Wind and solar can become dispatchable within three years

Представьте себе, если бы ветро и солнечные станции могли бы производить энергию 24 часа в сутки - если бы солнечные батареи  могли отправлять энергию в сеть ночью, а ветроэлектростанции могли бы обеспечивать города в самые безветренные  дни года. И что, если эти проекты будут такими же надежными, универсальными и диспетчеризируемыми, как газовые электростанции, - но с низкими долгосрочными постоянными расходами, нулевыми выбросами углерода и без опасений по поводу безопасности поставок?

Что, если бы мы могли устранить прерывистость  ветро и солнечной энергии и устранить все опасения по поводу того, как сбалансировать будущую сеть, зависящую от возобновляемых источников энергии?

Звучит фантастично, правильно? Неправильно.

Новое недорогое решение для хранения энергии, позволяющее предоставлять диспетчеризируемую ветро и солнечную энергию, станет коммерчески доступным в 2020 году, и это может сделать революцию в мировых энергетических отраслях.

Технология, одновременно разрабатываемая производителем ветротурбин Siemens Gamesa и стартап Stiesdal Storage Technologies, представляет собой форму хранения тепловой энергии, которая использует избыточную возобновляемую энергию для нагрева «упакованного слоя» измельченных вулканических пород до 600 ° C. Камни остаются горячими в течение нескольких дней или недель, просто будучи хорошо изолированными;  когда требуется энергия, тепло преобразуется обратно в электричество и подается в сеть всего за 70 евро (86,25 долларов США) за МВт-ч - намного дешевле, чем любая газовая пиковая генерация или аккумуляторная система.

«Мы хотим действительно решить проблему прерывистости возобновляемых источников энергии. Это наша цель. Это то, над чем мы работаем », - говорит главный технический директор Siemens Gamesa Антонио Де Ла Торре. «Нам нужен большой коэффициент использования мощности, который будет как можно ближе к нормальной генерации на  газовой или атомной электростанции».

Эта технология является детищем пионера ветроэнергетики Хенрика Стейсдэла, который придумал эту идею почти десять лет назад, когда он был главным техническим специалистом Siemens Wind Power.

«Когда у меня возникла идея, я подумал:« Эй, это действительно умно ». Но потом выяснилось, что Джон Эрикссон, шведско-американский, который был одним из изобретателей корабельного винта, имел многие из тех же идей еще в 1850-х годах, так что это было совсем не ново, - рассказывает Стейсдал.

«Но в наши дни с оборудованием, которое у нас есть, мы можем сделать это гораздо эффективнее, чем Джон Эрикссон 150 лет назад».

Стейсдэл начал разработку технологии в Siemens Wind Power в 2010 году. Затем компания-преемник Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE), используя эти наработки, создала демонстрационный проект мощностью 1,5 МВт под Гамбургом, Германия, который в настоящее время строится и должен быть завершен до конца года.

После ухода из Siemens в конце 2014 года, Стейсдэл создал свою собственную одноименную компанию, которая в настоящее время работает над собственной версией системы теплового хранения «горячих камней» с целью создания опытной установки мощностью до 5 МВт / 120MWh в Дании в следующем году.

«Существует много способов ободрать кошку, - говорит Стейсдал. «После того как я покинул Siemens, у меня появилось несколько дополнительных идей, которые я захотел добавить в систему.

«Существуют два основных отличия между системами Siemens и Stiesdal. Siemens использует электрический нагреватель для нагрева рабочего слоя; Я использую тепловой насос (комм. перев. думаю в данном контексте он имеет ввиду под «heat pump» именно тепловой насос). И затем они используют паровую систему для генерации; Я использую воздушную систему, которая напоминает газовую турбину.

«Они предпочитают систему, которая немного проще, чем то, что делаю я и я считаю, что это вполне хорошая идея. Но меня как бы сильно соблазнила моя система теплового насоса. Мне это и вправду нравится."

