Если переход к возобновляемым источникам энергии будет успешным, нам понадобятся жизнеспособные средства хранения избыточного тепла и электроэнергии. Компания Globe поговорила с экспертами из ETH Zurich о многообещающих технологиях, которые могут помочь нам достичь нулевого уровня выбросов.

Швейцария стремится к 2050 году перейти на энергетическую систему с нулевыми выбросами. Для достижения этой цели ей потребуется заменить ископаемое топливо возобновляемыми источниками энергии. Швейцарское правительство также приняло решение о поэтапном отказе от атомной энергетики . В результате его планы по углеродной нейтральности потребуют не только электрификации транспорта и отопления с помощью электромобилей и тепловых насосов , но и мер по компенсации потерь атомных генерирующих мощностей. Чтобы удовлетворить растущий спрос на энергию , Швейцария в первую очередь будет полагаться на гидро- и фотоэлектрические источники энергии и, в меньшей степени, на энергию ветра.

Но как насчет тех времен, когда не светит солнце и не дует ветер? «Сеть должна постоянно сглаживать колебания возобновляемой генерации и обеспечивать соответствие спроса и предложения», — говорит Габриэла Хуг, профессор Лаборатории энергетических систем в ETH Zurich. Хуг также возглавляет Энергетический научный центр ETH (ESC), который недавно выпустил модель, показывающую, что система возобновляемых источников энергии технически осуществима и экономически жизнеспособна.

«Очевидно, что это будет непросто», — признает Хуг. «А без эффективного хранения энергии переход на возобновляемые источники энергии будет даже невозможен». Системы накопления энергии стабилизируют энергосистему, обеспечивая необходимую мощность для компенсации неустойчивости генерации из возобновляемых источников, таких как солнечная, ветровая и гидроэнергетика. Для этого требуются технологии, способные эффективно преобразовывать электроэнергию и тепло в форму, которую можно хранить, а затем по мере необходимости возвращать в сеть — будь то на сезонной или поминутной основе.

Если Швейцария начнет больше инвестировать в фотоэлектричество, она в конечном итоге будет производить больше энергии, чем ей нужно в полдень летнего дня. Чтобы сделать эту полуденную солнечную энергию доступной как днем, так и ночью, ей нужны решения для краткосрочного хранения. «Но на самом деле самая большая проблема Швейцарии — это долгосрочное хранение», — говорит Хуг.

Зимой страна уже производит слишком мало электроэнергии и полагается на импорт для покрытия возросшего спроса, и этот сезонный дисбаланс будет только усиливаться по мере ускорения перехода к возобновляемым источникам энергии. «В частности, летом фотоэлектрические установки вырабатывают избыточную электроэнергию», — говорит Джанфранко Гуидати, эксперт по моделированию энергетических систем в ESC. «Но зимой солнце слабее, а тепловые насосы согревают дома людей — именно тогда мы видим разрыв между спросом и предложением энергии».

Ключевой вопрос для Швейцарии заключается в том, как сохранить эту избыточную солнечную энергию с лета на зиму. Учитывая явно растущий спрос на системы хранения, Хуг утверждает, что наиболее безопасным подходом является инвестирование как в устоявшиеся, так и в новые технологии: «Мы до сих пор не придумали идеального решения для хранения энергии».

Тем не менее, хранение энергии не должно рассматриваться как самоцель, говорит Гуидати. «Цель Швейцарии — добиться нулевого уровня выбросов парниковых газов к 2050 году. Хранение имеет решающее значение, но это не единственный способ помочь нам достичь этой цели». Он считает, что мы должны использовать косвенные методы хранения энергии, а также физическую емкость. «Нам нужно использовать смешанный подход», — говорит он. В следующих разделах представлены некоторые из методов, которые могут быть представлены в этом сочетании.

Русловые и гидроаккумуляторы в качестве буферных резервов

Роберт Боес, профессор гидротехники ETH, считает гидроэнергетику основой швейцарской электроэнергетической системы: «Гидроэнергетика — наш самый важный экологически чистый энергетический актив, на долю которого приходится около 60 процентов нашей возобновляемой генерации. Ее способность накапливать энергию также играет ключевую роль. в нашей стратегии чистого нуля».

Русловые гидроэлектростанции направляют воду непосредственно в турбины, вырабатывающие электроэнергию, для обеспечения возобновляемой базовой мощности. Эти виды установок не имеют функции хранения, в отличие от резервуарных установок, которые могут хранить воду для обеспечения гибких генерирующих мощностей по требованию. Большие водохранилища в Альпах в первую очередь служат формой сезонного хранения энергии.

«Дождевая и талая вода, которую они собирают весной и летом, может использоваться для выработки электроэнергии зимой», — говорит Боес. Тем не менее, сколько бы энергии ни генерировали эти большие озера, они по-прежнему не могут ее хранить.

