Чи прискорила пандемія covid-19 революцію в енергетиці?

У публікації аналізуються екологічні проблеми в світі та вплив на них розвитку енергетичної галузі.

П. Морган

Супутникові та наземні зображення Індійського субконтиненту до поширення пандемії COVID-19 (рис.1) і після того, як для 1,3 мільярда громадян країни було видано загальнонаціональний наказ за­лишатися вдома (рис. 2). Зміна людської діяльності значно скоротилася, що призвело до зменшення за­бруднюючих викидів і чистішого та здоровішого по­вітря. (Джерело фотографій: NASA, Scientific Visuali­zation Studios).

Завдяки багатомісячним зобов’язанням залиша­тися вдома, світ зазирнув у перспективу того, що буде при різкому скороченні вуглецевих викидів. З меншою кількістю автомобілів на дорогах, човнів у воді та літаків у небі наш десятиліттями шкідливий вплив на навколишнє середовище став набагато очевиднішим. Фотографії та відео про вплив на навколишнє середовище до та після пандемії стали «вірусною» сенсацією. Мешканці провінції Пенджаб в Індії вперше за 30 років побачили Гімалаї з відстані 150 миль через зменшення забруднення повітря, а морське життя, яке роками не бачили у водних шляхах Венеції, знову повернулося , оскільки рух човнів і забруднення води у місті практично було припинено. У Пекіні, Нью-Йорку та Парижі викиди двоокису вуглецю, чадного газу та закису азоту значно знизилися. Хоча призупинення транспорту та транспортної інфраструктури на невизначений термін в ім’я цілісності навколишнього середовища є неможливим рішенням і, безсумнівно, завдасть шкоди світовій економіці, обіцянка електрифікова­ного майбутнього з нейтральним викидом вуглецю дозволяє нам мати надію на краще майбутнє.

Рис. 1. Індійський субконтинент до пандемії COVID-19: 2017-2019

Рис. 2. Індійський субконтинент після пандемії COVID-19: березень – квітень, 2020

Електромобілі в епіцентрі електрифікації. Якби в Лос-Анджелесі були електромобілі та елек­тробуси, повітря було б чистим щодня, – стверджує Лія Стокс, доцент університету з Каліфорнії. У цент­рі світового поштовху до більш стійкого, електрифі­кованого майбутнього, як стверджує автор публіка­ції, знаходиться електромобіль.

За даними Всесвітнього економічного форуму «до 2030 року на дорогах в світі буде 215 мільйонів електричних пасажирських транспортних засобів. Це означає зростання нових продажів електричних пасажирських транспортних засобів на 23% щороку з 2018 по 2030 рік». З огляду на те, що темпи впро­вадження електромобілів у всьому світі зростати­муть такими швидкими темпами протягом наступ­ного десятиліття, попит на допоміжні технології про­довжуватиме теж зростати. Майже кожен регіон сві­ту оновив свої стимули для електромобілів. Зараз настав час прискорити впровадження нової техно­логії електрифікації, але це не станеться відразу. У всій екосистемі електрифікації все ще існує багато бар’єрів для впровадження електромобілів. «До 2030 року глобальний попит на батареї становитиме 2523 гігават-години, причому 2333 гігават-години вироблятимуть батареї для електромобілів».

Всесвітній економічний форум відмітив, що сучасна інфраструктура електромережі практично не спроможна відповідати зростаючим вимогам, які постануть із збільшенням кількості електромобілів на дорогах. Крім того, електричні транспортні засо­би ще не досягли паритету за ціною та продуктивні­стю з транспортними засобами з двигуном внутрі­шнього згоряння для того, щоб викликати суттєве підвищення попиту серед споживачів. Виробники автомобілів все ще шукають більш ефективний і рентабельний спосіб електрифікації у своїх автопар­ках. Нарешті, сьогоднішні програми переробки та повторного використання акумуляторів електромо­білів недостатньо економічні та ефективні, щоб ви­правдати широке впровадження. Без повторного використання та переробки акумуляторів для елек­тромобілів багато цих виробів все ще потрапляють на звалища.