Оба проекта используют готовое оборудование для снижения издержек. Stiesdal использует «дешевую как грязь» минеральную вату в качестве изоляционного материала, заявив, что его упаковочный слой потеряет только 0,5% своего тепла в день; SGRE использует «комбинацию из разных материалов», в том числе минеральную каменную вату, но отказалась предоставить показатель потерь тепла. Stiesdal использует базальт, наиболее распространенный тип горных пород на Земле, в качестве носителя тепла; SGRE использует другую «распространенную породу», отказываясь указывать конкретный тип. Стейсдэл говорит, что его камни разогреваются до 550 ° C, SGRE говорит, что у них пиковая температура достигнет 600 ° C.

Но самая большая разница между двумя компаниями - их коммерческий подход.

SGRE фокусируется на строительстве крупных тепловых хранилищ на выведенных из эксплуатации электростанциях, сокращая затраты на целых 50% за счет повторного использования существующего оборудования; в то время как Stiesdal концентрируется на создании модульных блоков для установки на ветровых и солнечных проектах.

«Если вы энергокомпания, и у вас есть старая электростанция, которая не дает прибыли, потому что стало много возобновляемой энергии, тогда вы можете ее переделать», - объясняет Де Ла Торре. «Мы называем это принципом «коричневого поля », а затем вы можете использовать большую часть электрической инфраструктуры в качестве оборудования нового хранилища».

Стейсдэл описывает это как «действительно умный подход», но добавляет: «Я не должен делать то, что они делают; это моя старая компания, и мы не должны быть конкурентами. Итак, что я делаю, это то, что лучше подходит для моих возможностей, сосредоточившись на приложениях, сделанных с нуля.

«Моя цель - делать станции, которые являются модульными, с каменными накопителями в больших, серийно выпускаемых изолированных стальных резервуарах. Реконструкция существующих электростанций намного выше меня; это требует компаний с возможностями SGRE, потому что они будут большими, сложными, разовыми операциями.

Стейсдэл нацелен на «простой, стандартизованный блок зарядки / разрядки, который имеет примерно такую ​​же номинальную мощность, что и наземные ветровые турбины» - где-то между 1 МВт и 5 МВт. Эта модульность означает, что мощности проекта будет определяться количеством идентичных модулей зарядки/разрядки, в точности- «как при строительстве ветропарков», - говорит Стейсдал. «И затем вы добавляете необходимое количество резервуаров для хранения к каждому модулю зарядки / разгрядки, чтобы достичь требуемого объема хранения».

Он объясняет, что 250- МВт PV-установка с его системой теплового хранения будет нуждаться только в линии передачи 100 МВт - всякий раз, когда мощность превышает 100 МВт, избыточная энергия отводится на хранение и возвращается ночью в сеть.

В то время как для солнечной станции в солнечной части мира будет достаточно объема хранения рассчитанного на 18 часов или около того, чтобы поставлять диспетчеризируемую энергию, ветровым электростанциям потребуется намного больше, потому что безветренные периоды могут длиться много дней.

«Я задал вопрос, основываясь на данных по Дании: если вы когда-нибудь создадите систему хранения для ветростанции, которая будет постоянно генерировать энергию, какой объем потребуется для хранения энергии?» - говорит Стейсдал.

«Я провел весь анализ с 2000 года по настоящее время и обнаружил, что в мае 2006 года у нас был длительный период штиля, соответствующий десятидневной нагрузке в Дании. Поэтому, чтобы сделать Данию самодостаточной с ветром, вам понадобится десять дней хранения. И чтобы сделать десять дней хранения, вам потребуется довольно много избыточной мощности ветра ».

Согласно расчетам Стейсдала, его система теплового хранения могла бы поставлять энергию в сеть с 20-летней приведенной стоимостью энергии (LCOE) в размере 70 евро / МВт-ч, предполагая, что избыточная энергия ветра или солнечной энергии будет стоить 20 евро / МВт-ч , Он подчеркивает, что будет платить даже за "избыточную" электроэнергию, потому что, как только вы вводите аккумуляцию, вы создаете спрос на эту ранее нежелательную энергию, которая будет подталкивать цены вверх.