Только гидроаккумулирующие электростанции могут накапливать электроэнергию. Они делают это, перекачивая воду из нижнего резервуара в верхний, а затем опорожняя верхний резервуар через турбины для выработки электроэнергии по требованию. В настоящее время гидроаккумулирующие установки являются единственной проверенной технологией сбора и высвобождения больших объемов электроэнергии.

Он предлагает мощные и гибкие возможности хранения, что делает его идеальным выбором для балансировки дневной и ночной изменчивости выработки фотоэлектрической энергии. Тем не менее, его мощность недостаточна для устранения сезонных колебаний выработки электроэнергии.

Один из способов сократить дефицит энергии в зимнее время — построить больше водохранилищ, но этот подход вызывает споры. Такие проекты часто противоречат целям охраны природы и встречают сопротивление. «Я не думаю, что этот вариант многообещающий», — говорит Боэс. «Гидроэнергетика — это зрелая и очень эффективная технология, но экологическим аспектам, таким как ответственное управление водными ресурсами, уделяется недостаточно внимания».

Исследователи из Лаборатории гидравлики, гидрологии и гляциологии (VAW) ETH Zurich в настоящее время ищут способы сделать гидроэнергетику более экологичной. Примеры включают улучшенные обходные туннели для наносов и рыбоходы для безопасного направления рыбы мимо водозаборных отверстий и турбин. «Гидроэнергетика не получит широкого признания, пока она не сделает больше для защиты биоразнообразия», — говорит Боэс.

Децентрализованное хранилище малого масштаба

В самой сети батареи могут действовать как своего рода миниатюрные насосно-аккумулирующие устройства. Если в будущем у нас будет больше децентрализованных систем, вырабатывающих электроэнергию на крышах домов, нам потребуются распределенные устройства хранения небольшого масштаба для выполнения балансировки локальной сети. Подобно гидроаккумулирующим системам, батареи можно использовать для быстрого баланса производства и спроса. «Поскольку размер батареи можно легко настроить в соответствии с приложением, они подходят для использования в качестве децентрализованных устройств хранения энергии в зданиях», — говорит профессор ETH Ванесса Вуд.

В сочетании с фотогальваническими панелями батареи могут снизить нагрузку на сеть, обеспечивая локальное хранение избыточной электроэнергии в течение нескольких минут или часов. Однако, если бы вся солнечная энергия, вырабатываемая в часы пик в жилых районах, подавалась на ограниченное количество гидроаккумулирующих электростанций в горах, это могло бы привести к узким местам в энергосистеме.

На быстро развивающемся рынке аккумуляторов для дома и электромобилей последние разработки включают в себя первые аккумуляторы для населенных пунктов, предназначенные для компенсации кратковременных колебаний мощности на уровне района.

«Следующий ключевой шаг — сделать аккумуляторы еще более эффективными, чтобы они могли выполнять больше циклов зарядки до потери производительности», — говорит Вуд, который проводит исследования, чтобы понять ограничения существующих аккумуляторов и продемонстрировать новые концепции аккумуляторов. «В то же время мы должны найти заменители проблемного сырья и разработать методы вторичной переработки батарей с низкими затратами, не используя слишком много энергии». Исследователи во всем мире уже работают над решением.

Сезонное хранение тепловой энергии

В идеальной энергетической системе мы должны использовать избыточную солнечную энергию, произведенную летом, для удовлетворения возросшего спроса на отопление зимой. Хранение больших объемов электроэнергии в течение нескольких месяцев пока нецелесообразно с финансовой точки зрения, но есть один способ перевести солнечное лето в зимние месяцы: хранение тепловой энергии. «Экономичная технология уже доступна и хорошо зарекомендовала себя в таких странах, как Дания», — говорит Гуидати. Тем не менее, хранение тепловой энергии остается относительно малоизученной темой в Швейцарии.

Технология сезонного накопления тепловой энергии (STES) улавливает тепло летом и отдает его зимой. Для этого требуются большие резервуары тепла, такие как бассейны, резервуары или водоносные слои под землей. В них хранится теплая вода, которая летом нагревается с помощью тепловых насосов и избыточной солнечной энергии. Перенося производство тепла на летние месяцы, системы STES снижают спрос на электроэнергию зимой и помогают сократить дефицит энергии. Гуидати считает, что хранение тепловой энергии будет играть важную роль в Швейцарии в будущем.

Хранение в энергоносителях

Есть только один способ хранить электроэнергию бесконечно долго, по крайней мере, в обозримом будущем. «Если мы когда-нибудь достигнем точки летом, когда исчерпаем все варианты краткосрочного хранения и все еще будем иметь излишки электроэнергии, — говорит Гуидати, — тогда — и только тогда — мы должны рассмотреть вопрос о преобразовании ее в хранимый энергоноситель. » Он имеет в виду, конечно, большие дебаты о водороде.

Идея состоит в том, чтобы использовать избыточную энергию для электролиза воды на водород и кислород. Затем водород можно хранить в подходящей форме и зимой превращать обратно в тепло и электричество с помощью газовой турбины или топливного элемента. В качестве альтернативы водород может быть объединен с захваченным CO ₂ для получения синтетического метана. Это не только имеет более высокую плотность энергии, но также может подаваться непосредственно в существующую газовую сеть. Всего один дополнительный шаг — это все, что нужно для получения углеродно-нейтрального жидкого топлива для авиации или судоходства.

