В настоящей статье описывается структура малой СЭС для частного домовладения, представлено описание ее структуры и состава оборудования, рассмотрены преимущества от применения в составе системы аккумулирования суперконденсаторов на основе графена.
Ключевые слова: распределенная генерация, возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, суперконденсатор, графен, микрогрид
This article concepts the structure of Solar Station for private households, describes its structure and composition of equipment, discusses the advantages of using graphene based supercapacitors as part of a storage system.
Keywords: distributed generation, renewable energy sources, solar energy, supercapacitor, graphene, microgrid.
Развитие солнечной генерации в мире
Согласно данным исследований, опубликованных в «Энергетическом Бюллетене» от января 2017 г., Солнечная энергетика показывает быстрые темпы развития с ожидаемым выходом к 2040 году на уровень 6,2 % мирового производства электроэнергии, хотя на сегодня это и небольшой показатель, но ее роль стремительно растет. При этом в последнее время она получает распространение не только благодаря принимаемым мерам государственной поддержки, но и по причине видимых результатов ее развития — технологической зрелости отрасли, и в отдельных случаях, высокой экономической конкурентоспособности. Россия пока имеет достаточного количества мощностей на базе солнечной генерации, как например крупнейшая десятка стран, эксплуатирующих СЭС в своих энергосистемах, лидирующее положение среди которых занимают Германия или Китай. В России данная отрасль находится в начальной стадии развития, а солнечные электростанции в отличие от Европы строятся не повсеместно, а в регионах с наиболее благоприятными природно-климатическими условиями и в изолированных районах, где использование ВИЭ характеризуется высокой эффективностью. [1]
Меры по стимулированию солнечной генерации в России
19 июля 2017 г., вице-премьер Аркадий Дворкович одобрил план по стимулированию микрогенерации на основе возобновляемых источников энергии. В этом документе идет речь о солнечных панелях и мини-ветряках мощностью до 15 кВт, излишки вырабатываемой мощности которых потребители, в том числе и население, смогут продавать в сеть. Подобная мера стимулирования в рамках принятой в Германии в 1999 г. программы «100 000 солнечных крыш», показала свою эффективность, сделав установку солнечных батарей на крышах жилых домов весьма выгодным бизнесом. Согласно документу, гарантирующие поставщики (основной энергосбыт региона) будут обязаны выкупать объемы электроэнергии, и эти доходы не будут облагаться налогами. [2]
Солнечная энергия — применимость для микрогенерации
Солнечное излучение исходит от Звезды с яркостной температурой около 6000 оС, что делает его с термодинамической точки зрения, высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (электроэнергия, тепло, холод) с высоким КПД. Однако существенными ее недостатками, с технической точки зрения, являются нестабильность (суточная, сезонная, метеорологическая) и относительно небольшая плотность энергетического потока: за пределами Земной атмосферы интенсивность солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м2, на земной поверхности в ясный полдень эта величина будет уже около 1 кВт/м2, а в среднем за год (с учетом ночных часов и погодных условий) от 150 до 250 Вт/м2, что тем не менее соответствует ежегодному поступлению на 1 м2 земной поверхности энергии, эквивалентной 150–250 кг у. т. (1 кг условного топлива = 8,141 кВт*ч). Эти свойства солнечного излучения затрудняют создание эффективных энергетических устройств, поскольку требуется большая площадь для приемников солнечного излучения и создание массивных хранилищ на основе аккумуляторов энергии. В результате, стоимость солнечных установок получается высокой, что снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, использующим дешевое органическое топливо. [3]
С появлением мер государственной поддержки, описанных выше, размещение солнечных панелей на крышах частных жилых домов может стать экономически выгодным для населения РФ, что подстегнет рост доли ВИЭ в общем энергобалансе страны. Но помимо налоговых льгот и возможности заработка от продажи излишков энергии в сеть, экономическая эффективность мини-СЭС напрямую зависит от себестоимости всей установки.
