Наиболее перспективные технологии крупномасштабного хранения энергии

У водорода и аммиака примерно одинаковая энергоемкость и стоимость. Однако, поскольку «жидкий аммиак» имеет на 50 % большую плотность энергии, чем «жидкий водород», экономическая выгода этого ресурса может оказаться выше

Существует четыре основных способа хранения энергии: электрический, электрохимический, механический и химический.

Электрический способ накопления энергии

В качестве накопителей электрической энергии в основном используются сверхпроводники и суперконденсаторы (ионисторы, ультраконденсаторы). Сверхпроводники обладают очень высокой эффективностью, но их относительно низкая накопительная емкость, плотность энергии и интенсивные периодические потери энергии (саморазряд) ограничивают крупномасштабную интеграцию технологий на их основе в энергетические системы.

Кроме того, учитывая, что наиболее важным свойством для большинства технологий хранения энергии является их стоимость, то применение сверхпроводников в этих целях будет иметь чрезмерно высокую цену. Суперконденсаторы пока можно рассматривать только в качестве кратковременного средства хранения энергии в небольшом количестве. На современном этапе развития технологий электрический способ накопления электроэнергии не подходит для долгосрочного крупномасштабного применения.

Электрохимический способ накопления энергии

Он представлен четырьмя основными типами аккумуляторных батарей (проточные окислительно-восстановительные, свинцово-кислотные, литий-ионные и высокотемпературные). Литий-ионная технология обладает самой высокой эффективностью и накопительной емкостью по сравнению со всеми остальными методами, которые используются в аккумуляторах, и предположительно она будет доминировать в будущем, поскольку ее стоимость постоянно снижается, а производительность растет.

Существуют также положительные доводы в пользу окислительно-восстановительных ванадиевых батарей, поскольку в земной коре содержится гораздо больше ванадия, чем лития. Две другие технологии (свинцово-кислотная и высокотемпературная) не подходят для крупномасштабного использования из-за их меньшей в несколько раз энергоемкости по сравнению с литий-ионными и окислительно-восстановительным конструкциями.

Однако пока ни одна из представленных технологий не достигла достаточного развития, чтобы продемонстрировать уровень емкости хранения энергии, сопоставимый с ископаемым топливом, чтобы перенос энергии на большие расстояния был экономически целесообразным. Кроме того, технологии электрохимического хранения энергии также, как и предыдущие являются дорогостоящими.

Механический способ хранения энергии

В качестве примера использования этой технологии можно привести маховик, устройства, использующие сжатый воздух, и гидроаккумулятор. Несмотря на то, что каждое из этих решений выполняет разные функции, все они обладают большой эффективностью в промышленном применении и имеют низкие затраты на установку и обслуживание по сравнению с суперконденсаторами и сверхпроводниками.

Несмотря на высокую плотность энергии и КПД, маховики имеют недостаток, схожий с электрическими типами накопителей, связанный с небольшой энергоемкостью и чрезвычайно высокими самопроизвольными потерями энергии (5–15 %/час). Поэтому маховики не подходят для хранения энергии в больших количествах и длительное время.

Несмотря на относительно низкую плотность энергии, устройства, использующие сжатый воздух, и гидроаккумуляторы могут компенсировать этот недостаток значительной емкостью. Однако неисправимым их недостатком остается то, что ни одна из этих технологий хранения не позволяет осуществлять перенос энергии на большие расстояния.

Химический способ хранение энергии

Этот метод наиболее перспективен для крупномасштабного и долгосрочного хранения энергии с возможностью ее переноса на любые расстояния. Помимо таких источников, как природный газ, энергия может храниться в форме водородного топлива и аммиака (NH₃). У водорода и аммиака примерно одинаковая энергоемкость и стоимость. Однако, поскольку «жидкий аммиак» имеет на 50 % большую плотность энергии, чем «жидкий водород», экономическая выгода этого ресурса может оказаться выше. Кроме того, если сравнивать с водородом, то с аммиаком легче и безопаснее обращаться. В частности, давление паров аммиака (10 бар при 25 ⁰C) намного ниже, чем у водорода, что в значительной степени позволяет упростить конструкцию резервуаров для его хранения и транспортировки. Из-за своих специфических физических свойств аммиак может использоваться для хранения большого количества энергии в течение длительного времени в переносимой форме.