«Стоимость системы составит проценты от текущей стоимости батарей. Батареи не получат таких цен в течение десятилетий. И, конечно же, мы работаем над тем, чтобы сделать стоимость еще ниже, но я думаю, что это хорошая отправная точка ».

Де Ла Торре полагает, что SGRE сможет достичь к 2020 году конкурентоспособного LCOE около 100 евро / МВт-ч в приложениях для реконструкции станций, при этом стоимость будет снижаться по мере коммерциализации и развития технологий ».

Оба Стейсдал и Де Ла Торре полагают, что нет верхнего предела потенциального размера проекта. Де Ла Торре говорит, что к 2025 году может быть введен в эксплуатацию проект хранения 1 ГВтч, а Стейсдал говорит, что его система может в принципе хранить энергию в течение 50 дней и более, «но это должна быть очень большая куча камней, что, вероятно, неэкономично», ,

И, несмотря на их различные подходы, обе компании говорят, что их технологии будут хорошо работать как на новых проектах, так и на реконструкции старых

Из трех европейских компаний, которые выразили заинтересованность в использовании системы SGRE, говорит Де Ла Торре, двое интересуются проектами «с нуля»; в то время как Стейсдал говорит, что его технология может использоваться операторами систем передачи энергии, чтобы избежать необходимости строить дорогие новые линии электропередач.

После завершения проекта в Гамбурге SGRE собирается проверять объект в течение примерно года, чтобы выяснить, как использовать систему наиболее экономичным способом. Например, как долго должны быть включены нагреватели, которые Де Ла Торре описывает как гигантские фены, и при какой температуре и мощности надува; как долго должно храниться тепло и при какой температуре; и с какой скоростью должны работать паровые турбины.

«Будет проведено много тестирования и проверки, чтобы получить оптимальную производительность с точки зрения эффективности», - говорит Де Ла Торре.

Как только эта фаза будет завершена, SGRE построит коммерческий пилотный проект «около 2020 года» около 100 МВт-ч, вероятно, в партнерстве с одной из этих заинтересованных энергокомпаний - при одновременном запуске технологии на рынок.

У Стейсдал еще нет планов за пределами создания демонстрационного модуля. «Нам нужно решить, есть ли в раю змеи», - говорит он. «Если все действительно так хорошо, как выглядят, я не думаю, что у нас будут проблемы с поиском хорошего кандидата для пилотного проекта».

Если технология такая простая, сможет ли кто еще делать то, что делают SGRE и Stiesdal Storage Technologies?

«Во-первых, мы защищаем нашу работу [патентами], а во-вторых - это может показаться очень простым, но есть немало проблем, которые вы должны решить, прежде чем сможете реализовать проект», - говорит Де Ла Торре ,

Стейсдал соглашается: «В принципе, любой мог бы сделать такую ​​систему, при условии, что они учитывают патенты SGRE. Дело, конечно, в том, что дьявол в деталях. Есть еще много мелких проблем, которые вам нужно решить.

«Иногда я слышу, как люди говорят:« Насколько сложно строить ветряные турбины? Это всего три лопасти, башня и что-то еще там ». И вы можете сказать: «Да, но некоторые поставщики очень успешны, а некоторые менее успешны». Ни один из успешных не имеет успеха, потому что у них есть патент, который никто не может использовать. Они успешны, потому что они понимают, что они делают, у них много ноу-хау, и они хорошие бизнесмены ».

Recharge спросил Стейсдал, что он может сказать о любых недостатках в своей системе хранения тепла.

«Единственным недостатком является то, что она еще не построена. Время праздновать - это когда у нас есть станция, которая достаточно дешевая и делает все, что она должна делать ».

Что касается Де Ла Торре, он уверен, что эта технология может быть ключом к решению проблемы прерывистости ветра и солнечной энергии. «Я инженер, и мой ум говорит, что все в будущем будет возможно все, что вы просите, - потому что человеческий разум изобретателен и может разрабатывать новые изобретения», - говорит он.

«Но пока мы видим, что такое хранилище - лучшая идея в плане «чистой» балансировки сети.

