Первое, что бросается в глаза при посещении штаб-квартиры ESS в Уилсонвилле, штат Орегон, – это экспериментальный аккумуляторный модуль размером примерно с тостер. Основатели компании собрали его в своей лаборатории десять лет назад, предвидя вызов, с которым вскоре столкнутся операторы энергосетей по всему миру – необходимость крупномасштабного хранения электроэнергии.
В отличие от современных литий-ионных аккумуляторов, конструкция ESS в значительной степени основана на дешевых, доступных и нетоксичных материалах: железе, соли и воде. Еще одно отличие: если производители литий-ионных аккумуляторов стремятся сделать их как можно меньше для помещений в постоянно уменьшающихся телефонах и ноутбуках, то каждая новая версия железного аккумулятора становится лишь больше предыдущей.
Фактически, то, что ESS производит сегодня, едва напоминает традиционный аккумулятор. На погрузочной площадке на задней стороне предприятия сотрудники монтируют устройства, занимающие целые грузовые контейнеры. Каждый из них обладает достаточным запасом энергии для питания примерно 34 американских домов в течение 12 часов.
Компания, которая в прошлом году стала первой компанией, специализирующейся на долгосрочном хранении энергии, вышедшей на биржу, и стремится открыть заводы по всему миру, скоро начнет работу над аккумулятором, который затмит даже эти размеры, сравнимые с размером грузовика. В сотрудничестве с коммунальной компанией Portland General Electric, ESS планирует построить установку, которая займет половину акра земли рядом с ее заводом. Ожидается, что ее мощность будет почти в 150 раз превышать емкость самых больших батарей, которые компания поставляет сегодня.
Ключевая инновация ESS заключается не в размере батареи, а в химии и инженерии, которые позволяют коммунальным службам накапливать значительно больше энергии, чем это экономически целесообразно с помощью литий-ионных аккумуляторов, подключенных к сети, которые в настоящее время ограничены примерно четырьмя часами хранения.
Железные «проточные батареи» (flow batteries), которые строит ESS, являются лишь одной из нескольких технологий хранения энергии, внезапно оказавшихся востребованными благодаря стремлению к декарбонизации электроэнергетического сектора и стабилизации климата. По мере того, как электросеть начинает больше зависеть от прерывистых солнечных и ветровых источников, а не от ископаемого топлива, коммунальные службы, которые всего пару лет назад искали аккумуляторы для хранения электричества на два-четыре часа, теперь запрашивают системы, способные обеспечивать восемь часов или более. Батареи с более длительным сроком службы необходимы для того, чтобы электричество было доступно тогда, когда оно нужно людям, а не только тогда, когда оно генерируется – именно так, как и предвидели основатели ESS.
Хорошая химия
Крейг Эванс и Джулия Сун, основатели ESS, начали работать над железной проточной батареей в своем гараже в 2011 году. Эта супружеская пара познакомилась, работая в компании, разрабатывавшей топливные элементы. Сун (ныне технический директор ESS) – химик, а Эванс (президент ESS) – инженер и дизайнер.
Они увидели резкое падение цен на системы возобновляемой энергии и предсказали, что это вызовет высокий спрос на хранение энергии. Электрическая сеть, на 80% питаемая солнцем и ветром, например, потребует наличия экономически доступного способа хранения энергии в течение как минимум 12 часов.
В настоящее время около 95% мощностей долговременного хранения энергии в Соединенных Штатах приходится на гидроаккумулирующие электростанции: вода закачивается из одного водохранилища в другое, расположенное выше, и при последующем сбросе она проходит через турбины для выработки электроэнергии по пути вниз. Этот простой метод хорошо работает, но ограничен географией.
Батареи не имеют таких ограничений. Однако большинство современных аккумуляторных систем сетевого масштаба являются литий-ионными. Они относительно дороги, деградируют в течение нескольких лет и изготовлены из трудноперерабатываемых материалов, которые могут вспыхнуть или взорваться. Что еще хуже, если вы хотите удвоить емкость вашего аккумуляторного массива, вам нужно купить вдвое больше батарей. Это делает хранение энергии дольше нескольких часов слишком дорогим, говорит Скотт Литцельман, руководитель программы, занимающейся долгосрочным хранением энергии в ARPA-E, агентстве США, которое финансирует исследования и разработку передовых энергетических технологий.
Проточные батареи, подобные тем, что разработала ESS, хранят энергию в резервуарах с жидкими электролитами – химически активными растворами, которые прокачиваются через электрохимическую ячейку батареи для извлечения электронов. Чтобы увеличить емкость проточной батареи, вы просто увеличиваете размер ее накопительного бака. Когда батарея достигает размеров здания, эти баки превращаются в силосы.
