітряної електроенергії назад у мережу в періоди пікового попиту набагато дешевше, ніж традиційна генерація енергії на основі викопного палива.
Складність полягає у масштабуванні систем зберігання енергії. Цікаві рішення зараз пропонують технології LDES.
Тривалість чи застосування?
Під LDES розуміються системи, що забезпечують зберігання енергії понад вісім годин. У доповіді американського федерального органу Національної лабораторії відновлюваної енергії (NREL) була "почата спроба змістити акцент у визначенні з тривалістю застосування", і стверджувалося, що тривалість зберігання "не вказує на те, як використовується накопичена енергія або яку цінність вона представляє для мережі" . Агентством перспективних дослідницьких проектів у галузі енергетики (ARPA-E) було запропоновано визначення "понад 10 годин". Цей опис найкраще підходить для більшості цілей та охоплює як нові технології, так і ті, які традиційно використовувалися протягом багатьох поколінь, наприклад гідроенергетику.
Потужність акумуляторів.
Літій-іонні акумулятори більш проблематичні щодо ємності та співвідношення потужності, тому вони вважаються дорожчими для тривалого зберігання. Сиріл Йі - директор Массачусетського фонду чистої енергії Grantham Foundation і колишній головний інноваційний директор кліматичної компанії Third Derivative, каже, що термін служби літій-іонних батарей не дуже великий - приблизно 3 000 циклів. "Мережеві активи, з якими комунальні підприємства звикли мати справу, зазвичай розраховані на 20 років. Не може бути й мови про те, щоб літієва батарея прослужила 20 років, та й інші технології та хімічні склади в батареях також небезпечні. Загалом щодо [LDES] ми налаштовані більш оптимістично.
Сем Лефлох керує галузевим сектором у компанії Third Derivative та займається питаннями промислової декарбонізації. "Якщо орієнтуватися на десятки чи сотні годин зберігання, доведеться лінійно збільшувати вартість обладнання, яке використовується для зарядки та розрядки", - каже він.
Запитання фінансування.
Незважаючи на те, що LDES є цікавим рішенням, для якого інвестиції можуть бути більш доступними з інноваційних і кліматичних фондів - і Йі, і Лефлох кажуть, що для стартапів доступ до капіталу ніколи не був проблемою - сектор відчуває труднощі з переходом від перспективних ідей до перспективним рішенням, а ключовим питанням у разі є монетизація.
"Єдине, що нас турбує, - це монетизація [LDES] у короткостроковій перспективі, тому що вона не обов'язково потрібна мережі, доки не буде досягнуто високого рівня проникнення відновлюваних джерел енергії - 50 із лишком відсотків", - каже Йі.
Старший аналітик Wood Mackenzie Кевін Шанг вважає, що комунальні служби є особливо обережними в цьому питанні. "Екосистема LDES та нові технології відносно нові для комунальних підприємств і існують лише в лабораторіях та дослідницьких інститутах", - каже Шанг. "Для комунальних підприємств пріоритетом є забезпечення стійкості, стабільності та безпеки енергосистеми. Тому вони вважають за краще не поспішати, але зараз ситуація покращується".
Акумулювання тепла.
Однією з особливо складних областей є акумулювання теплової енергії (TES) - технологія, яка залучила фінансування та перші комерційні установки, але ще не досягла достатнього рівня масштабування.
Постачальник обладнання для вітроенергетики та перетворення енергії Siemens Gamesa завершила свій масштабний демонстраційний проект у Гамбурзі, Німеччина. Представник компанії Gamesa Вероніка Діас Лопе розповіла, що демонстраційний майданчик протягом тижня зберігав до 130 МВт-год енергії у вигляді тепла від вулканічної породи.
"На початку травня 2022 року компанія Siemens Gamesa прийняла рішення припинити демонстраційну експлуатацію електротермічних накопичувачів енергії через відсутність комерційного ринку для великомасштабних накопичувачів", - пояснює Діас Лопес.
Тільки шведській компанії Azelio вдалося комерціалізувати своє рішення щодо зберігання енергію у вигляді тепла у переробленому алюмінії за температури до 600 С. Компанія розробила 13 систем, відомих як TES. Системи, що комерційно експлуатуються в ОАЕ, Швеції та Південній Африці, а найбільша установка забезпечує зберігання до 1,3 МВт-год енергії.
Берлінська TES-компанія Lumenion заявляє, що вона перейшла на зберігання енергії лише для використання як тепло для систем потужністю менше 100 МВт-год. Австралійська компанія 1414 Degrees модернізує систему зберігання теплової енергії.
Пропозиція в області TES від компанії MAN Energy Solutions, розташованої у Швейцарії, не викликала інтересу, тоді як промислові теплові насоси цієї компанії мають величезний попит. "На відміну від теплових насосів, у нас немає великого прогресу в галузі зберігання енергії", - говорить Раймонд Декорвет, старший менеджер по роботі з клієнтами в MAN. "Я думаю, це залежить від того, хто за це платить і кому це вигідно? Ми повинні знести бар'єри".
Однією з надій на TES, що залишилися, є Malta Inc, створена на базі компанії Google Alphabe, яка отримала понад 85 мільйонів доларів інвестицій. Malta Inc має демонстраційну установку для зберігання теплової енергії, встановлену в Південно-Західному дослідному інституті, некомерційній групі, розташованій у Техасі.
