Как обеспечить потребителя электричеством?

В чем сложность функционирования электрических сетей? Системы электроснабжения состоят из множества источников электроэнергии, которые соединены линиями электропередач с конечными потребителями — при помощи разнообразных систем распределения и систем преобразования электроэнергии. Она похожа на огромную паутину, которая плотно покрывает почти все континенты планеты.

Одна из главных проблем при управлении такой сетью состоит в том, что требуемая мощность в каждом регионе меняется в зависимости от времени суток.

Ночью, с полуночи и почти до 7 часов утра, энергопотребление минимальное. Потом люди начинают вставать, собираться и ехать по делам. Целый день они работают или учатся, возвращаются вечером домой, стирают, включают электроплиты для готовки и телевизоры для времяпрепровождения.

В часы утреннего и вечернего максимума, с 7:00 до 10:00 и с 17:00 до 21:00, потребление электроэнергии в несколько раз больше, чем ночью. А чтобы в сети был ток, надо, чтобы его выработали. Причем днем его надо в несколько раз больше, чем ночью.

Электричество вырабатывается по большей части на ТЭС, АЭС и ГЭС. И немножко — на солнечных станциях и ветрогенераторах.

На солнечных электростанциях электричество вырабатывается только днем. На ветроэлектростанциях — когда есть ветер. А нужна энергия и утром, и днем, и вечером. Но рано утром и вечером солнца нет, а ветер так ненадежен.

В свою очередь, АЭС и ГЭС весьма инертны, медленно запускаются и их сложно заставить уменьшить или увеличить выработку электричества. Более того, попытки увеличивать-уменьшать выработку электроэнергии на этих электростанциях чреваты авариями — такими, как было в Чернобыле в 1986 году и на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009-м.

Относительно быстро умеют включаться в электрогенерацию или отключаться от нее только ТЭС.

Но в часы пик потребителю требуется в разы больше электричества. Значит, большая часть тепловых электрогенераторов должна быть выключена всю ночь, стоять наготове с тем, чтобы включаться на несколько часов в день для обеспечения энергией во время пиковых нагрузок. Дороговато получается это обеспечение надежности снабжения электричеством потребителей.

Частично проблема решается тем, что ЛЭП связывают регионы в различных часовых поясах. Когда где-то уже пошли пиковые нагрузки, их может поддержать соседний регион, где пик уже прошел. Или еще не начался. Для этого надо построить тысячи километров ЛЭП, что тоже очень дорого.

Все большую популярность завоевывают технологии накопления энергии. Скажем, пока у нас ночь, лишнее электричество идет в специальные накопительные станции, откуда оно будет возвращено в сеть во время часа пик.

В мире существуют различные накопительные станции. Причем разработка таких станций приобретает большие масштабы.

• Предполагается, что к 2025 году в США будет около 1.3 ГВт.
• Китай к 2031 году планирует ввести системы хранения энергии на 46 ГВт, действуя, как всегда, без рекламы.

Какие бывают типы накопителей энергии?

Гравитационные (ГАЭС, ТАЭС). «Лишняя» ночная энергия тратится на подъем вверх неких тяжестей (насосы качают воду в высоко расположенные резервуары, система лебедок поднимает высоко вверх огромные тяжелые противовесы), а когда нагрузка в сети повышается, вода пускается вниз, заставляя турбины крутиться и давать электроэнергию. Или огромные каменные плиты, опускаясь под собственной тяжестью, заставляют работать электрогенераторы. КПД таких систем — от 75 до 85%. Таким способом можно запасти огромные запасы энергии, вплоть до многих ГВт/часов, но нужны свободные территории и большие капиталовложения.

Термические или солевые. Пока есть много лишней энергии, она тратится на нагрев теплоносителя, потом тепло снова перерабатывается в электричество. Тут КПД процесса — от 80 до 90%, но можно запасти от силы несколько МВт/часов.

Механические. Раскрутить тяжелый маховик, а когда надо будет — пусть он энергию вырабатывает. КПД — до 98%, но хранится эта энергия недолго, да и запасти можно от силы несколько КВт/часов.

Электрохимические, если проще — с помощью аккумуляторов или батареек. Запасти можно вплоть до МВт/часов, КПД — до 98%, но стоимость… Да и циклов заряд/разряд у аккумуляторов очень конечное число, при активном использовании за год-два их элементы просто придут в негодность.

Химические. Лишняя энергия тратится на производство, скажем, водорода, а потом водород, сгорая в турбинах или топках, отдаст свою энергию. Накопить тут можно хоть ГВт/часы, но КПД — максимум 45%.

Какие методы аккумуляции энергии выбирает человечество сегодня? Около 98% мощностей аккумуляторных станций в мире обеспечивают ГАЭС, в которых воду поднимают наверх насосами, а в час пик она, стекая вниз, крутит турбины и дает электричество.

Совсем недавно весь мир узнал об очередном достижении Илона Маска, который собрал в Австралии (г. Лонг-Бич) самую большую в мире литий-ионную аккумуляторную станцию. Ее емкость — 129 МВт/часов. Стоимость строительства составила около 66 млн. долларов. Емкость хранилища планируется довести до 190 МВт/часов. На общий баланс аккумуляторных станций в мире это почти не повлияло, но пиар был великолепен.

Наверное, использование литий-ионных батарей — прогрессивно и смело. Но для энергетики необходимы проверенные устройства с многократным дублированием. Ведь достаточно вспомнить, как сильно полыхали эти литий-ионные батареи в электромобилях «Тесла». А если такое же случится и тут? Пожар будет во много раз сильнее!

Под Гамбургом концерн «Сименс» строит тепловую аккумуляторную станцию. Электричество, выработанное солнечными и ветровыми станциями, планируют расходовать на подогрев огромной каменной массы. В час пик раскаленный камень будет превращать воду в пар, чтобы заработали дополнительные электрогенераторы.

В последнее время появилось несколько новых проектов гравитационных аккумуляторных станций. В них предполагается поднимать вверх не воду, а огромные твердотельные блоки. По расчетам ученых такая станция, высотой примерно в 300 метров, сможет аккумулировать ГВт/часы электричества, что могло бы решить проблему перебоев электричества даже в очень крупном промышленном регионе. Этот проект, автор которого профессор Эдвард Хейндль, рассчитан на аккумуляцию до 8 ГВт/часов, он сможет обеспечивать пиковые нагрузки огромных промышленных регионов.

Ученые полагают, что за твердотельными аккумуляторными станциями — будущее.

Ну, а остальной рынок аккумулирования электричества могут занять разные экспериментаторы с маховичными станциями или со станциями, прогревающими скальные массивы или аккумуляторные станции. Как говорится, поживем — увидим.