В электрохимических ячейках проточной батареи два электролита разделены мембраной. Один электролит проходит мимо положительного электрода, прокачиваясь через ячейку, а другой электролит проходит мимо отрицательного электрода. В батарее ESS эти два электролита идентичны: соли железа, растворенные в воде.
Когда электролиты протекают через ячейку, на обеих сторонах мембраны происходят химические реакции. Когда электрический ток заряжает аккумулятор, электролит у отрицательного электрода батареи приобретает электроны, и ионы растворенного железа откладываются на поверхности электрода в виде твердого железа.
При разряде батареи процесс обращается: электролит отдает электроны у отрицательного электрода, нанесенное железо возвращается в растворенную форму, и химическая энергия в электролите преобразуется обратно в электричество. У положительного электрода происходит обратный процесс: электролит отдает электроны и «ржавеет» до коричневатой жидкости во время зарядки, а этот процесс обращается во время разряда.
В обычной литий-ионной батарее, такой как в мобильном телефоне или электромобиле, ячейка и электролит находятся внутри одного корпуса. «То, что вы получаете в начале, – это то, что у вас есть», – говорит Эванс.
Но с проточной батареей хранение электролита во внешнем резервуаре означает, что энергозапасающая часть отделена от энергопроизводящей части. Это разделение энергии и мощности позволяет коммунальной службе добавлять больше емкости хранения, не добавляя при этом больше электрохимических ячеек батареи.
Компромисс заключается в том, что железные батареи имеют гораздо более низкую плотность энергии, что означает, что они не могут хранить столько же энергии, сколько литий-ионная батарея того же веса. Кроме того, проточные батареи требуют больших первоначальных инвестиций и большего объема обслуживания, чем литий-ионные батареи.
Однако, когда дело доходит до безопасного хранения больших объемов энергии в течение длительного времени, им трудно найти равных. И именно этим операторам сетей придется заниматься все больше и больше в ближайшие годы.
Долговечность
Батареи, которые используют коммунальные службы сегодня, как правило, хранят энергию в течение четырех часов или меньше. Это хорошо подходит для таких задач, как сглаживание кратковременных колебаний частоты и падений подачи, но по мере того, как электроэнергетический сектор движется к 100% чистой энергии, «вы абсолютно не сможете обойтись четырехчасовыми батареями», – говорит Хью Макдермотт, старший вице-президент по продажам и развитию бизнеса в ESS.
Для компенсации колебаний выработки солнечной и ветровой энергии большинство операторов сетей используют газовые «пиковые установки», которые могут быстро запускаться при высоком спросе на электроэнергию. Аккумулятор, способный обеспечить 16 часов хранения, будет дешевле в установке, чем любая пиковая система, – утверждает Макдермотт.
Проточные батареи составляют небольшую, но растущую долю рынка хранения энергии в энергосистемах. К концу 2019 года они использовались только в 1% крупномасштабных аккумуляторных установок в США, согласно обновленной информации EIA от августа 2021 года о тенденциях на рынке хранения энергии. Несколько коммунальных предприятий начали устанавливать крупномасштабные проточные батареи в 2016 и 2017 годах, но в этих батареях использовался электролит на основе ванадия, а не железа. Ванадий хорошо себя зарекомендовал, но он дорог.
Эванс и Сун изначально планировали разработать проточную батарею на ванадии, но изменили курс, когда наткнулись на исследования по химии на основе железа, проведенные в Университете Кейс-Вестерн-Резерв в 1981 году. Железо показалось им низкозатратной альтернативой ванадию, «но у него были свои проблемы», – говорит Эванс.
Одной из проблем было предотвращение того, чтобы примерно 1% электронов на отрицательной стороне батареи связывались со случайными ионами водорода в водно-основном электролите вместо осаждения железа. Со временем эта побочная реакция приводит к накоплению водорода и нарушению химического баланса обеих сторон батареи, при котором оба электролита возвращаются в свое первоначальное, идентичное состояние при полном разряде.
«У всех батарей есть побочные реакции», – отмечает Эванс. Но поскольку химические вещества, циркулирующие в проточной батарее, легкодоступны (в отличие от веществ, замкнутых внутри обычной батареи), конструкторы могут предусмотреть механизм для восстановления после этих побочных реакций.
Эванс и Сун решили проблему, добавив в свою батарею «протонный насос». Это устройство, похожее на топливный элемент, которое преобразует газообразный водород обратно в протоны, снижая pH электролита и возвращая обе стороны батареи в одинаковое состояние заряда. Благодаря этому насосу батарея сможет циклировать неограниченное количество раз в течение как минимум 20 лет.