В целом сохранение энергии с помощью химических процессов предлагает уникальный набор услуг и ценностей, которые не могут быть полностью воспроизведены другими технологиями энергосбережения. «Химическое топливо трудно превзойти, если рассматривать долговременное хранение энергии большой емкости».

Аммиак среди всех химических веществ относительно хранения энергии химическим способом занимает особое место. Во-первых, с аммиаком относительно легко обращаться. В частности, будучи менее воспламеняемым, чем водород, аммиак можно рассматривать как более безопасное топливо. Кроме того, имея температуру кипения –33,36 ⁰C, NH₃ легче сжижается, чем H₂, температура кипения которого составляет –252,9 ⁰C. И, наконец, «характерный запах аммиака дает неоценимое раннее предупреждение о возможной смертельной его утечке», чего нельзя сказать о чистом водороде, и он быстро выветривается.

NH₃, является одним из важнейших и широко производимых товарных химических веществ в мире. С этим связано то, что «инфраструктура переработки и транспортировки аммиака, включая правила перевозки, уже существует». Традиционно аммиак транспортируется и содержится в резервуарах под умеренным давлением, что означает, что его можно быстро направить в ту часть энергосистемы, куда это необходимо. Система распределения аммиака состоит из множества видов транспортных средств, включая трубопроводы, железные дороги, баржи, корабли, автоприцепы и складские объекты. В случае увеличения объемов производства и распределения NH₃ значительный рост инвестиций в развитие инфраструктуры не потребуется.

NH₃ связывает один атом азота и три атома водорода, позволяя ему плотнее упаковываться по сравнению с чистым H₂. В литре жидкого аммиака находиться больше массы водорода, чем в литре жидкого H₂. Вот почему жидкий аммиак является более эффективным носителем водорода, чем сам жидкий водород, поскольку в том же объеме емкости для хранения химического вещества может поместиться больше энергии.

Аммиак уникален как топливо, потому что в нем нет углерода. Традиционный процесс производства аммиака - паровая конверсия (риформинг), в котором в качестве основного топлива обычно используют природный газ или уголь. Но если аммиак производить с помощью экологически чистых технологий, то выбросов CO₂ можно избежать. Однако здесь, как и в других подобных случаях, более широкое использование «безуглеродного» процесса производства аммиака должно быть экономически эффективным.

Недостатки использования аммиака для хранения энергии

Использование аммиака имеет ряд недостатков. Прямому сжиганию NH₃ технически препятствует его низкая воспламеняемость и интенсивность теплового излучения. Это затрудняет самоподдерживающееся горение аммиака. В то же время, даже при успешном сжигании NH₃ возникает «дополнительная проблема, связанная с высокими выбросами NOx в процессе горения топлива».

Вот почему для снижения выбросов NOx необходимо применение некоторых более совершенные технологий, таких как избирательное каталитическое восстановление. Однако это приведет к дополнительным расходам. Следовательно, при существующих в настоящее время технологиях это топливо вряд ли будет использоваться для сжигания. Другой недостаток аммиака заключается в том, что экологически чистое производство аммиака еще не налажено. Это подразумевает популяризацию нетрадиционного производства аммиака.

Несмотря на то, что аммиак менее воспламеняемый, чем водород, он очень токсичен. Этот фактор, по-видимому, является «одним из основных препятствий для развертывания этой технологий». Если произойдет какая-либо утечка, это может не только создать предпосылки для эвтрофикации водоемов, но и создать серьезную угрозу для здоровья населения.

Источник: The Oxford Institute for Energy Studies