Аккумуляторы все большей емкости: зачем?

Было бы гораздо легче расширить использование энергии солнца и ветра, если бы мы обладали более совершенными способами хранения большого количества электроэнергии, чтобы скомпенсировать прерывания в ее потоке.

Даже в солнечном Лос-Анджелесе стандартный дом с установленными на крыше фотовольтаическими панелями, которые обеспечивают его потребности, все равно столкнется с серьезной дневной нехваткой до 80 % в январе и дневным переизбытком на 65 % в мае. Такой дом можно отключить от сети электроснабжения, только если установить громоздкий и дорогой комплект литий-ионных аккумуляторов. Даже маленькая национальная сеть электроснабжения – мощностью от 10 до 30 ГВт – может полагаться на непостоянные источники только при наличии хранилища электроэнергии мощностью в несколько гигаватт, способного обеспечить несколько часов непрерывной работы.

С 2007 г. больше половины населения нашей планеты живет в городах. К 2050 г. численность горожан превысит 6,3 млрд человек и составит две трети всего населения, причем значительно увеличится количество городов-гигантов с населением больше 10 млн человек (см. главу «Расцвет городов-гигантов»). По большей части эти люди будут жить в высотных зданиях, и поэтому возможности для локальной генерации электроэнергии будут ограниченны, но им понадобится бесперебойное поступление электричества для нужд домов, услуг, промышленных предприятий и транспорта.

Представьте азиатский город-гигант, в котором пару дней бушует тайфун. Даже если магистральные линии электропередачи способны обеспечить более половины потребностей города, потребуется еще немало гигаватт-часов из хранилища, пока не будут восстановлены источники с непостоянной генерацией (или, возможно, придется подключить резервные мощности, произведенные на ископаемом топливе, – те самые, от которых мы стремимся избавиться).

Литий-ионные аккумуляторы используются для накопления энергии как в стационарном, так и в мобильном варианте. В качестве анода в них применяется литиевый сплав, а в качестве катода – графит (в обычных свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторах активными веществами электродов становятся двуокись свинца и свинец). Но, несмотря на гораздо более высокую энергоемкость, литий-ионные аккумуляторы все же не годятся для долговременного хранения больших запасов энергии. Самая большая накопительная система, состоящая из 18 000 литий-ионных аккумуляторов, строится в Лонг-Бич компанией AES Corp. для компании Southern California Edison. После ввода в строй в 2021 г. хранилище должно поддерживать мощность 100 МВт в течение четырех часов. Но 400 МВт·ч электроэнергии – это все еще на два порядка меньше, чем потребуется крупному азиатскому городу, если он лишится источников с непостоянной генерацией.

Итак, мы должны многократно увеличить объемы хранения: Но как? Энергоэффективность натрий-серных аккумуляторов выше, чем у литий-ионных, но горячий жидкий металл очень неудобен в качестве электролита. Проточные батареи, которые запасают энергию непосредственно в электролите, все еще находятся на стадии внедрения. Суперконденсаторы не способны поставлять энергию в течение достаточно долгого времени. А сжатый воздух и маховики – извечные любимчики популярной журналистики – были реализованы лишь в десятке небольших или средних проектов. Вероятно, в долговременном плане наши надежды будут связаны с дешевым электричеством, получаемым из солнечной энергии: с ним мы разложим воду при помощи электролиза и используем полученный водород в качестве универсального топлива, – однако перспективы такой водородной энергетики пока туманны.

Таким образом, для масштабного хранения энергии нам по-прежнему приходится рассчитывать на технологию, появившуюся в 1890-х гг.: водохранилище с насосным питанием. Вы строите один резервуар на возвышенности и трубами соединяете его с другим, расположенным ниже, а затем используете более дешевое электричество, ночью перекачивая насосами воду наверх, чтобы она вращала турбины в периоды пиковых нагрузок. На гидроаккумуляцию приходится 99 % мирового объема хранилищ электроэнергии, но при этом приходится мириться с неизбежными потерями порядка 25 %. Многие такие хранилища обеспечивают мощность 1 ГВт – максимум до 3 ГВт – в течение недолгого времени, но для мегаполиса, полностью зависящего от солнечной и ветровой генерации, потребуется несколько подобных сооружений.

Однако большинство городов-гигантов расположены вдали от крутых склонов или глубоких горных долин, которые нужны для гидроаккумуляции. Многие – в том числе Шанхай, Калькутта и Карачи – находятся на прибрежных равнинах. Гидроаккумуляция для них возможна только при условии передачи электроэнергии на дальние расстояния.

Необходимость в более компактных, более гибких, масштабных и дешевых хранилищах электрической энергии самоочевидна. Но чудо к нам не торопится.

