В июле, когда на улице печет солнце, так и хочется сказать: «Вот бы сохранить и унести с собой часть его света!» (погодные аномалии нынешнего лета в центральной России не в счет). И, словно бы подчиняясь данному желанию, главные отраслевые события июля 2019 г. были связаны с передачей и хранением электроэнергии, в первую очередь полученной от возобновляемых источников.
Постоянный ток в морских глубинах
Первые системы передачи электроэнергии в XX веке работали на постоянном токе. Затем был переход на переменный ток, который использовался почти весь XX век. Но в XXI веке наблюдается массовый переход обратно к постоянному току, но уже на новом технологическом уровне. Преимуществами передачи электроэнергии на постоянном токе (HVDC — Hight Voltage Direct Current, высоковольтная на постоянном токе) являются меньшие потери, а также отсутствие необходимости в синхронизации энергосистем на обоих концах линий электропередач, что особенно важно при обмене электроэнергией между странами. По данным американского исследовательского агентства Pioneer Reports, выручка производителей HVDC кабелей ежегодно растет на 6 — 8%. Согласно прогнозам этого агентства, обнародованным в июле, мировой рынок HVDC кабелей вырастет с 1270 млн. долл. в 2019 г. до 1960 млн. долл. в 2024 г.
Но особенно быстро этот процесс перехода на постоянный ток пошел именно в июле 2019 г., когда были анонсированы сразу несколько крупных HDVC проектов.
В первую очередь следует отметить начало реализации проекта подводной HDVC линии электропередач между Великобританией и Данией. Расстояние между конечными точками линии электропередач составляет 768 км, но придется проложить 1250 км кабеля под водой и около 135 км по суше. Это будет самая длинная подводная линия электропередач. Максимальная мощность, которую можно будет передать по линии, составляет 1,4 ГВт. Причем передача может осуществляться в обоих направлениях, то есть линия может использоваться для компенсации неравномерности выработки электроэнергии на объектах альтернативной генерации в обоих странах.
Бюджет проекта оценивается в 1,1 млрд евро, из которых 700 млн евро приходится на изготовление и укладку кабеля. Проект должен быть реализован до конца 2023 г. Тендер на поставку кабеля выиграла компания Prysmian, которая предложила принципиально новую технологию P-Laser. Суть этой технологии заключается в использовании в качестве изоляции специального термопластика вместо сшитого полиэтилена. Такой материал обеспечивает лучшие электрические характеристики, к тому же при производстве кабелей на основе термопластика гораздо меньше загрязняется окружающая среда. Применение изоляции из инновационного материала позволило повысить напряжение в кабеле до 525 кВ против 400 кВ у лучших образцов кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Впрочем, рекорд длины линии электропередач между Великобританией и Данией продержится недолго. В Австралии солнечные электростанции вырабатывают электроэнергии больше, чем требуется. Точнее, больше, чем современные технологии позволяют накопить — если брать среднесуточный баланс, то солнечные панели его пока не покрывают полностью. В июле 2019 г. был анонсирован проект подводной HDVC линии от Австралии до Сингапура, длина которой составит 3800 км. По ней будет из Австралии в Сингапур будет передаваться электроэнергия мощностью 3 ГВт. О сроках начала и завершения строительства пока не сообщается. Реализацией проекта займется сингапурская компания SunCable.
Одновременно SunCable была анонсирована HDVC линия между Евросоюзом из Израилем, которая пройдет через Средиземное море. Ее длина составит 1518 км. О том, в каком направлении будет передаваться электроэнергия, не сообщается, но можно предположить, что речь идет о снабжении Европы электроэнергией, выработанной на солнечных электростанциях Израиля.
Впрочем, применение HDVC кабелей — это не только «мегапроекты», но и реализация текущих нужд небольших регионов. Например, есть небольшой остров Шетланд, относящийся к Шотландии. Его нужды в электроэнергии покрываются небольшой местной электростанцией, которая уже изношена и должна быть выведена из эксплуатации в 2025 г. Вместо нее на острове строятся объекты солнечной и ветряной генерации. Их мощности с избытком хватает для нужд острова, еще можно и экспортировать электроэнергию. Но в ночные часы, а также в безветренную погоду острову придется импортировать электричество. Для решения проблемы к 2024 г. будет построена кабельная HVDC линия протяженностью 260 км, часть которой пройдет под водой. Эта линия свяжет остров Шетланд с основной частью Шотландии. Электроэнергия, в зависимости от ситуации, будет передаваться в обоих направлениях.