Ну и статья, которая чуть раньше публиковалась на сайте Сименс.

Hot stones store renewable energy

Экологически безопасные и экономичные решения по хранению энергии будут в значительной степени способствовать обеспечению успешного перехода к чистой энергии. Команда во главе с инженером-разработчиком Siemens Тилл Бармейер добилась прорыва в этой области, создав высокотемпературную систему хранения тепла.

Переход к чистой энергии идет, но есть еще несколько непреодоленных препятствий. Цель Германии заключается в достижении 55-60% доли возобновляемой энергии в потребляемой энергии. Дальнейшая цель - достичь 80 процентов в 2050 году. В прошлом году ветер, солнце и другие возобновляемые источники энергии уже внесли 30 процентов в производство валовой электроэнергии в Германии. В настоящее время ветряные турбины генерируют 9 процентов электроэнергии в Германии, с тенденцией к быстрому росту. Тем не менее решающая часть головоломки все еще отсутствует в энергетическом переходе, который был инициирован Законом об возобновляемой энергии (ЭЭГ) 1 апреля 2000 года. Исследователи, инженеры и разработчики как в Германии, так и во всем мире безумно ищут этот кусок головоломки.

Когда длительные периоды пасмурной погоды затеняют фотогальванические системы, когда роторы турбины остаются неподвижными в течение нескольких дней подряд из-за отсутствия ветра, а постепенное прекращение использования ископаемых видов топлива означает, что котлы энергетических установок и паровые турбины остаются холодными, мы рискуем получить дефицит энергии. Означает ли это, что потребители должны вернуться к свечам, генераторам, одеялам и теплым свитерам для света и тепла? «Конечно, нет. Но для успешного перехода энергии нам нужны решения для хранения энергии, которые могут уравновешивать естественные колебания в производстве возобновляемых источников энергии и которые могут генерировать электроэнергию гибкими способами в течение периодов без ветра или солнца и, таким образом, обеспечивать безопасность поставок» - объясняет Тилл Бармейер. Инженер-разработчик Siemens имеет докторскую степень по математике и отвечает за Программу хранения энергии в Siemens Wind Power. В течение последних трех лет он и его команда из десяти специалистов проводят фундаментальные исследования в этой важной области. И похоже, что команда Бармейера добилась прорыва, который может, наконец, обеспечить недостающий кусочек мозаики в хранении, который так важен для энергетического перехода.

Высокотемпературный блок хранения тепла: энергосберегающий и экологически безопасный

И этот кусочек головоломки настолько же прост, насколько и умный: «Мы берем электричество из электросети и превращаем его в тепло. Благодаря своей плотности тепловая энергия позволяет хранить много энергии », - объясняет Тилл Бармейер. «Вы можете представить себе электрический нагреватель, который мы используем для преобразования электричества в тепло, как будто фен. Горячий воздух, который генерируется, подается в блок хранения тепла через систему труб ». И блок хранения основан на столь же простом принципе:« Он состоит из прочной изолированной оболочки, которая свободно заполнена подходящими небольшими кусками камня. Поток горячего воздуха нагревает камни, которые должны выдерживать температуры более 600 градусов по Цельсию без плавления или растрескивания ».

Но как можно конвертировать эту энергию обратно в электричество? «Эта часть процесса также основана на чрезвычайно простом принципе», - объясняет Тилл Бармейер. «Здесь мы полагаемся на проверенную и испытанную технологию, которая дает нам очень надежную энергию в течение более 120 лет: процесс паровой генерации». Холодный воздух вдувается в накопитель, нагревается, когда он проходит через камни, и используется для нагрева котла. Это дает нам пар высокого давления. Пар транспортируется по трубам в турбину, где электричество генерируется и подается в сеть. Тилл Бармейер: «В течение дней с сильным ветром или большим количеством солнца эта процедура позволяет хранить избыточное электричество и использоваться в те дни, когда фотогальванические системы и ветровые турбины не могут вырабатывать электричество». Команда Бармейера считает, что инновационная единица хранения может сохранять энергию в течение целой недели. «Однако главная цель данного проекта – дать возможность непрерывно генерировать электроэнергию в течение двух-трех дней во время нехватки энергии». И он добавляет: «Важно отметить, что наша система не является сезонным решением для хранения, которое позволяла использовать энергию, собираемую во время осенних штормов и хранить ее в течение трех месяцев в зимний период, когда системы возобновляемых источников энергии не генерируют много электроэнергии ».