Надії на стиск.
Ще одна головна надія LDES, акумулювання енергії на стислому повітрі (CAES), має 50-річний досвід роботи, поступаючись з точки зору встановленого масштабу лише гідроакумуляторам. Дві установки працюють у Німеччині (потужністю 290 МВт) та Алабамі (110 МВт), з 1978 р. та 1991 р. відповідно. Дослідження, проведене 2002 року Науково-дослідним інститутом електроенергетики, показало, що близько 80% геологічних ресурсів США підходять для CAES.
Технологія накопичує енергію, стискаючи повітря та зберігаючи його у підземній порожнині чи контейнері. Коли необхідно повітря випускається і надає руху турбіни. Технологія цікава тим, що швидко запускається і може зберігати велику кількість енергії, а її вдосконалення все ще продовжується. Сьогодні станції CAES переживають бум у Китаї, де розробники використовують занедбані шахти. Найбільший у світі об'єкт CAES потужністю 350 МВт/1,4 ГВт-год розташований у соляній шахті Шаньдуна та найближчим часом може бути розширений до 600 МВт.
Канадська компанія Hydrostor, яка розробила запатентовану передову технологію зберігання енергії на стислому повітрі, є одним із найбільших гравців за межами Китаю. Компанія, що має капітал в 250 мільйонів доларів, включає в число своїх інвесторів Goldman Sachs. Серед проектів Hydrostor – розробка передової технології CAES потужністю від 300 до 500 МВт в Онтаріо. Компанія уклала угоду про купівлю електроенергії (PPA) з комунальною електричною компанією Central Coast Community Energy для об'єкта, що пропонується, потужністю 500 МВт у Каліфорнії.
Генеральний директор Hydrostor Кертіс Ван Валлегем каже, що компанія прагне покращити традиційні підходи до CAES, усунувши геологічні обмеження. Hydrostor advanced-CAES можуть бути розміщені "скрізь, де є тверда порода на глибині 600 м, тобто на більш ніж 50% земної кулі. Технологія A-CAES компанії Hydrostor може забезпечити ті ж мегавати та мегават-години, що і гідроелектростанції , використовуючи при цьому у 10 разів менше землі та у 20 разів менше води", - каже Ван Валлегем.
Генеральний директор стверджує, що ефективність рішення його компанії становить 60-65%, а капітальні витрати на систему "перебувають у діапазоні 2500 доларів США за кВт протягом восьми годин або 250-300 доларів США за кВт/год потужності зберігання, для активу з терміном служби 50 з лишком років без зниження продуктивності". Система монетизується через PPA.
Проточні батареї
Одна з найбільших надій у галузі електрохімії LDES – Form Energy, альтернативна компанія на ринку батарей із великими грошима. Компанія залучила понад 800 мільйонів доларів для створення залізо-повітряної батареї, яка може зберігати енергію протягом 100 годин за системних витрат, конкурентоспроможних порівняно із звичайними електростанціями. Перше підприємство Form з виробництва батарей будується у Вейртоні, Західна Вірджинія; випуск готової продукції очікується у 2024 році.
Проточні батареї є ще одним вектором надії. Проточні окисно-відновлювальні пристрої на основі ванадію добре вивчені, і в рамках китайського проекту 2022 року було встановлено систему ємністю 400 МВт-год. Інтерес викликають інші підходи з використанням матеріалів без дорогого ванадію.
Компанія ESS, зареєстрована на Нью-Йоркській фондовій біржі і спеціалізується на виробництві залізних проточних батарей, нещодавно вийшла на європейський ринок і з огляду на стрімке зростання інвестицій у відновлювані джерела енергії в США готова до збільшення попиту. Старший віце-президент з розвитку бізнесу та продажу ESS Х'ю Макдермотт каже, що компанія нарощує виробництво: "Ми швидко діємо, щоб встигнути зробити свій внесок у задоволення очікуваного попиту на ринку LDES. McKinsey & Company прогнозує, що до 2040 року тільки в США буде потрібно від 30 до 40 ТВт-год LDES". Річна виробнича потужність першої повністю автоматизованої лінії ESS із збирання батарей становить 75 МВт, при цьому планується збільшити потужність до 200 МВт.
"З точки зору сукупної вартості наші системи зберігання енергії значно дешевші, ніж літій-іонні, що пояснюється тим, що наша технологія не має обмежень щодо циклічності, а наші продукти розраховані на термін служби понад 20 років без деградації чи необхідності модернізації", - додає. Макдермотт.
Технологічна компанія Third Derivative підтримала півдюжини стартапів у галузі проточних батарей, включаючи нові покоління проточної хімії, в якій використовуються органічні сполуки та матеріали, альтернативні ванадію, такі як цинк-повітря. Однак, як каже Шанг з Wood Mackenzie: "Потрібні більш значні інвестиції. Головне, що розгортання [LDES] у великих масштабах має багато переваг. Для суспільства це є величезною перевагою, але зараз нам потрібно ще більше планувати, ще більше інвестувати та ще більше ми повинні інвестувати сьогодні, щоб отримати вигоду завтра".