Действительно ли необходимо, чтобы источники возобновляемой энергии непременно обеспечивали базовую мощность?

Распространенный миф гласит, что поскольку некоторые виды возобновляемых источников энергии не обеспечивают базовой мощности, они требуют эквивалентного количества резервных мощностей на ископаемом топливе. Однако это просто не соответствует действительности. Поскольку энергоотдача ветра колеблется, ветровой источник может быть дополнен при необходимости какой-либо формой базовой мощности, которую можно быстро запускать или отдачу которой можно изменять за  относительно короткий промежуток времени. ГЭС и электростанции на природном газе являются обычным выбором для такого рода резервной мощности (AWEA 2008). Хотя природный газ и является ископаемым топливом, его сжигание дает лишь 45% углекислого газа, получаемого от сжигания угля, а ГЭС, разумеется, очень низкоуглеродный источник.

Нынешняя структура производства энергии включает уголь и атомную энергию в качестве  базовой мощности, в то время как природный газ и гидроэлектростанции, как правило, являются резервом для удовлетворения пикового спроса. Уголь – это дешевая, грязная технология, энергоотдача станции не может изменяться с легкостью. Уголь также характеризуется высокой начальной стоимостью инвестиций и большим временем их окупаемости. Гидроэнергия также дешевая, чистая технология, притом она хороша как для базовой нагрузки, так и для пиковой, но она ограничена имеющимися природными источниками. Природный газ является менее грязный, чем уголь, более дорогой и используется для покрытия пикового спроса. Ядерная энергетика является низкоуглеродным источником, но с чрезвычайно высокой стоимостью инвестиций и длительным временем окупаемости.

Возобновляемые источники можно использовать для замены некоторых высокоуглеродных источников энергии в энергосети и при этом добиться сокращения общих выбросов парниковых газов от производства энергии, даже если они не используются для обеспечения базовой мощности. Переменные возобновляемые источники могут обеспечить 10-20% нашего электричества в сочетании с гидро- и другими возобновляемыми источниками базовой нагрузки (см. ниже). Даже если быстрый рост ветровых и других переменных возобновляемых источников продолжится, пройдет  более десятилетия, прежде чем хранение энергии от переменных источников станет реальной необходимостью.

Возобновляемые источники базовой энергии

Конечно, лишь в идеальном мире возобновляемые источники могли бы отвечать всем нашим потребностям в энергии. Но есть и несколько реальных средств, с помощью которых возобновляемые источники энергии действительно могут обеспечить базовую мощность.

Концентрированное солнечное тепло

Одной из наиболее перспективных технологий возобновляемых источников энергии является концентрированная тепловая энергия солнца, при этом используется система зеркал или линз для фокусировки солнечного излучения на коллектор. Такая система может собирать и накапливать энергию в виде пара под давлением, расплавленных солей, материалов с фазовым переходом, или очищенного графита.

Первой пробой крупномасштабной тепловой солнечной башни  была Solar One в Калифорнийской пустыне Мохаве, построенная в 1981 году. Проект давал 10 мегаватт (МВт) электроэнергии за счет использования 1818 зеркал, концентрирующих солнечный свет на башню, в которой был применен высокотемпературный теплоноситель для доставки энергии к бойлеру на земле, пар от которого вращал серию турбин. Средой для хранения солнечной энергии была вода. Система была перестроена в 1995 году и переименована в Solar Two, как носитель энергии в ней использовалась расплавленная соль. В этом типе системы расплавленная соль при 290 ° С подается из холодного резервуара через приемник, где она нагревается до 565 ° С. Нагретая соль затем переходит в горячий резервуар (рис. 1). Когда необходима энергоотдача, горячая соль перекачивается в парогенератор, пар от которого приводит в действие паровой турбогенератор, вырабатывающий электрическую энергию (NREL 2001).

 

Рисунок 1: Схема Solar Two Power Tower  (NREL 2001)

Система Solar Two на расплавленной соли способна хранить достаточно энергии для производства электричества в течение трех часов после захода солнца. За счет хранения тепла электростанции башенного типа потенциально могут работать 65 процентов дней года без потребности в резервном источнике топлива. Первый коммерческий проект использования концентрированного солнечного тепла с хранением энергии в расплавленной соли - Andasol 1  - был завершен в Испании в 2009 году. Andasol 1 производит 50 МВт электроэнергии, и запас энергии в расплавленной соли достаточен для работы в течение примерно 7,5 часов.

