В процессе революционного роста и развития систем хранения энергии и управления электропитанием, электрогенерирующие компании и потребители электроэнергии вынуждены решать множество новых возникающих вопросов безопасности.
В апреле прошлого года, в автомобильной дизайн-студии в Hawthorne, штат Калифорния, генеральный директор Tesla – Элон Маск объявил о запуске стартапа под названием Tesla Energy . Цель проекта – это не что иное, как «фундаментальная трансформация способа энергофункционирования мира и способа передачи энергии на всей планете».
Инновационные проекты компании Tesla
Он представил два литий-ионных аккумулятора: PowerWall для бытового использования и PowerPack, для промышленного использования. PowerWall, форма и размер которой едва больше разделочной доски, может быть смонтирована на стене в гараже или подсобке, как бытовой прибор. Powerpack напоминает негабаритный холодильник. Он уже установлен на приблизительно 50 объектах по всей территории США. И компания Тесла утверждает, что в скором времени PowerPack будет установлен по крайней мере в 20 крупных офисных зданиях в Калифорнии. Обе батареи основаны на технологии, которые Тесла впервые испытала в своих автомобилях Model-S, но вместо того, чтобы приводить в движение колеса, аккумуляторы PowerPack и PowerWall предназначены для хранения энергии для питания дома, офиса или даже завода, аэропорта, больницы, целой электрической сети.
На фоне шумного запуска проекта Tesla Energy и привлечения внимания широкой аудитории, большие батареи или так называемые системы хранения энергии (ESS) в промышленности медленно развивались более десяти последних лет. В Нью-Йорке есть госпрограммы развития экологически чистой энергии: такие как Реформирование энергетической инициативы (REV) и Бонусная программа самогенерации Калифорнии, которые поощряют бизнес более широко внедрять технологии хранения энергии. На самом деле, многие наблюдатели считают, что мир приходит к изобилию энергии и реформа хранения энергии означает Клондайк для энергетики. Исследовательская фирма IHS Market Technology предсказывает, что к 2017 году, годовые мощности установок по хранению энергии во всем мире будет 6 гигаватт (ГВт), достаточно для питания 6 миллионов домов. IHS прогнозирует, что емкость установок хранения энергии превысит 40 ГВт к 2022 году, по сравнению с 0,34 ГВт в 2012-2013 г.г.
Привлекательность батарей выходит далеко за рамки экологического альтруизма. Способность накапливать энергию для последующего использования означает, что потребители и предприятия могут покупать электроэнергию, когда цены низкие, и использовать ее, когда спрос на электричество приводит к росту цен на электроэнергию. Практика, называемая «peaksharing» или пиковая разгрузка, потенциально может сэкономить сотни тысяч долларов в год крупным потребителям энергии. Больницы, центры обработки данных, аэропорты и другие объекты с бесперебойным циклом работы могут использовать заряд батареи, чтобы обеспечить непрерывность процессов в чрезвычайной ситуации. Хранение энергии также относится и к частным потребителям; в сочетании с солнечной энергией, системы обещают потенциальную свободу от сети, а также резервное питание при отключениях электроэнергии.
Накопители энергии также быстро становятся важным ресурсом для электрических коммунальных предприятий. Батареи позволяют иметь доступную резервную энергию при пиковых значениях нагрузки во время всплесков потребления, например, во время летней жары или аномальных холодов. Без накопления энергии, единственный вариант для удовлетворения пикового спроса нового поколения – это включение или строительство новых электростанций. Это неэффективная система, которая приводит к тому, что общие генерирующие мощности значительно превышают спрос на протяжении года. А это ведет к увеличению риска возгораний, перепадам напряжения, износу оборудования, пожарам, и в конечном счете денежным потерям. На самом деле, 95% времени, подстанции используются недостаточно,” говорит Амори де ла Круз, директор программы управления спросом ConEdison, одного из крупнейших поставщиков коммунальных услуг в Соединенных Штатах. “Но всякий раз, когда есть увеличение пикового спроса, мы должны вкладывать средства в нашу систему, и строить больше проводов и мест хранения – энергоподстанций”. Элон Маскиз Тесла утверждал, что с помощью надлежащим образом организованного стационарного хранения, половину электрогенерирующих заводов в мире можно будет закрыть без влияния на электросеть.
