Возобновляемые источники энергии

Мэтью Хатсон

Немецкое слово Dunkelflaute означает «темное депрессивное состояние». Оно леденит сердца инженеров, занимающихся возобновляемой энергетикой, которые используют его для обозначения затишья, когда солнечные панели и ветряные турбины блокируются облаками, ночью или неподвижным воздухом. В яркий безоблачный день солнечная ферма может генерировать огромное количество электроэнергии; когда порывисто, ветряные турбины оживляют окрестности. Но ночью солнечные батареи мало что делают, а в штиль воздушные турбины сидят бесполезно. Эти возобновляемые источники энергии перестанут возобновляться до тех пор, пока погода или планета не изменятся.

Из-за мрачного упадка электросетям становится трудно полностью полагаться на возобновляемые источники энергии. Энергетическим компаниям необходимо планировать не только отдельные штормы или безветренные ночи, но и Dunkelflaute, которые растягиваются на несколько дней или дольше. В прошлом году Европа пережила недельную «ветровую засуху», а в 2006 году на Гавайях было шесть недель подряд дождливых дней. В меньших масштабах фабрики, центры обработки данных и отдаленные сообщества, которые хотят перейти на полностью возобновляемые источники энергии, должны заполнить пробелы. Германия выводит из эксплуатации свои атомные электростанции и усердно работает над внедрением возобновляемых источников энергии, но из-за проблемы «перебоев» в поставках возобновляемой энергии она по-прежнему зависит от ископаемого топлива, включая импортируемый российский газ.

Очевидное решение – аккумуляторы. Самый распространенный вариант называется литий-ионным, или Li-ion, по названию химического процесса, благодаря которому он работает. Такие батареи питают все: от мобильных телефонов до электромобилей; их производство относительно недорогое, и они становятся дешевле. Но типичные модели исчерпывают запасенную энергию уже через три или четыре часа максимальной производительности, и, как знает каждый владелец iPhone, их емкость постепенно уменьшается с каждой перезарядкой. Сбор достаточного количества батарей для покрытия более длительных разрядов обходится дорого. А батареи могут загореться — за последние несколько лет объекты в Южной Корее возгорались десятки раз.

Венкат Шринивасан, ученый, который руководит Аргоннским совместным центром по науке о хранении энергии (ACCESS) в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, рассказал мне, что одной из самых больших проблем с литий-ионными батареями является их цепочка поставок. Батареи состоят из лития и кобальта. В 2020 году около семидесяти процентов мирового кобальта поступило из Демократической Республики Конго. «Если у нас не будет разнообразия, у нас будут проблемы», - сказал Шринивасан. Любое нарушение цепочки поставок может сильно повлиять на цены и доступность. Кроме того, для добычи металлов требуется много воды и энергии, что может нанести ущерб окружающей среде, а некоторые операции по добыче кобальта требуют использования детского труда. Эксперты сомневаются, что цены на литий-ионные аккумуляторы упадут более чем на тридцать процентов ниже нынешнего уровня без значительных технологических достижений — по мнению Министерства энергетики, это падение все еще слишком мало. Нам необходимо расширить наши возможности; по одной из оценок, к 2040 году нам потребуется как минимум в сто раз больше хранилищ, если мы хотим в значительной степени перейти на возобновляемые источники энергии и избежать климатической катастрофы. Мы можем каким-то образом найти чистые и надежные способы добычи, распространения и переработки ингредиентов для литий-ионных аккумуляторов. И все же это кажется маловероятным. Хотя мы обычно думаем о возобновляемой энергии с точки зрения ее источников, таких как ветряные турбины и солнечные панели, это только половина картины. В идеале мы бы объединили возобновляемую энергию с возобновляемым хранилищем.

У нас уже есть один вид возобновляемого хранилища энергии: более девяноста процентов мировых мощностей по хранению энергии находится в водохранилищах, что является частью замечательной, но невоспетой технологии, называемой гидроаккумулирующей гидроэнергетикой. Помимо прочего, «накачиваемая гидроэнергия» используется для сглаживания скачков спроса на электроэнергию. Моторы перекачивают воду вверх из реки или водоема в более высокий водоем; когда вода спускается вниз по склону, она вращает турбину, снова вырабатывая электроэнергию. Гидронасосная установка подобна гигантской постоянной батарее, которая заряжается, когда вода перекачивается вверх, и разряжается, когда она стекает вниз. Сооружения могут впечатлять: насосная станция округа Бат в Вирджинии состоит из двух раскинувшихся озер, расположенных на расстоянии около четверти мили друг от друга по высоте, среди покрытых деревьями склонов; в периоды высокого спроса через систему, которая обеспечивает электроэнергией сотни тысяч домов, может проходить каждую минуту тринадцать миллионов галлонов воды. Некоторые страны расширяют использование гидроэлектростанций, но строительство новых объектов в Соединенных Штатах достигло своего пика несколько десятилетий назад. Трудно найти подходящее географическое положение, трудно получить разрешения, а строительство идет медленно и дорого. Идет поиск новых подходов к хранению энергии.