Інфраструктура електрифікації майбутнього: системи накопичення енергії, нові технології акумуляторних батарей. В останні роки накопи­чення енергії стало важливим центром уваги для фахівців, чому сприяло прогнозоване зростання кількості електромобілів та інших технологій елек­трифікації. Оскільки світ все більше залежить від електрифікації, навантаження на існуючу енергоси­стему може бути значним. Системи накопичення енергії дозволяють стабілізувати сучасну мережу, використовуючи великі батареї як буфер для нако­пичення непікової енергії, виробленої з відновлюва­них джерел, і роблячи енергію доступною в будь- який час, особливо під час високого або пікового по­питу, включаючи зарядку електромобілів. Системи зберігання енергії можуть використовувати багато буферів, розміщених поблизу точки навантаження, тому існуюча мережа може постачати більше енергії без додаткових ліній електропередач або електро­станцій, зменшуючи витрати, пов’язані з модерніза­цією інфраструктури. За прогнозами у 2030 році 65% доданої ємності накопичувачів буде використа­но для підтримки змінних відновлюваних джерел енергії в мережу та надання різноманітних мереже­вих послуг; 30% на підтримку житлових, комерцій­них та промислових об’єктів; і 5% на підтримку ін­фраструктури електромобілів.

Формування та випробування батареї є важли­вою частиною процесу виробництва батареї для електромобілів, оскільки саме тоді визначається, чи відповідатиме батарея критичним критеріям про­дуктивності та безпеки. Процес формування та те­стування складається з надзвичайно точного виміру струму та напруги протягом 24-36 годин. Усклад­нення і без того складного формування та випробу­вання батареї пов’язане з додатковими викликами через нові хімічні процеси в батареях. Ці процеси вимагають більш високого рівня точності вимірю­вань у найважчих виробничих умовах.

40% – це приблизний відсоток вартості акумуля­торної батареї електромобіля (рис. 3). Відомо, що хімічні елементи акумуляторів, такі як фосфат літію і заліза (LiFePO), набувають все більшого значення.

Хоча хімічні речовини на основі кобальту можуть за­безпечити на 10-20% більшу щільність енергії, ніж LiFePO, слід відзначити, що кобальт має високу еко­логічну токсичність. Крім того, за поточних темпів використання кобальту його світові запаси можуть бути вичерпані до 2030 року, у той же час батареї на базі LiFePO мають нижчу вартість, є безпечнішим і повністю перевірені у виробництві, оскільки широко використовуються більше 10 років. Сучасні електро­мобілі мають запас ходу від 60 до 400 миль залежно від моделі транспортного засобу, час заряджання складає від 30 хвилин до 12 годин залежно від типу зарядного пристрою автомобіля. Електромобіль чу­дово підходить для коротких дистанцій або примісь­ких поїздок, де транспортний засіб можна заряджа­ти вдома. Проте запас ходу та час зарядки є важли­вими факторами для розширення автомобільного ринку. Крім того, враховуючи 10-кратне зростання ринку електромобілів протягом наступного десяти­ліття, зростає потреба в ефективній системі керу­вання батареями для їх моніторингу та підтримки.

Рис. 3. Конструкція типового електромобіля

Електронні системи управління акумуляторною батареєю електромобіля вимагають високої точно­сті, гарантованої в загальних умовах експлуатації протягом повного терміну служби автомобіля, щоб максимізувати запас ходу електромобіля на одній зарядці.