Тесла уже продал все PowerWall и Powerpack батареи до конца 2016 года, принимая заказы на сумму более $ 1 млрд, Маск сообщил журналистам в ходе телефонной конференции отчет о доходах. Компания резко увеличит производство в 2017 году благодаря Gigafactory, которая строится сейчас в пустыне Невада, объем инвестиций Тесла составит $ 5 млрд. “Мы считаем, что мы в начале быстро растущего развертывания этих систем”, сказал Скотт Кона, директор по безопасности батарей и НИОКР компании Тесла. “Это только начало.”
Безопасность новых систем хранения энергии
В то время как с хранением энергии все очевидно, что вызывает вопросы так это: а «что делать если что – то пойдет не так?». Как батареи с различными химическими компонентами и технологиями реагируют на огонь? Как пожарные убедятся, что горящие батареи полностью потушены? Как потребитель может перемещать поврежденные батареи, в которых по-прежнему есть заряд? Каковы риски для первых пострадавших от воздействия токсичных газов, электричества и других опасностей, связанных с ESS , и где источник пожарной опасности или других потенциальных рисков эксплуатации? Как достойно и безопасно отстроить этот квантовый скачок энергопромышленности?
Разработка протоколов и систем безопасности (в т.ч. систем газового пожаротушения) нового типа уже вовсю исследуются и разрабатываются в США : Отдел пожарной охраны Нью – Йорка (FDNY), и электроэнергетическая компания ConEdison, Фонд исследований противопожарной защиты (FPRF), планируют стимулировать клиентов в Нью – Йорке, чтобы установить ESS в своих зданиях. До сих пор лишь некоторые стандарты были отражены в Своде правил пожарной безопасности NFPA 1, и NFPA 70®, NationalElectricalCode®.
Работа над ESS происходит в других местах тоже. В декабре 2014 года Министерство энергетики США (DOE) опубликовало свой “Стратегический план Energy Storage», который выделяет три основные потребности: стандартизированные методы для проверки безопасности системы; Обновленные коды, стандарты и правила безопасности ESS; и процедуры, чтобы безопасно реагировать и обрабатывать Системы хранения энергии в случае чрезвычайных ситуаций и аварий. NFPA, UnderwritersLaboratories (UL), организация FPRF, и несколько других учреждений в США также прилагают усилия для устранения этих пробелов. Такие нормативные документы должны решать проблемы установки, выбора площадки, тестирование, техническое обслуживание, вентиляцию, противопожарную защиту системы.
Систем хранения энергии – динамическая технология
Разработка протоколов для оценки систем хранения энергии и создание чрезвычайных мер является сложной задачей, отчасти потому, технология ESS постоянно расширяется и развивается. История ESS относит нас в 30-е годы XX века, когда гидроузел механической формы накопления энергии играл значительную роль в надежности электрической сети. Концепция проста: в периоды высокой электро нагрузки, спуск воды из большого верхнего резервуара в нижний резервуар, поворачивал турбину таким же образом, как на обычных гидроэлектростанции. На ГЭС по- прежнему приходится 95% мощности сохраненной энергии в мире, но это соотношение меняется. Увеличение потребности в более гибких и надежных поставок энергоносителей, рост использования возобновляемых источников энергии, более строгих норм экологического регулирования и последних технологических достижений проложили путь для быстрого роста накопления энергии электрохимическим способом в батареи большой емкости.
В 2003 году, GoldenValley Electric, электропредприятие в г. Фэрбенкс, Аляска, установило одну из крупнейших ESS батарей даже померкам сегодняшнего дня, никель-кадмиевую батарею весом 1500-тонн, для обеспечения резервного питания для своих 44,000 потребителей. Батарея мощностью27 (!) мегаватт (МВт) запускается автоматически или в ручном режиме, если есть проблема с питанием от основного источника питания. В 2014 году батарея сработала в 78 случаях, предотвращая в общей сложности 263,489 отключений клиентов.
Последние технологические прорывы сократили стоимость ESSи позволили хранению энергии также стать доступным для предприятий и индивидуальных домовладельцев. В 2010 году в Калифорнии Комиссия по коммунальным предприятиям спонсировала $ 1,8 млн. проекту Solar City, для установки фотоэлектрических панелей на жилых комплексах и батарей для хранения электроэнергии, вырабатываемой на крыше солнечных батарей. Благодаря этому решению дома не только стали полностью энергонезависимыми, но и имели возможность продавать избыток от 5 до 10% от вырабатываемой панелями электроэнергии. В США подумывают, чтоб сделать это техническое решение обязательным.