«Пока ни один из этих методов не установлен, и многие из них финансово нежизнеспособны», — говорит Хуг. Сингазы, безусловно, могут служить долговременным хранилищем солнечной энергии, вырабатываемой летом, но большинство методов, используемых для их обратного преобразования в тепло и электричество, неэффективны. «Самый эффективный способ использовать избыточную электроэнергию — это направить ее напрямую в какой-то другой канал, например, на зарядку электромобилей», — говорит Хуг. Тем не менее, она считает синтетическое топливо жизнеспособным для применений, которые трудно электрифицировать.

Гравитационные батареи и накопители энергии на сжатом воздухе

Когда дело доходит до краткосрочного хранения энергии, гидроаккумулирующие электростанции и аккумуляторы — не единственный вариант. Гравитационные батареи накапливают потенциальную энергию, а затем преобразуют ее в электричество, подобно системам гидроаккумулирования. Но вместо того, чтобы использовать воду, они запасают потенциальную энергию в массе, которая поднимается и опускается, например, краном.

Еще одна альтернатива, хотя и менее эффективная, — системы хранения энергии на сжатом воздухе . Они работают, накачивая воздух в резервуар или сосуд для производства сжатого воздуха; затем это можно использовать для привода газовой турбины, чтобы быстро компенсировать дисбаланс нагрузки в сети. Хотя определенное количество тепла теряется при сжатии, большая часть произведенного тепла может быть восстановлена ​​путем хранения и повторного использования при разгрузке.

Более эффективным, но и более дорогим вариантом является маховик: они ближе к батареям с точки зрения емкости, но они сохраняют энергию в виде кинетической энергии вращения всего на несколько минут за раз, опять же, чтобы помочь стабилизировать мощность. сетки.

Умные энергетические сети

Все исследователи стремятся подчеркнуть, что физические системы хранения — не единственный вариант. Существуют и другие подходы, которые действуют косвенно, как хранилище, и помогают сделать систему более гибкой. Например, цифровые и автоматизированные электросети могут отслеживать производство и потребление в режиме реального времени, чтобы наилучшим образом использовать имеющиеся ресурсы.

«В будущем интеллектуальное управление сетью позволит нам управлять энергосетями ближе к их максимальным предельным значениям», — говорит эксперт по сетям Хуг. В случае успеха это повысит эффективность системы и снизит потребность в операционных резервах.

Спрос также должен стать более гибким, чтобы мы могли максимально использовать электроэнергию, доступную в любой момент времени. Интеллектуальное управление нагрузкой может помочь уменьшить потребность в хранении электроэнергии, говорит Гуидати, приводя пример электронной мобильности: «Электромобили — это мобильные батареи, которые могут помочь поглотить пики фотоэлектрической генерации в дневное время». Это требует развертывания зарядных станций в местах, где автомобили обычно проводят день, например, на рабочих местах, автостоянках и парковочных местах недалеко от центра города.

Импортная энергия

По расчетам ESC, Швейцарии также необходимо увеличить производство электроэнергии в зимний период. Помимо наращивания запасов гидроэнергии, это также будет означать инвестиции в альпийские фотоэлектрические установки, геотермальную энергию или газовые электростанции, работающие на биогазе или синтез-газе. Тем не менее Хуг отвергает идею самодостаточности, потому что любая попытка Швейцарии удовлетворить все свои собственные потребности в электроэнергии была бы неэффективной и чрезвычайно дорогой.

Таким образом, Швейцария будет по-прежнему производить меньше электроэнергии, чем ей нужно, что будет означать постоянную зависимость от импортируемой энергии. «Наши модели показывают, что безопасная и доступная энергетическая система также требует бесперебойной и эффективной передачи электроэнергии в близлежащие страны и из них», — говорит Хуг.

В отличие от Швейцарии, в Северной Европе зимой много электроэнергии, потому что такие страны, как Дания, вложили значительные средства в производство ветровой энергии, пик которой приходится на зимний период. Таким образом, Швейцария могла бы импортировать энергию ветра зимой и экспортировать солнечную энергию в виде гидроаккумулирующей энергии летом, чтобы быстро исправить дисбаланс нагрузки в сети.

Это разумный подход, потому что все выигрывают, когда страны уравновешивают свои различные генерирующие мощности за счет торговли электроэнергией. Однако отсутствие соглашения об электроэнергетике затрудняет трансграничную торговлю электроэнергией с ЕС. «Вот почему регулируемый доступ к европейскому рынку электроэнергии был бы таким важным шагом для Швейцарии», — говорит Хуг.

Для успешного перехода к возобновляемым источникам энергии Швейцарии потребуется не только широкий набор технологий, но и комплекс решений, начиная от децентрализованного производства энергии и заканчивая международными торговыми соглашениями.