По мере того, как мир движется к сокращению выбросов углерода, солнечная и ветровая энергия будут играть все большую роль в электросетях. Но эти возобновляемые источники генерируют электроэнергию только тогда, когда солнечно или ветрено. Поэтому для обеспечения надежной электросети — такой, которая может поставлять электроэнергию 24/7 — крайне важно иметь средства хранения электроэнергии, когда ее много, и поставки ее позже, когда ее нет. И иногда большие объемы электроэнергии необходимо будет хранить не только часами, но и днями, или даже дольше.
Некоторые методы достижения «долговременного хранения энергии » являются многообещающими. Например, при использовании гидроаккумулирующего хранилища воды вода перекачивается из озера в другое, более высокое озеро, когда есть дополнительное электричество , и сбрасывается обратно через турбины, когда требуется больше электроэнергии. Но этот подход ограничен географией, и большинство потенциальных мест в Соединенных Штатах уже были использованы. Литий-ионные батареи могли бы обеспечить хранение в масштабе сети, но только около четырех часов. Если дольше, то системы батарей становятся непомерно дорогими.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института и Норвежского университета науки и технологий (NTNU) изучает менее известный вариант, основанный на маловероятной концепции: жидкий воздух или воздух, который всасывается из окружающей среды, очищается и высушивается, а затем охлаждается до такой степени, что превращается в жидкость.
Системы «хранения энергии на жидком воздухе» (LAES) были построены, поэтому технология технически осуществима. Более того, системы LAES абсолютно чисты и могут быть размещены практически где угодно, сохраняя огромные объемы электроэнергии в течение нескольких дней или дольше и поставляя ее, когда это необходимо. Но не было никаких убедительных исследований ее экономической жизнеспособности. Оправдает ли доход с течением времени первоначальные инвестиции и текущие расходы?
Исследователи разработали модель, которая берет подробную информацию о системах LAES и рассчитывает, когда и где эти системы станут экономически жизнеспособными, предполагая будущие сценарии в соответствии с выбранными целями декарбонизации, а также другими условиями, которые могут преобладать в будущих энергосетях.
Они обнаружили, что в некоторых из смоделированных ими сценариев LAES может быть экономически жизнеспособным в определенных местах. Анализ чувствительности показал, что политика, предусматривающая субсидирование капитальных расходов, может сделать системы LAES экономически жизнеспособными во многих местах.
Дальнейшие расчеты показали, что стоимость хранения определенного количества электроэнергии с помощью LAES будет ниже, чем с помощью более привычных систем, таких как гидроаккумулирующие и литий-ионные батареи. Они пришли к выводу, что LAES имеет перспективы как средство обеспечения критически необходимого долгосрочного хранения, когда будущие электросети будут декарбонизированы и будут доминировать прерывистыми возобновляемыми источниками электроэнергии.
Исследователи — Шайлин А. Сетеген, кандидат наук на кафедре химической инженерии Массачусетского технологического института (ChemE); почетный профессор Трулс Гундерсен на кафедре энергетики и технологических процессов NTNU; и почетный профессор Массачусетского технологического института Пол И. Бартон на кафедре ChemE — описывают свою модель и полученные результаты в новой статье, опубликованной в журнале Energy .
Технология LAES и ее преимущества
Системы LAES состоят из трех этапов: зарядка, хранение и разрядка. Когда предложение в сети превышает спрос, а цены низкие, система LAES заряжается. Затем воздух всасывается и сжижается. Большое количество электроэнергии потребляется для охлаждения и сжижения воздуха в процессе LAES. Затем жидкий воздух отправляется в хорошо изолированные резервуары для хранения, где он хранится при очень низкой температуре и атмосферном давлении.
Когда электросети требуется дополнительная электроэнергия для удовлетворения спроса, жидкий воздух сначала закачивается под более высоким давлением, а затем нагревается и снова превращается в газ. Этот паровой воздух высокого давления, высокой температуры расширяется в турбине, которая генерирует электроэнергию для отправки обратно в сеть.