Будущее уже наступило
Другие отрасли промышленности обращаются к сохранению энергии либо в дополнение к их ветровой, либо солнечной панели, сокращая свои счета за электричество. Глобальная база Департамента США данных Energy Storage в настоящее время исчисляется более чем 1400 коммерческих проектов ESS.
Здесь и передовая производство свинцово-кислотных аккумуляторов на заводе- изготовителе Ford Motor в Дирборн, штат Мичиган; аккумулирование тепловой энергии льда в зоопарке Торонто; аккумуляторная натрий-серная батарея на ветроэлектростанции в Японии; батарейный отсек на 25-м этаже штаб – квартиры MetropolitanTransitAuthority в Манхэттене; и флот из 24 гибридных электрических офисных зданий в Калифорнии с использованием 10 МВт хранения энергии в литий-ионных ESS. Только в Нью – Йорке были одобрены проекты ESS по крайней мере пять различных химических типов батарей для использования как внутри, так и вне помещений. Роджер Лин, Директор по маркетингу продуктов NEC Energy Solutions говорит: “Существует многоуровневый подход к безопасности, которые должны быть приняты всеми в отрасли, без ущерба для надежности. Если мы не делаем это правильный путь, это будет замедлять принятие, но мы должны сделать это. Существует баланс, и мы должны выяснить, что это такое. “
Пожаротушение энергосберегающих систем и энергонакопителей
«Правильно определенная комбинация рисков, присущих ESS несколько уникальна, но отдельные угрозы дуговой вспышки, огонь, горение, напряжение и токсичность – являются теми угрозами, которые уже существуют в таких крупных агломерациях, как Нью-Йорк, и связаны со средствами быстрого реагирования, организацией подстанций для хранения химических веществ” – сказал Дэвид Розуотер, инженер Sandia National Laboratories, который изучает ESS.
Для служб быстрого реагирования возможно большей проблемой, чем сама ESS, является миграция систем в домах, офисах и заводах. Необходим анализ рисков и разработка моделей поведения, чтобы иметь четкую инструкцию в случае возгорания, как сдерживать воспламенение или как организовать меры спасения.
Фото: автомобиль сгорел вследствие возгорания батареи в электро-транспортном средстве.
Проблемы возгорания батарей в электротранспортных средствах также относятся к вопросам безопасности систем хранения энергии.
В то же время, UL находится в завершающей стадии завершения нового стандарта, UL 9540 , который охватывает тестирование безопасности ESS. Новый стандарт ссылается на ряд существующих стандартов UL, включая UL 1973, в котором рассматривается безопасность литий-ионного аккумулятора ESS. UL 9540, как ожидается, будет завершена в 2016 году, но тестирование и сертификация к проекту стандарта уже начались.
Исследования также устраняют научные пробелы. FPRF скоро выпустит развернутый отчет по безопасности, содержащий обзор технологии ESS по настоящее время и оценку опасности для каждого из них. Частично в этом проекте выступает TESLA, которая подключилась к программе испытаний батарей Power Packs на строящемся заводе в пустыне Невада. Тестировали как внешние, так и внутренние сценарии развития пожара и включали измерение температуры, скорости высвобождения тепла и аспирационный состав газов.
Ветеро-элекрогенерация для систем хранения данных
Эксперты говорят , что хранение станет неотъемлемой частью альтернативной генерации энергии, таких как ветер и солнечная энергия. Кроме того, ConEdison имеет партнерские отношения с FDNY по тестированию ESS небольшой мощности в специальных боксах для огневых испытаний.
Тестируют пять различных процессов, влияющих на разработку эффективной системы пожаротушения аккумуляторов:
- скорость высвобождения тепла;
- влияние утечки вредных газов и жидкостей из батарей во время пожара;
- какие огнетушащие вещества являются наиболее эффективными в подавлении или тушении возгораний в батареях;
- при каких условиях возникает искрение и перегрев батарей;
- тепловые утечки из корпусов.
Испытания будут использованы для создания компьютерной модели, которая сможет предсказать, что произойдет в случае полномасштабных пожаров. Прогресс систем безопасности и пожаротушения, в том числе и благодаря стремительному развитию этой отрасли,ESS, неизбежен от создания новых встроенных систем противопожарной защиты до новых стандартов строительства и проектирования зданий, промышленной маркировке, системах энергоменеджмента, совершенствовании систем вентиляции, нейтрализации токсичных газов, и т.п. все это позволит сделать квантовый скачок энергетики безопасным для потребителей, и поможет прогрессивной мысли многих изобретателей-предпринимателей, вроде Элона Маска, изменить энергетический паттерн индустрии для всего человечества.