(схема системы хранение энергии компании Сименс)

Термические системы хранения - только одна технологическая возможность из многих различных решений для хранения. Гидроаккумулирующие станции, которые генерирует энергию путем направления воды из озера хранилища на более высокой высоте вниз к более низкому резервуару, представляет собой общепринятую альтернативу. Он подходит для балансировки дневных циклов продолжительностью около восьми часов. Однако эта технология очень дорогостоящая и зависит от очень специфических географических требований. Существует множество таких мест, например, в Норвегии, но в Германии почти все подходящие места уже использованы. Кроме того, Бармейер указывает на дополнительный недостаток: «Если учитывать требования к площади для водохранилищ, необходимые для ГАЭС, мы можем хранить в 30 раз больше энергии с помощью нашего теплового решения».

Особенно эффективны электрохимические системы хранения, такие как литий-ионные батареи. Однако эти батареи по-прежнему очень дороги и содержат токсичные вещества. В настоящее время многие другие механические и химические аккумулирующие системы также используются ограничено из-за их высокой стоимости. Это также относится к системам электричесво-2-газ, которые основаны на принципе электролиза воды. Требуются дополнительные исследования, чтобы сделать эти разные технологии более эффективными, более безопасными и более экологичными.

Тест-модель будущего

«Все эти возможные системы хранения имеют свое место», - говорит Тилл Бармейер. «Но для нас было ясно, что мы должны разработать простую технологию, которая удовлетворяет требованиям с точки зрения низких удельных затрат энергии, высокого потенциала для масштабируемости и низкого воздействия на окружающую среду». Уже сейчас ясно, что инновационное хранилище энергии система не требует набора токсичных или химических веществ. Он основан на безопасных компонентах и ​​процессах. «Наше решение не предполагает никакого сгорания, - объясняет Тилл Бармейер. «Мы не производим практически никаких выбросов, и нет опасности взрыва или пожара. Камни, которые мы используем для нашего решения для хранения, могут быть получены из местных карьеров во многих местах по всему миру ».

В рамках совместного исследовательского проекта Future Energy Solution (FES), который спонсируется Федеральным министерством экономики и энергетики, Siemens в сотрудничестве с поставщиком энергии Hamburg Energie и Гамбургским технологическим университетом строит модель и тестирует системы для инновационных технологий. Тепловой накопитель системы будет занимать площадь около 400 квадратных метров. «В течение следующих двух лет мы продемонстрируем, что система работает так, как мы ожидаем, - объясняет Тилл Бармейер. «И мы узнаем, какой потенциал для дополнительной оптимизации и масштабируемости он предлагает». Строительство экспериментальной установки мощностью около 30 мегаватт может произойти уже в 2019 году. Также для этого завода Siemens рассматривает возможность сотрудничества с поставщиком энергии или специалистом по разработке проектов. Как только система будет готова для рынка, она будет нацелена на поддержку энергоснабжения среднего города. Тогда мощность генерации будет составлять 100 мегаватт или более.

Тилл Бармейер убежден, что технология FES - это недостающая часть головоломки, требуемая для завершения энергетического перехода. Но находчивый инженер уже подумывает о другом. «Это также возможно для устаревших традиционных топливных электростанций, которые будут постепенно сокращаться в будущем, чтобы быть преобразованы с помощью наших технологий», - объясняет он. «Это потребует, чтобы электростанции были оборудованы нагревателями и одним из наших блоков хранения тепла». Тепловые электростанции станут хранилищами энергии. Другими словами: оборудование прошлого будет гармонично сочетаться с технологией будущего.