По словам Cetegen, главное преимущество LAES в том, что он чистый. «Никаких загрязняющих веществ нет», — говорит она. «Она вбирает и выбрасывает только окружающий воздух и электричество, поэтому она такая же чистая, как и электричество, которое используется для ее работы».
Кроме того, система LAES может быть построена в основном из коммерчески доступных компонентов и не зависит от дорогих или редких материалов. И система может быть размещена практически в любом месте, в том числе вблизи других промышленных процессов, которые производят отходящее тепло или холод, которые могут быть использованы системой LAES для повышения ее энергоэффективности .
Экономическая жизнеспособность
При рассмотрении потенциальной роли LAES в будущих электросетях первый вопрос: будут ли системы LAES привлекательны для инвесторов? Ответ на этот вопрос требует расчета чистой приведенной стоимости (NPV) технологии, которая представляет собой сумму всех дисконтированных денежных потоков, включая доходы, капитальные затраты, эксплуатационные расходы и другие финансовые факторы, за весь срок реализации проекта. (Исследование предполагало ставку дисконтирования денежных потоков в размере 7%).
Чтобы рассчитать NPV, исследователям нужно было определить, как системы LAES будут работать на будущих энергетических рынках. На этих рынках различные источники электроэнергии подключаются к сети для удовлетворения текущего спроса, как правило, следуя процессу, называемому «экономической диспетчеризацией»: всегда следующим запускается наименее затратный из доступных источников.
Таким образом, для определения чистой приведенной стоимости хранения жидкого воздуха необходимо спрогнозировать, как эта технология будет себя вести на будущих рынках, конкурируя с другими источниками электроэнергии, когда спрос превышает предложение, а также учесть цены, когда предложение превышает спрос, чтобы излишки электроэнергии были доступны для подзарядки систем LAES.
Для своего исследования ученые из Массачусетского технологического института и NTNU разработали модель, которая начинается с описания системы LAES, включая такие детали, как размеры установок, в которых сжижается воздух и восстанавливается энергия, а также капитальные затраты на основе оценок, приведенных в литературе.
Затем модель опирается на самые современные данные о ценах, которые ежегодно публикует Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) и широко используются разработчиками энергетических моделей по всему миру. Набор данных NREL прогнозирует цены, строительство и вывод из эксплуатации определенных типов объектов генерации и хранения электроэнергии и многое другое, предполагая восемь сценариев декарбонизации для 18 регионов США до 2050 года.
Затем новая модель отслеживает покупку и продажу на энергетических рынках каждый час каждого дня в году, повторяя тот же график для пятилетних интервалов. На основе набора данных NREL и деталей системы LAES — плюс ограничений, таких как физическая емкость системы и как часто она может переключаться между зарядкой и разрядкой — модель вычисляет, сколько денег операторы LAES заработают, продавая электроэнергию в сеть, когда она нужна, и сколько они потратят на покупку электроэнергии, когда она будет доступна для подзарядки их системы LAES.
В соответствии с набором данных NREL модель генерирует результаты для 18 регионов США и восьми сценариев декарбонизации, включая 100% декарбонизацию к 2035 году и 95% декарбонизацию к 2050 году, а также другие предположения о будущих энергосетях, включая высокий рост спроса, а также высокие и низкие затраты на возобновляемую энергию и природный газ.
Cetegen описывает некоторые из своих результатов: «Предположив систему мощностью 100 мегаватт (МВт) — стандартный размер — мы увидели, что экономическая жизнеспособность резко возросла в сценарии декарбонизации, предусматривающем 100% декарбонизацию к 2035 году». Таким образом, положительные значения NPV (указывающие на экономическую жизнеспособность) наблюдались только в наиболее агрессивном — а значит, наименее реалистичном — сценарии, и они наблюдались только в нескольких южных штатах, включая Техас и Флориду, вероятно, из-за того, как структурированы и функционируют эти энергетические рынки.