Где хранить энергию
Безусловно, современные HVDC системы позволяют передавать большие мощности между странами и регионами, тем не менее, им пока не под силу передать энергию хотя бы между четырьмя часовыми поясами. А ведь именно на солнечную энергетику, в которой выработка энергии зависит от времени суток, и делается ставка. Вот почему ученые и инженеры создают все новые и новые способы хранения электроэнергии.
В США приступают к проектированию гигантской гидроаккумулирующей станции мощностью 21,6 ГВт. Как ожидается, эта станция, которая расположится в штате Монтана, покроет 97% нужд энергосистемы США по сглаживанию пиков потребления. В том случае, если быстро решатся вопросы с финансированием и будущими клиентами станции, проект можно будет реализовать уже к 2024 году. В отличие от гидроаккумулирующих станций предыдущего поколения, данная станция сможет работать одновременно на генерацию и на закачку воды, а не только переключаться между двумя режимами. Также мощность насосов, закачивающих воду в хранилище, можно будет плавно регулировать. Все эти меры позволят отслеживать спонтанные изменения уровня генерации, характерные для альтернативной энергетики.
Швейцарская компания Energy Vault получила в июле кредит от инвестиционного банка в размере 110 млн долларов на строительство сети накопителей энергии по всему миру, работающих на принципе, известном уже много даже не сотен, а тысяч лет. В таком накопителе энергия накапливается путем подъема бетонных блоков массой 35 тонн каждый, а при их опускании электричество вырабатывается. Инновация заключается в облачном программном обеспечении, управляющим данным процессом. Первое такое хранилище должно заработать в конце 2019 г. на севере Италии.
Наконец, компания Highview Power предлагает хранить электроэнергию в виде... сжиженного воздуха. Разработанная ею система CryoBattery позволяет хранить на протяжении 10 часов до 2 ГВтч электроэнергии. При накоплении энергии воздух охлаждается до — 196 C, в результате чего он превращается в жидкость. Когда нужно отдавать энергию, твердый воздух нагревается, в результате чего происходит его переход в газообразное состояние. Воздух под большим давлением вращает турбину, вырабатывающую электроэнергию.
Будущее — за водородом?
Энергию, полученную от возобновляемых источников, удобно хранить в виде водорода. Под действием электричества вода разлагается на водород и кислород, при этом водородом заполняются специальные топливные элементы. Далее накопленный водород может использоваться как топливо для транспортных средств, либо для выработки электроэнергии в промежутки времени, когда ее в энергосистеме не хватает. Наконец, топливные элементы можно транспортировать даже на большие расстояния, чем сейчас позволяет передавать электроэнергию уже упоминавшаяся технология HVDC.
В июле было объявлено о начале строительства компаниями Alpiq и H2Energy в швейцарском городе Гёсген завода по производству топливных элементов на основе водорода. Энергия для него должна браться с местной гидроэлектростанции. Первые картриджи должны сойти с конвейера уже в конце 2019 г. Данный завод должен будет обслуживать грузовики Hyundai, работающие на водороде. Поскольку электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, относится к энергии, полученной из возобновляемых источников, формально эти грузовики будут ездить на 100% экологически чистом топливе. Напомним, что при сжигании водорода образуется только обычная вода, никаких вредных веществ. Кстати, стратегия Hyundai подразумевает активное развитие направления водородных автомобилей, в том числе и легковых.
Широкое внедрение водорода как средства хранения и передачи электроэнергии пока сдерживается рядом факторов, в том числе и дороговизной топливных элементов. В Германии сейчас рассматривается вопрос о доработке существующей инфраструктуры, рассчитанной на природный газ, чтобы использовать ее в будущем для хранения и транспортировке водорода. Министерство экономики Германии поручило 20 научным лабораториям провести исследования для решения данной задачи.
В то же время, аналитики опасаются, что частный бизнес в Германии не будет активно поддерживать внедрение водородных технологий, так как он уже сделал значительные вложения в электромобили. Тем не менее, компания Siemens открыла в восточной части Германии лабораторию, где будут исследовать возможность применения водорода в энергетике. Но, в любом случае, последнее слово останется за потребителями. А они пока относятся к водороду как к весьма небезопасному энергоносителю.