Акумуляторна батарея електромобіля (рис. 4) складається із сотень або тисяч окремих акумуля­торних елементів, які працюють разом. У міру того, як живлення надходить до акумуляторної батареї або виходить з неї, цими елементами потрібно точ­но управляти, щоб забезпечити максимальний діа­пазон заряду. Крім того, хоча електронна система управління коштує лише частину вартості батареї, вона є головним фактором у визначенні запасу ходу, безпеки та вартості автомобіля. Наприклад, щоб за безпечити максимальну корисну ємність батареї протягом повного терміну служби автомобіля, точ­ність повинна бути гарантована в усіх умовах екс­плуатації та суворих середовищах, включаючи екс­тремальні температури, а також магнітні та елек­тричні перешкоди, протягом повного терміну служ­би електромобіля. Найсучасніша точність таких си­стем становить 2 мВ, що має бути гарантовано на кожній комірці батареї від 400 В до 800 В. Щоб за­безпечити безпеку, електронна система повинна бути розроблена так, щоб повністю відповідати всім стандартам безпеки, які постійно розвиваються та вдосконалюються. Ці стандарти вимагають розроб­ки інноваційної архітектури акумуляторів. Зараз в акумуляторних батареях почала використовуватися нова бездротова технологія. Побудована на основі існуючих компонентів дротової системи управління бездротова система управління батареями нещо­давно розроблена компанією Analog Devices і анон­сована у співпраці з компанією General Motors. Вона усуває потребу в джгуті проводів, який з’єднує еле­менти батареї, що зберігає витрати на розробку, а також пов’язані з цим механічні проблеми та склад­ність виготовлення джгута проводів. Це також доз­воляє конструкції акумуляторної батареї стати мо­дульною та масштабованою, щоб її можна було ви­користовувати в різних конструкціях автомобілів. Крім того, оскільки кожен модуль батареї є бездро­товим, дані про його параметри можна збирати та зберігати з моменту формування елемента, що доз­воляє обчислювати стан працездатності батареї. Це забезпечує більш ефективне повторне використан­ня (або другий термін служби), наприклад, під час зберігання, переробки або інших застосувань бата­реї, зменшуючи загальні витрати для виробника та власника автомобіля та обмежуючи вплив на навко­лишнє середовище.

Рис. 4. Типова акумуляторна батарея електромобіля

Друге життя акумуляторної батареї електро­мобіля (рис. 5). За прогнозом розвитку глобально­го ринку зберігання енергії очікується, що до 2035 року загальний ринок накопичувачів енергії зросте до 546 мільярдів доларів щорічного доходу. Незва­жаючи на те, що електромобілі рекламуються як екологічна альтернатива двигунам внутрішнього згоряння та викопному паливу, у них є очевидна ахіллесова п’ята: що робити з півтонною батареї, коли вона більше не може містити достатньо заряду для живлення автомобіля? Сьогодні переробка є більш поширеним варіантом, тобто процесом від­новлювання деяких, але не всіх сировинних матеріа­лів, а саме таких як кобальт і літій.

Рис. 5. Зберігання акумуляторних батарей електромобілів для повторного використання

Переробка є до­рогою, нерегульованою та не має чітко визначеного ланцюжка поставок. Інститут енергетичних дослід­жень очікує, що до 2025 року у світі буде накопичено понад 3,4 мільйона викинутих акумуляторів електро­мобілів, порівняно з приблизно 55 тисячами мину­лого року. Альтернатива переробці, або, точніше, проміжний крок, з’являється у формі повторного ви­користання батарей. Коли заряд літій-іонної батареї транспортного засобу знижується до 70-80% від по­чаткової ємності заряду, як правило, це відбуваєть­ся після восьми-десяти років експлуатації, вона більше не може живити автомобіль і потребує замі­ни. Зростаюча пропозиція цих знятих з експлуатації акумуляторів створює абсолютно нові ринкові мож­ливості, які називають сектором батарей другого терміну служби або акумуляторів другого терміну служби. Застосування батареї другого терміну служби може додати ще п’ять-десять корисних ро­ків, але в кінцевому підсумку цей термін служби ви­значатиметься тим, наскільки добре з батареєю по­водилися під час основного використання. Техноло­гія бездротової системи керування батареєю забез­печує постійне збирання даних про акумулятор, пе­редає та зберігає дані у хмарі, що робить її ідеаль­ним інструментом для зберігання даних. Завдяки бездротовій технології батарея дозволяє зберігати дані акумулятора безпосередньо в елементах аку­мулятора перед їх використанням у транспортному засобі (рис. 6). Під час експлуатації автомобіля ви­конуються обчислення, щоб зрозуміти стан працез­датності батареї, і ці дані можна постійно оновлюва­ти відповідно до умов водіння та навколишнього се редовища, щоб зрозуміти, скільки робочого часу за­лишилося в акумуляторній батареї, що знаходиться у експлуатації у транспортному засобі. Це дозволяє встановити залишкову вартість акумуляторної бата­реї, що визначає напрямок для наступного терміну служби елементів батареї.