Исследователи также проверили чувствительность NPV к различным мощностям хранения, то есть, как долго система могла бы непрерывно поставлять электроэнергию в сеть. Они рассчитали NPV системы мощностью 100 МВт, которая могла бы обеспечивать электроснабжение в течение одного дня, одной недели и одного месяца. «Этот анализ показал, что в условиях агрессивной декарбонизации еженедельное хранение экономически более выгодно, чем ежемесячное, потому что [в последнем случае] мы платим за большую емкость хранения, чем нам нужно», — объясняет Cetegen.
Улучшение чистой приведенной стоимости системы LAES
Затем исследователи проанализировали два возможных способа улучшения NPV хранения жидкого воздуха: путем повышения энергоэффективности системы и предоставления финансовых стимулов. Их анализ показал, что повышение энергоэффективности, даже до теоретического предела процесса, не изменит экономическую жизнеспособность LAES при наиболее реалистичных сценариях декарбонизации.
С другой стороны, значительное улучшение произошло, когда они предположили политику предоставления субсидий на капитальные затраты на новые установки. Действительно, предположение о субсидиях в размере от 40% до 60% сделало NPV для системы мощностью 100 МВт положительной при всех реалистичных сценариях.
Таким образом, их анализ показал, что финансовые стимулы могут быть гораздо более эффективными, чем технические усовершенствования, чтобы сделать LAES экономически жизнеспособным. Хотя инженеры могут найти этот результат разочаровывающим, Cetegen отмечает, что с более широкой точки зрения это хорошие новости.
«Вы можете потратить всю свою жизнь, пытаясь оптимизировать эффективность этого процесса, и это не приведет к обеспечению инвестиций, необходимых для масштабирования технологии», — говорит она. «Политики также могут занять много времени для внедрения. Но теоретически вы можете сделать это за одну ночь. Так что если требуется хранение [в будущей декарбонизированной сети], то это один из способов поощрить принятие LAES немедленно».
Сравнение стоимости с другими технологиями хранения энергии
Расчет экономической эффективности технологии хранения во многом зависит от используемых предположений. В результате для сравнения затрат на различные технологии хранения обычно используется другая мера — «уравновешенная стоимость хранения» (LCOS). Проще говоря, LCOS — это стоимость хранения каждой единицы энергии в течение жизненного цикла проекта, без учета какого-либо полученного дохода.
По этому показателю технология LAES превосходит все. Модель исследователей дала LCOS для хранения жидкого воздуха около 60 долларов за мегаватт-час, независимо от сценария декарбонизации. Эта LCOS составляет примерно треть от литий-ионного аккумуляторного хранения и половину от гидроаккумулятора. Cetegen приводит еще одно интересное открытие: LCOS их предполагаемой системы LAES варьировалась в зависимости от того, где она использовалась. Стандартная практика предоставления единственной LCOS для данной технологии хранения энергии может не давать полной картины.
Cetegen адаптировала модель и теперь рассчитывает NPV и LCOS для хранения энергии с использованием литий-ионных аккумуляторов. Но ее уже воодушевляет LCOS хранения жидкого воздуха. «Хотя системы LAES сегодня могут быть экономически невыгодны с точки зрения инвестиций, это не значит, что они не будут реализованы в будущем», — заключает она.
«Учитывая ограниченные возможности расширения масштабов хранения в масштабах сети и растущую потребность в технологиях хранения для обеспечения энергетической безопасности, если мы не сможем найти экономически жизнеспособные альтернативы, нам, вероятно, придется обратиться к наименее затратным решениям для удовлетворения потребностей в хранении. Вот почему история хранения жидкого воздуха далека от завершения. Мы считаем, что наши выводы оправдывают дальнейшее изучение LAES как ключевого решения для хранения энергии в будущем».
