Швейцарские инновации в области хранения энергии

Сегодня перед человечеством стоит задача не только и не столько научиться генерировать больше энергии более чистыми способами, сколько придумать способы эффективного хранения полученного энергетического потенциала. Швейцария может предложить миру целый ряд инновационных решений в области эффективного и устойчивого хранения электроэнергии.

Из солнечных, ветряных, гидроэлектрических и других экологичеки устойчивых источников сегодня в мире поступают около 30% всей электроэнергии. Ещё в 2000-х годах эта доля составляла около 20% и по прогнозам Международного энергетического агентства (МЭА) к 2050 году почти 90% электроэнергии будет вырабатываться из «зеленых» источников. Вопрос – а как её хранить?

Швейцария большую часть (75%) всей потребляемой электроэнергии вырабатывает за счет возобновляемых источников, в основном за счет ГЭС. В последние годы здесь наблюдается значительное расширение масштабов использования солнечной энергии и, хотя и в меньшей степени, ветровой энергетики. Фотоэлектрические установки появляются сейчас по всей стране, порой в самых необычных местах. Есть даже предложения генерировать солнечную энергию при помощи фотоэлектрических панелей, размещенных вдоль автострад.

Однако солнце и ветер не являются устойчивыми источниками. Нет ветра или солнца – нет и электричества. Летом же производство такой энергии может заметно превышать спрос, то есть лишняя энергия будет просто пропадать. Поэтому одной из самых больших проблем в рамках так называемого «энергетического перехода» является разработка систем хранения полученной энергии, то есть систем, способных накапливать избыточную энергию и высвобождать ее тогда, когда это необходимо.

«Водяная батарея» в Альпах

Гидроаккумулирующая электростанции (ГАЭС), то есть электростанция, используемая с целью выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки, признана сейчас самым эффективным и экономичным решением. Во время ночного спада энергопотребления ГАЭС получает из сети дешёвую электроэнергию и расходует её на перекачку воды в верхний резервуар (бьеф), переходя в насосный режим. Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний и вырабатывает при этом дорогую пиковую электроэнергию, которую отдаёт в энергосеть, переходя в генераторный режим.

В Швейцарии насчитывается в настоящее время около 100 водохранилищ, из которых примерно 15 работают по системе ГАЭС. По сравнению с другими альпийскими странами, такими как Германия, Австрия и Италия, швейцарские ГЭС и ГАЭС располагают, как правило, куда более крупными водохранилищами и поэтому могут эксплуатироваться в течение более длительных периодов времени. Такова информация Ассоциации швейцарских электроэнергетических компаний (Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen VSE).

В июле 2022 года в кантоне Вале была введена в эксплуатацию новая насосно-аккумулирующая и турбинная электростанция, которая является одной из самых мощных в Европе. Эта «водная электрическая батарея» поможет смягчать амплитуду колебаний графика поставок солнечной и ветровой энергии на всём континенте. Когда и если альпийские ледники исчезнут, то Швейцарии появится новая возможность: она будет строить новые плотины и искусственные озера высоко горах. Это увеличит емкость накопителей энергии в Альпах и укрепит роль Швейцарии в качестве «европейского аккумулятора».

Генерирование электричества с помощью силы гравитации

Швейцарский стартап Energy Vault работает по тому же принципу, что и ГАЭС, только вместо воды он использует бетонные блоки. Когда солнце или ветер производят больше электричества, чем нужно, например летом, излишки энергии приводят в движение систему, которая поднимает специальные грузы на заранее рассчитанную высоту и складывает из таких «кубиков» гравитационную батарею: электрическая энергия преобразуется в потенциальную.

Когда требуется, блоки начинают опускаться на более низкий уровень с контролируемой скоростью. Во время спуска они приводят в движение электрические генераторы, которые преобразуют накопленную потенциальную энергию в электрическую. Первая такая батарея была подключена к электросети в китайском городе Жудун (уезд городского округа Наньтун провинции Цзянсу, КНР) недалеко от Шанхая в конце 2023 года.

Водородная мобильность без выбросов парниковых газов

Излишки электричества также могут быть преобразованы в жидкие или газообразные инновационные источники энергии. Так называемая технология Power-to-X позволяет, например, использовать электричество солнечной или ветряной электростанции для производства водорода, а затем метана. Их можно хранить долгое время и использовать потом в качестве топлива. Швейцария намерена проложить путь к безэмиссионной мобильности, заменив, там, где это возможно, ископаемое топливо «зелёным водородом».

В 2020 году в Швейцарии был введен в эксплуатацию первый в мире парк коммерческих автомобилей, работающих на водороде, а в июне 2023 года недалеко от Берна открылась первая водородная заправочная станция. Но пока, несмотря на свой инновационный и предпринимательский дух, Швейцария отстает в гонке за «зелёным водородом», у страны пока нет национальной «водородной стратегии», а без нового билатерального энергетического соглашения с Евросоюзом она рискует оказаться в изоляции.

В поисках аккумулятора будущего

В будущем человечеству потребуются эффективные и экономичные энергетические системы, которые будут предоставлять небольшие объемы энергии быстро и с минимальным воздействием на окружающую среду. Швейцария участвует поэтому в европейской исследовательской инициативе Battery 2030+, цель которой — повысить долговечность обычных литий-ионных батарей, с тем чтобы сократить потребление редких металлов, необходимых для их производства.

Корсин Батталья (Corsin Battaglia), эксперт Швейцарской Федеральной лаборатории материаловедения и экспертной оценки последствий применения новейших технологий (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt / Empa), говорит, что в Швейцарии уже работает множество компаний, которые активно работают или даже являются мировыми лидерами в таких областях, как производство новых материалов с заранее заданными свойствами, электроника, системы управления батареями, утилизация отходов, развитие моделей мобильных или стационарных накопителей энергии.