Корабли на электричестве: пока все трудно

Почти вся ваша одежда и бытовые приборы когда-то побывали в стальных контейнерах на морских судах. Эти корабли шли из Азии, и в движение их приводили дизельные установки, загрязняя воздух микрочастицами и углекислым газом. Очевидно, вы думаете, что это можно исправить.

В конце концов, мы уже больше ста лет используем электровозы и больше полувека – скоростные пассажирские поезда, а в последнее время во всем мире резко вырос парк электромобилей. Почему бы не сделать электрические контейнеровозы?

На самом деле в 2020 г. на воду планировалось спустить первый такой корабль – Yara Birkeland, построенный в Норвегии компанией Marin Teknikk. Это не только первый в мире контейнеровоз на электрической тяге, не загрязняющий окру- жающую среду, но и первое автономное торговое судно.

И все же нам пока еще рано списывать со счетов гигантские дизельные суда, которые так важны для глобальной экономики. Вот приблизительные расчеты, которые объясняют почему…

Контейнеры бывают разных размеров, но большинство из них – стандартные 20-футовые эквиваленты (TEU, twenty-foot equivalent unit); это прямоугольные параллелепипеды длиной 20 футов (6,1 м) и шириной 8 футов (2,4 м). Первые контейнеровозы небольшого размера, появившиеся в 1960-х гг., вмещали несколько сотен TEU; в настоящее время четыре судна, спущенные на воду в 2019 г. и принадлежащие компании MSC Switzerland (Gülsün, Samar, Leni и Mia), способны перевозить по 23 756 TEU – это рекорд. На малом ходу (16 узлов, ради экономии топлива) они могут преодолеть более 21 000 км, отделяющих Гонконг от Гамбурга (через Суэцкий канал), всего за 30 дней.

А что же Yara Birkeland? Он может взять на борт всего 120 TEU, его скорость – 6 узлов, а самый длинный предполагаемый маршрут – 30 морских миль: он курсирует между полуостровом Херойя и городом Ларвик в Норвегии. Таким образом, сегодня самый современный дизельный контейнеровоз перевозит почти в 200 раз больше контейнеров на расстояние в 400 раз больше со скоростью, в три или четыре раза превышающей скорость первого контейнерного корабля на электрической тяге.

Модель контейнеровоза Yara Birkeland

Что нужно, чтобы построить судно с электрической силовой установкой, способное взять на борт 18 000 TEU – стандарт для межконтинентальных перевозок? За 31 день плавания современное дизельное судно сжигает 4650 тонн топлива (низкокачественный топочный мазут или дизельное топливо), и каждая тонна содержит 42 ГДж энергии. Таким образом, плотность энергии составляет около 11 700 Вт·ч/кг – сравните с 300 Вт·ч/кг у современных литий-ионных аккумуляторов: разница больше почти в 40 раз.

Совокупная потребность в топливе для такого путешествия составляет приблизительно 195 ТДж, или 54 ГВт·ч. Большие дизельные двигатели (а на контейнеровозах устанавливаются одни из самых больших) имеют КПД, почти равный 50 %, и это значит, что энергия, которая реально используется на продвижение судна, составляет половину совокупной потребности в топливе, то есть 27 ГВт·ч. Чтобы удовлетворить такую потребность, большим электродвигателям с КПД 90 % понадобится около 30 ГВт·ч электричества.

Если оснастить судно лучшими из выпускаемых сегодня литий-ионных аккумуляторов (300 Вт·ч/кг), для путешествия из Азии в Европу продолжительностью один месяц без захода в порты их требуемая масса составит 100 000 тонн (для сравнения: литий-ионный аккумулятор электромобиля весит 500 кг, или 0,5 тонн). На аккумуляторы придется около 40 % грузоподъемности контейнеровоза, что экономически невыгодно, не говоря уже о трудностях, связанных с их зарядкой и обслуживанием. А даже если нам удастся повысить плотность энергии до 500 Вт·ч/кг раньше, чем мы того ожидаем, контейнеровозу грузоподъемностью 18 000 TEU потребуется почти 60 000 тонн аккумуляторов для преодоления межконтинентальных маршрутов с относительно небольшой скоростью.

Вывод очевиден. Для того чтобы построить судно с электрической силовой установкой, аккумуляторы и двигатели которого весят не больше, чем топливо (5000 тонн) и дизельный двигатель (2000 тонн) у современных контейнеровозов, нам понадобятся аккумуляторы с плотностью энергии более чем в 10 раз превышающей ту, которой обладают лучшие из современных литий-ионных батарей.

Но это чрезвычайно сложная задача: за последние 70 лет плотность энергии лучших промышленных аккумуляторов увеличилась менее чем в четыре раза.