Рис. 6. Технологія вимірювання та передавання даних про стан елементів акумуляторної батареї

Перед тим, як батарею буде направлено до по­вторного використання, ці дані можуть бути викори­стані для оцінки вартості батареї при повторному використанні. За прогнозом компанії McKinsey & Company пошук застосувань для цих все ще корис­них батарей дуже важливий і може зрештою, навіть, допомогти знизити вартість зберігання, щоб забез­печити подальшу інтеграцію відновлюваної енергії в мережі . Акумуляторні батареї електромобілів можна направити на другий термін експлуатації, якщо вони більше не відповідають стандартам про­дуктивності для електромобілів. Оскільки світ швид­ко рухається до більш екологічно стійких застосу­вань, важливо враховувати наслідки та бар’єри, які існують у всій екосистемі електрифікації. Зосеред­ження лише на одній сфері не принесе плодів більш екологічного майбутнього. Ось деякий перелік інно­вацій у використанні акумуляторних батарей для ав­томобілів:

Високоточне інтегроване тестування максимізує продуктивність батареї, а бездротова передача даних зменшує складність тестування на 50%.

Управління запасами акумуляторних еле­ментів на складі за допомогою моніторингу їх параметрів дозволяє подовжити термін служби аку­муляторної батареї в цілому на 30%.

Розроблений та сертифікований моніторинг ⁴ параметрів акумуляторної батареї дозволяє підтримувати найвищий рівень безпеки та надійно­сті електромобіля (ASIL D).

Набір бездротових рішень в акумуляторній батареї дозволяє виробникам транспортних засобів застосовувати модульний підхід і гнучкість у конструкції батарейних блоків без перепроектуван­ня та складання нових джгутів.

Високоточні вимірювання параметрів елемен­тів батареї збільшують запас ходу автомобіля до 15% завдяки збільшенню корисної ємності аку­мулятора.

Підтримка детального моніторингу парамет­рів окремих елементів батареї протягом усь­ого терміну її служби спрощує технічне обслугову­вання.

Бездротова технологія компанії Analog De­vices забезпечує додаткову швидкість оцінки залишкової вартості батареї, водночас знижуючи вартість збирання акумулятора для другого терміну служби на 15%.

Забезпечується можливість вторинного вико­ристання батареї електромобіля для підве­дення електроенергії до раптово відключених від мережі інфраструктурних об’єктів.

Дані про стан у часі акумуляторної батареї вико­ристовуються для сертифікації її при повторному використання. Наприклад, за допомогою безпечної зарядки потужністю 350 кВт старі батареї електро­мобілів можна використовувати для накопичення сонячної енергії для живлення автономних громад.

Відомо, що електроенергія займає одне з цент­ральних місць в житті кожної людини. Лікарні, шко­ли, будинки, вуличне освітлення та зв’язок залежать від надійного постачання електроенергії. Тепер, більше ніж століття тому, як перші електричні дроти перетнули наші міста, енергетична галузь пережи­ває другу революцію — таку, яка сформує не лише нову паливну суміш, що живить мережу, але й саму систему розподілу електроенергії — від централізо­ваної до децентралізованої. У кінцевій меті лежить здоров’я нашої планети та нас самих. Як стверд­жують екологи, забруднення повітря твердими ча­стинками скорочує середню тривалість життя лю­дей у всьому світі майже на 2 роки.

ВИСНОВКИ

Спалювання викопного палива для виробництва електроенергії чи тепла є причиною приблизно по­ловини забруднень в світі, викликаних глобальним потеплінням . Підготовка акумуляторних батарей для електромобілів до другого терміну служби може допомогти зменшити екологічну токсичність. Елек­тромобілі, які з часом замінять транспортні засоби, що витрачають газ, можуть знизити забруднення повітря в містах на 50-90%. Таким чином, відновлю­ване електрифіковане майбутнє пропонує кожній людині шанс на здоровіше життя та реалізацію свого потенціалу у чистішому середовищі.

ЛІТЕРАТУРА

1. Rob Picheta. People in India can see the Hi­malayas for the first time in ’decades,’ as the lockdown eases air pollution. CNN, April 9, 2020.

2. Melissa Locker. Video Captures Gliding Jellyfish Visible in Venice’s Canals as Italy Remains on Lock­down. Time, April 22, 2020.

3. Second-Life EV Batteries: The Newest Value Pool in Energy Storage, McKinsey & Company, April 30, 2020.

4. David Biello. How to Solve Global Warming: It’s the Energy Supply. Scientific American, April 14, 2014.