У электричества есть неудобное свойство: в сети его нужно вырабатывать ровно столько, сколько потребляется в данную секунду. Уголь можно сложить в кучу, газ закачать в хранилище, а электрический ток «на склад» не положишь. Чтобы его сохранить, приходится превращать его в какой-то другой вид энергии, а потом обратно — неизбежно с потерями.
Зачем вообще это нужно
Потребление меняется в течение суток: утром и вечером оно выше, ночью падает. Крупные тепловые и атомные станции не любят частых изменений режима. А солнечные и ветровые установки и вовсе вырабатывают энергию тогда, когда светит и дует, а не тогда, когда она нужна. Накопитель сглаживает эти несовпадения: забирает излишки и отдаёт их в часы нехватки.
Вторая большая область — всё, что работает без провода: телефоны, инструменты, автомобили.
Химия: от вольтова столба к литию
Первый химический источник тока создал Алессандро Вольта в 1800 году. Он давал ток, пока не расходовались его материалы. Перезаряжаемый свинцово-кислотный аккумулятор появился в середине XIX века, и его потомки до сих пор запускают двигатели автомобилей: они дёшевы, надёжны, но тяжелы.
Переворот произвели литий-ионные аккумуляторы. Литий — самый лёгкий из металлов, и батарея на его основе запасает в несколько раз больше энергии на килограмм массы, чем свинцовая. Основы технологии заложили в 1970–1980-х годах, в продаже такие батареи появились в начале 1990-х, а в 2019 году их создателям — Джону Гуденафу, Стэнли Уиттингему и Акире Ёсино — присудили Нобелевскую премию по химии.
Внутри литий-ионной ячейки ионы лития при зарядке переходят из одного электрода в другой, а при разрядке возвращаются, и во внешней цепи при этом течёт ток. Слабые места тоже известны: постепенная потеря ёмкости, чувствительность к перегреву и холоду, необходимость добывать литий, кобальт, никель и перерабатывать отслужившие батареи.
Механика: поднять воду, раскрутить маховик
Самый массовый способ хранить энергию в масштабе энергосистемы совсем не похож на батарейку. Это гидроаккумулирующие станции: избыток электричества тратится на перекачку воды в верхний водоём, а при необходимости вода спускается через турбины. Такие станции служат десятилетиями и возвращают примерно три четверти затраченного, но им нужен подходящий рельеф.
На том же принципе — запасти энергию в положении или движении тела — основаны другие устройства. Сжатый воздух закачивают в подземные полости и потом выпускают через турбину. Тяжёлый маховик раскручивают в вакуумной камере; он отдаёт энергию очень быстро и годится для сглаживания коротких скачков.
Тепло и водород
Энергию можно хранить в виде тепла. На солнечных тепловых станциях днём нагревают расплавленную соль в теплоизолированных баках, а вечером её жар превращает воду в пар для турбины. В быту тот же принцип использует обычный бак с горячей водой.
Ещё один путь — водород. Электрический ток разлагает воду на водород и кислород; водород можно хранить, перевозить, а потом сжечь или пропустить через топливный элемент, получив электричество снова. Привлекает здесь возможность хранить энергию неделями и месяцами — например, с лета до зимы. Отталкивают потери: на круге «электричество — водород — электричество» теряется больше половины. К тому же водород сложно хранить: он очень лёгкий и легко просачивается.
Почему нет одного лучшего способа
Накопители сравнивают сразу по нескольким признакам, и выиграть по всем невозможно.
- Сколько энергии на единицу массы и объёма — важно для транспорта и почти безразлично для станции в чистом поле.
- Как быстро отдаёт — маховики и конденсаторы работают доли секунды, водохранилище — часы.
- Как долго хранит — батарея понемногу разряжается сама, водород и вода в верхнем бассейне ждут сколько угодно.
- Доля возврата и срок службы — сколько теряется на каждом цикле и сколько циклов выдержит устройство.
- Цена и материалы.
Поэтому в энергетике будущего, судя по всему, будет не один способ, а несколько: батареи для минут и часов, вода для суток, тепло и химическое топливо для долгих сроков. Задача хранения оказалась не менее важной, чем сама выработка, — и, пожалуй, более трудной.