Abengoa Solar, 280 МВт, солнечная электростанция в штате Аризона (Solana Generating Station) должна начать работу в 2013 году. Она также будет иметь систему с расплавленной солью, сохранение энергии до 6 часов. Энергокомпания Arizona Public Service заключила контракт на покупку энергии от этой станции по цене примерно 14 центов за киловатт-час.

Итальянская компания Enel недавно представила "Архимед", первую солнечную тепловую [электро]станцию концентрационного типа с использованием расплавленных солей как для аккумулирования тепла, так и для теплопередачи. Расплавленные соли могут работать при более высоких температурах, чем масла, что обспечивает "Архимеду" более высокие эффективность и мощность. С более высокими температурами хранения тепла, возможными при прямом использовании соли, "Архимед" может продлить время работы дольше, чем это возможно для работающих на нефти солнечных тепловых станций с хранением энергии в расплавленной соли. "Архимед" имеет мощность 5 МВт, с временем хранения 8 часов.
На юге Испании в 2011 году открыта станция Gemasolar. Она выдает 19.9 MW или около 110 гигаватт-часов энеггии в год. Gemasolar хранит энергию в расплавленной соли до 15 часов, обеспечивая таким образом подачу энергии 24 часа в сутки минимум 270 дней в году (74% от всех дней года).

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии представляет длинный список электростанций, использующих концентрированную тепловую энергию солнца, действующих, строящихся, и находящихся в процессе проектирования, многие из которых имеют системы хранения энергии. Короче говоря, хранение солнечной тепловой энергии в  расплавленной соли - это и реальность уже сейчас, и быстро растущая возможность.

Геотермальная энергия

Геотермальные системы извлекают энергию из воды, нагретой от горных пород глубоко под поверхностью Земли, и, следовательно, им не свойственна проблема непостоянства, имеющаяся других возобновляемых источников энергии, таких как ветровая и солнечная энергия. Комиссия экспертов пришла к заключению, что геотермальные источники могут производить около 100 гигаватт (ГВт) базисной мощности в США к середине века, что соответствует примерно в 10% от текущего потенциала генерации США (MIT 2006).  Группа также пришла к выводу, что инвестиции менее $1 млрд. в исследования и разработки геотермальной энергии могли бы сделать ее экономически жизнеспособной.

В этом докладе, инициированном MIT, основное внимание уделяется технологии, называемой расширенные или инженерные геотермальные системы (EGS), которые не требует идеальных геологических условий  и теоретически могут работать в любом месте. Создание станции EGS обычно включает бурение 10 - 12-дюймовой в диаметре скважины глубиной три-четыре километра, расширение существующих трещин в скале в нижней части скважины путем закачки воды под высоким давлением, и бурение второй скважины в зоне разломов. Вода, закачиваемая вниз через одну скважину, просачивается через щели в скале, нагревается и поступает обратно на поверхность через вторую скважину. Станция отбирает тепло и рециркулирует охлажденную воду обратно в трещины (MIT 2007).

В настоящее время в мире действуют 10,7 ГВт геотермальных мощностей, с 20% увеличением потенциала с 2005 года. США является мировым лидером в производстве геотермальной энергии с 3,1 ГВт установленной мощности от 77 электростанций (GEA 2010).

Накопление энергии ветра с использованием сжатого воздуха (CAES)

Изучались различные методы хранения энергии ветра, в том числе ГЭС с закачкой воды насосами, аккумуляторы, сверхпроводящие магниты, маховики, регенеративные топливные элементы, и CAES. CAES была определена как наиболее перспективная технология для хранения энергии ветра в промышленных масштабах в связи с относительно низкими затратами, низким воздействием на окружающую среду, и высокой надежностью (Cavallo 2005). Станции CAES в настоящее время функционируют в Huntorf, Германия (290 МВт, с 1978) и Macintosh, штат Алабама (110 МВт, с 1991). В последнее время системы этого типа рассматриваются как решение проблемы переменности, связанной с ветряными турбинами. По оценкам, более 80% территории США геологически подходит для таких подземных хранилищ. (Gardner and Haynes 2007).

Iowa Stored Energy Park был предложен для хранения воздуха в подземных геологических структурах во время периодов низкого спроса на энергию и сильного ветра. Проект, как планируется, будет сохранить 20-ти недельный запас сжатого воздуха для около 270 МВт генерирующих мощностей. Проект предполагается ввести в строй в 2015 году.