Структура крышной СЭС
На Рис.1 показана структурная схема малой СЭС для размещения на крыше сельского дома, которая включает в себя:
– Солнечные панели;
– Контроллер заряда
– Контроллер заряда
– Аккумуляторные батареи
– Инвертор
Рис. 1. структура малой СЭС
На сегодняшний день, в Российской Федерации локализовано производство солнечных панелей более чем десятью компаниями, крупнейшими из которых являются:
– ЗАО «Телеком-СТВ», завод в г. Зеленоград
– ООО «Хевел», завод в г. Новочебоксарск
Локализация производства остального оборудования (контроллер заряда, аккумуляторные батареи, инвертор, силовое оборудование для солнечных панелей) находится на начальном этапе или вовсе отсутствует (инверторы, силовое оборудование для постоянного тока). Данное обстоятельство влияет на выбор оборудования, в большинстве случаев, решение принимается в пользу комплектующих иностранного производства, и это является фактором удорожания всей системы. Энергия, полученная от солнечных батарей, направляется на зарядку аккумуляторов, и только после попадает к потребителю. Соответственно крупную составляющую в общей стоимости малой СЭС имеют аккумуляторные батареи, на которые приходится больший удельный вес в системе, чем на остальное оборудование. Применение аккумуляторных батарей в большом количестве необходимо по нескольким причинам: - обеспечивают сглаживание неравномерности поступления энергии (в облачную погоду). - гарантированное энергоснабжение потребителя в моменты отсутствия солнечного излучения (ночью и в пасмурные дни).
Хранение энергии комбинированным способом — с применением суперконденсаторов и аккумуляторных батарей
Накопитель энергии является ключевым компонентом для создания устойчивых энергетических систем. Современные технологии производства электроэнергии, базирующиеся на базе ВИЭ, такие как солнечные панели и ветротурбины, генерируют энергию устойчивым и экологически чистым способом. Однако их прерывистый характер все еще мешает им стать первичным носителем энергии. Технологии хранения энергии с применением суперконденсаторов способны компенсировать проблему прерывистости возобновляемых источников энергии путем быстрого аккумулирования генерируемой прерывистой энергии, с последующей возможностью сделать ее доступной в большом количестве по требованию. Электротранспорт является ярким примером того, как технологии хранения энергии, базирующиеся на современных материалах, могут превратить транспортную систему в более устойчивую модель. На сегодняшний день основная ставка в быстром накоплении энергии сделана на суперконденсаторы на основе графена. Французская компания Adgero представила грузовой прицеп, оснащённый рекуперационной системой UltraBoost ST с суперконденсаторами SkelMod 50F 160V производства компании Skeleton Technologie, изготовленными на основе графена. Благодаря повторному использованию кинетической энергии прицеп позволяет тягачу экономить до четверти объема топлива. [4]
Суперконденсатор на основе графена
Графен — это двухмерный кристалл углерода: его слой толщиной всего в один атом. Впервые этот материал смогли синтезировать физики Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета и провели серию экспериментов, в 2010 году они получили за свои опыты Нобелевскую премию. Графен обладает высокой прочностью, теплопроводностью и наибольшей подвижностью электронов среди всех известных материалов.
Главная особенность суперконденсаторов (ионисторов) — очень высокая скорость заряда и разряда, но по плотности заряда они ощутимо уступают традиционным аккумуляторам. Использование графеновых электродов позволяет серьезно повысить этот показатель, хотя и в этом случае конденсаторы уступают современным литий-ионным аккумуляторам. Как правило, такие ионисторы имеют плотность энергии 15–35 Вт*ч/кг — примерно, как у свинцово-кислотных батарей. Лучшие лабораторные образцы этих конденсаторов сейчас способны обеспечить плотность энергии около 83 Вт*ч/кг. Теоретически возможен рост еще примерно вдвое, но современные литий-ионные аккумуляторы уже сейчас имеют плотность энергии свыше 200 Вт*ч/кг.
Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами
из Nanotek Instruments Inc. (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4. Подробная структура графенового суперконденсатора приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структура суперконденсатора
Плотность заряда такого устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями. Если говорить о цифрах, то плотность энергии в созданном устройстве — порядка 85,6 Вт×час/кг при комнатной температуре и порядка 136 Вт×час/кг при 80 градусах по шкале Цельсия [5]. В суперконденсаторе энергия хранится электростатически на поверхности материала и не связана с химическими реакциями в нем. Учитывая этот фундаментальный механизм, суперконденсаторы могут быстро заряжаться, что приводит к очень высокой скорости заряда без утраты возможности хранения с течением времени. Суперконденсаторы могут выдерживать миллионы циклов заряда / разряда, не теряя своих характеристик по емкости, что является существенным преимуществом перед аккумуляторными батареями с химическими электролитами. Основным недостатком суперконденсаторов является их сравнительно низкая плотность накопления энергии, что означает меньшую плотность хранения энергии на единицу массы, особенно по сравнению с обычными батареями. Кроме того, стоимость материалов суперконденсаторов часто превышает стоимость материалов для батарей из-за повышенной сложности создания высокопроизводительных материалов суперконденсаторов. Однако недавние успехи в создании новых материалов для суперконденсаторов, таких как графен, и совершенствовании методов их производства вскоре могут свести к минимуму разрыв в плотности заряда, по сравнению с аккумуляторными батареями.