В Кейс-Вестерн исследователи пробовали другой подход: осаждение растворенного железа на частицах в суспензии железа, а не на фиксированном электроде, чтобы осажденный металл хранился во внешнем резервуаре батареи. Это хорошо работало в небольших ячейках, но в более крупных ячейках суспензия вызывала засоры.
И Кейс-Вестерн, и ESS получили финансирование от ARPA-E для создания и демонстрации железных проточных батарей. Грант ARPA-E в размере 2,8 миллиона долларов на пять лет, полученный ESS в 2012 году, позволил компании разработать протонный насос и перейти к коммерческому производству. Грант
Breakthrough Energy Ventures, фонд, созданный Биллом Гейтсом и другими инвесторами, обеспокоенными изменением климата, также поддержал ESS. Компания продала свой первый продукт в 2015 году: батарею, которая позволила винодельне в Калифорнии накапливать солнечную энергию в течение дня и питать ирригационную систему вечером.
В настоящее время ESS имеет портфель заказов на свою батарею размером с грузовой контейнер, емкость которой достигает 500 киловатт-часов. Компания начала поставки некоторых из них для SB Energy, дочерней компании SoftBank в сфере чистой энергетики, которая согласилась закупить рекордные два гигаватт-часа систем хранения энергии у ESS в течение следующих четырех лет. Сделка оценивается более чем в 300 миллионов долларов.
Выигрывая время
Батареи ESS в настоящее время могут хранить заряд от четырех до 12 часов в зависимости от конфигурации, но в конечном итоге некоторым системам хранения энергии может потребоваться работать днями или даже неделями для компенсации сезонных колебаний ветровой генерации. Компания Form Energy из Массачусетса разрабатывает технологию железно-воздушных батарей, которая использует кислород из окружающего воздуха в обратимой реакции, превращающей железо в ржавчину. Компания заявляет, что ее батарея сможет хранить энергию до 100 часов. Ее первая установка будет пилотным заводом мощностью один мегаватт в Миннесоте, запуск которого запланирован на 2023 год.
Коммунальные службы думают не только о том, как хранить энергию по мере перехода к возобновляемым источникам; они также думают о том, как сделать сеть более устойчивой к экстремальным погодным условиям и другим последствиям изменения климата. Долговременные батареи также играют в этом свою роль.
В рамках проекта с San Diego Gas & Electric железные проточные батареи ESS будут интегрированы с солнечной установкой в округе Кэмерон-Корнерс, штат Калифорния, подверженном лесным пожарам. Если службе потребуется отключить линии электропередачи для предотвращения пожара или реагирования на него, микросеть, состоящая из солнечных панелей и аккумуляторов, сможет поддерживать работу критически важных служб города. Проект должен быть запущен позднее в этом году.
На заводе ESS в Уилсонвилле есть место для увеличения производства, но количество заказов, которое компания получит, в значительной степени будет зависеть от судьбы налоговых льгот на чистую энергию, включенных в законопроект «Build Back Better», который в настоящее время заблокирован в Конгрессе. Сторонники систем хранения энергии утверждают, что долгосрочное хранение заслуживает таких же стимулов, как и возобновляемые источники энергии.
Если законодатели согласятся, эти кредиты могут помочь сделать технологии хранения энергии, такие как железная проточная батарея, достаточно дешевыми для широкого использования коммунальными службами. Как программа ARPA-E, так и инициатива Министерства энергетики США Long Duration Storage Shot нацелены на то, чтобы в течение десяти лет на рынке появились конкурентоспособные по стоимости системы, способные хранить энергию более 10 часов.
Для ARPA-E это означает снижение приведенной стоимости хранения энергии – показателя, учитывающего все затраты и выработку энергии за весь срок службы, – до менее чем пяти центов за киловатт-час, – говорит Литцельман, что составит 90%-ное снижение по сравнению с 2020 годом. Первоначальная стоимость батареи – лишь часть этого уравнения.
Проточные батареи – не единственная многообещающая технология, разрабатываемая для долгосрочного хранения энергии. Другие компании и исследователи экспериментируют с различными типами батарей, а также с хранением водорода и механическими системами, такими как сжатый воздух или «мобильные массы», которые поднимаются и опускаются для преобразования электрической энергии в кинетическую. Одна экспериментальная система, финансируемая ARPA-E, хранит энергию, закачивая воду в горные породы, и извлекает ее, когда вода выдавливается обратно.
У всех этих систем общая цель, по словам Литцельмана: «Чистая энергия 24/7». Для достижения этой цели, скорее всего, потребуется несколько новых технологий хранения, и многим компаниям придется достичь того уровня, на котором сейчас находится ESS. Если только не произойдет прорыв в какой-то другой технологии.