Аналогичная система была предложена для использования ветровой турбины с воздушным компрессором. Вместо производства электричества, каждая из ветряных турбин будет качать воздух в CAES. Этот подход имеет потенциал для экономии денег и повышения общей эффективности за счет устранения ненужного промежуточного этапа с выработкой электроэнергии между турбиной и компрессором (Gardner and Haynes 2007).

Хранение энергии с накачкой тепла

Другой перспективной технологией хранения энергии является накачка тепла между баками с горячим и холодным теплоизолированным гравием. Электроэнергия подается на вход системы, которая сжимает / расширяет воздух примерно до 500 ° С на горячей стороне и -150 ° С на холодной стороне. Воздух проходит через две массы щебня, где он отдает свое тепло / холод гравию. Для того, чтобы снова получить электричество, цикл исполняется в обратном порядке. Преимущества такой системы в том, что она займет относительно мало места, общая эффективность ее составляет примерно 75%, а гравий является очень дешевым и доступным материалом.

Отработанные аккумуляторы электрических транспортных средств (EV)

Поскольку гибриды и электромобили становятся все более распространенным явлением, существует возможность использовать отработанные батареи для хранения энергии электросети после завершения их автомобильной жизни, когда они еще имеют значительный потенциал емкости. General Motors занимается изучением этой возможности. Если достаточно большое число бывших батареи EV будут подключены к электросети, они могут обеспечить емкость для хранения энергии от переменных возобновляемых источников.

100% энергии от возобновляемых источников

 Консалтинговая фирма в области энергетики Ecofys представила доклад, детализирующий каким образом мы могли бы получать почти 100% энергии от возобновляемых источников к 2050 году.
 Примерно наполовину цель может быть достигнута за счет роста энергоэффективности и снижения потребности, вторая половина задачи решается за счет перехода на возобновляемые источники электричества. (Рис. 2)

Рис. 2 Глобальное энергопотребление 2000 – 2050 г. (Ecofys)

Stanford's Mark Jacobson и UC Davis' Mark Delucchi (J&D) недавно опубликовали исследование в журнале Energy Policy на тему возможности удовлетворения глобальной потребности в энергии за счет ветра, воды и солнца (WWS). Они пришли к выводу, что представляется возможным получать весь прирост производства энергии за счет WWS к 2030 г. и заменить на WWS ранее существовавшие источники энергии к 2050 г.

В Первой части своей работы J&D рассматривают технологии, энергоресурсы, инфраструктуру и материалы, необходимые для получения всей энергии из источников WWS.  Вторая часть посвящена вопросам переменности располагаемой энергии из источников WWS и стоимости их предложений. С учетом издержек, связанных с загрязнением воздуха и изменением климата , все WWS технологии будут дешевле традиционных (включая уголь) к 2020 или 2030 г. , а энергия сильных ветров на побережьях дешевле уже сейчас.

Резюме

Таким образом, есть несколько видов возобновляемых источников энергии, которые могут обеспечить базовую мощность. Кроме того, переменные возобновляемые источники энергии могут послужить заменой грязных источников, таких как уголь, хотя в настоящее время для них требуется резерв, например природный газ, который должен быть учтен в стоимости переменных источников. Пройдет еще более десяти лет, прежде чем мы сможем произвести достаточно энергии от переменных возобновляемых источников, чтобы потребовалось использование высокого уровня хранения, и есть несколько перспективных технологий для этого. Одно из исследований показало, что электросеть Великобритании может получать около 10-20% энергии из возобновляемых переменных источников  без "серьезных вопросов" (Carbon Trust and DTI 2003). К тому времени когда возобновляемые источники энергии начнут вытеснять значительную часть источников углеводородного поколения, можно ожидать даже вступления в игру новых технологий хранения. Министерство энергетики США сделало крупномасштабное хранение энергии одним из приоритетов в исследованиях, предоставив в последнее время 24,7 млн. долл. США на гранты для исследований в области масштабируемой технологии хранения энергии от переменных источников на уровне электросети в целом.  Несколько исследований посвящено планам покрытия почти 100% глобальной энергопотребности за счет возобновляемых источников к 2050 г.

Ответ написан dana1981. Последнее обновление 2 мая 2011 года.