Две технологии хранения, батарея и суперконденсатор представляют собой противоположные по характеристикам способы накопления энергии. Батарея представляет собой «медленного» и устойчивого поставщика энергии для «длительных» во времени энергетических потребностей, а суперконденсатор представляет собой «быстрого» поставщика энергии, который быстро заряжается и разряжается для мгновенных энергетических потребностей. Тем не менее, вместо того, чтобы рассматривать их как конкурирующие технологии, может быть более полезно рассматривать их как дополняющие технологии: Суперконденсаторы из Maxwell Technologies (NASDAQ: MXWL) в настоящее время используются в китайских гибридных автобусах. Суперконденсаторы заряжаются, когда автобус тормозит, а затем разряжается, чтобы ускорить разгон автобуса. Тем не менее, суперконденсаторы сами по себе не могут поддерживать энергетические потребности автобуса. Электрические автомобили Tesla полностью работают на батареях, но вес и габариты батареи значительно ограничивает диапазон автомобиля, поскольку большая часть электроэнергии используется во время ускорения. Если эти две технологии будут объединены, улучшенный электрический автомобиль будет ускоряться с использованием суперконденсаторов, что уменьшит количество требуемых батарей, уменьшит вес автомобиля и тем самым расширит диапазон [6].
Схожая с вышеописанной ситуация имеет место с выработкой и мгновенным потреблением энергии, наблюдающемся в системах энергоснабжения на базе ВИЭ, что является их основным недостатком на сегодняшний день, и препятствует повсеместному их распространению в распределенной генерации [7].
Современные драйверы эффективности ВИЭ в РФ
Применение гибридных накопительных систем на базе суперконденсаторов и аккумуляторных батарей, в составе систем микро-генерации «Микрогрид» для частных домовладений, с учетом вводимых мер Государственной поддержки по ВИЭ, позволяет получить устойчивые и гибкие системы гарантированного энергоснабжения потребителей. Внедрение и эксплуатация систем генерации на базе ВИЭ, помимо экологического эффекта, может принеси дополнительную выгоду для государства от экспорта вытесненных «излишков» углеводородных энергоресурсов, на основе которых осуществляется генерация традиционными способами. Например, на территории России газ является субсидируемым видом топлива, т. е. для внутренних потребителей он продается по более низким ценам, чем на экспорт. Путем вытеснения некоторого объема газа, обычно сжигаемого на ТЭС и ТЭЦ по всей территории РФ, и последующей его продажей на экспорт будет достигнут ощутимый экономический эффект от ВИЭ уже в ощутимых масштабах. [8]
Литература:
- Л.Григорьев, В.Гимади и др., Энергетический бюллетень «Развитие солнечной энергетики», Январь 2017, № 44, Аналитический центр при правительстве Российской Федерации, Москва.
- Т. Дятел, «Домашнюю генерацию встраивают в рынок». Газета «Коммерсантъ» № 132 от 24.07.2017, стр 7.
- О. С. Попель, «Возобновляемые источники энергии: роль и место в современной и перспективной энергетике», Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2008, т. LII, № 6
- Суперконденсатор в системе рекуперации // Энерговектор, корпоративная газета ПАО «Лукойл», электронная версия:. URL: http://www.energovector.com/science-energozagashnik.html
- Самый емкий графеновый конденсатор // Nano news net сайт о нанотехнологиях #1 в России:. URL: http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/samyi-emkii-grafenovyisuperkondensator
- Storage Wars: Batteries vs. Supercapacitors // Santiago Miret. URL: http://berc.berkeley.edu/storage-wars-batteries-vs-supercapacitors
- А.Гильманова, «3 мифа о возобновляемой энергетике»: // Эхо москвы. URL: http://echo.msk.ru/blog/gilmanova_alina/1609200
- Ю.Барсуков, «Россия должна начать строительство больших возобновляемых электростанций», Газета «Коммерсантъ» № 97 от 02.06.2017, стр. 13
