Электричество — один из трёх компонентов, составляющих общее производство энергии, необходимой человечеству для жизнедеятельности. Два других — транспорт и отопление. Каков мировой электроэнергетический баланс, и из каких источников он состоит? Сколько мы получаем электроэнергии из угля, нефти и газа, а сколько от атомной энергетики, гидроэнергетики, солнца или ветра? Ответ на этот вопрос содержится на рис. 1 — согласно данным Международного энергетического агентства (IEA), в 2024 году мировые спрос и производство электрической энергии превысили 29 тыс. ТВт·ч, причём доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) выросла с 19% в 2000 году до более чем 30%, а к 2025-му может увеличиться до 35%.
Рис. 1. Мировое производство электроэнергии по типам источников
«Рост мирового спроса на электричество в этом и следующем году, как ожидается, будет одним из самых быстрых за последние два десятилетия, что подчёркивает растущую роль электроэнергии в мировой экономике, а также воздействие сильных волн тепла… Крайне важно расширять и укреплять энергосети, чтобы обеспечить граждан безопасным и надёжным электроснабжением, а также внедрять более высокие стандарты энергоэффективности, чтобы справиться с нагрузкой на энергосистемы, возникающей в результате возросшего спроса на охлаждение», — говорит Кейсуке Садамори (Keisuke Sadamori), директор IEA по энергетическим рынкам и энергобезопасности.
В глобальном масштабе уголь, а за ним и газ всё ещё являются крупнейшими источниками производства электричества. Из низкоуглеродных источников наибольший вклад вносят гидроэнергетика и атомная энергетика, хотя доля ветровой и солнечной энергетики быстро растёт.
На рис. 2 представлена современная структура электроэнергетики отдельных стран в расчёте на душу населения. Стоит отметить, что изменения в ней за последние десятилетия стали весьма существенными. Например, в Великобритании доля всего ископаемого топлива в производстве электричества на текущий момент составляет 40%, в то время как в 1980-х годах один только уголь был источником более половины вырабатываемой в этой стране электроэнергии (сейчас доля угля во всей Великобритании не превышает 2%). Итого можно констатировать, что в глобальном масштабе более трети электроэнергии поступает из низкоуглеродных источников. Однако бóльшая её часть по-прежнему «извлекается» из ископаемого топлива, в основном угля и газа.
Рис. 2. Производство электроэнергии на душу населения за счёт ископаемого топлива, атомной энергии и возобновляемых источников энергии в 2023 году
Таким образом, в мире производится почти 29 тыс. ТВт·ч в год. Для декарбонизации столь масштабной индустрии мирового электроснабжения потребуется нечто большее, чем солнечные панели и ветровые турбины, которые вырабатывают энергию за счёт солнечного света и ветра.
Сетевые хранилища предлагают решение проблемы перебоев в подаче электроэнергии, но их слишком мало. IEA, официальный прогнозист, считает, что глобальная установленная мощность аккумуляторных батарей должна увеличиться в пять раз — с менее 200 ГВт в прошлом году до более чем 1 ТВт к концу десятилетия, а также почти до 5 ТВт к 2050 году, если мир будет придерживаться политики Net-zero Emissions — взятого курса на достижение нулевых антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу (рис. 3). Для этого потребуются многочисленные и усовершенствованные системы накопления энергии. К счастью, бизнес по распределённому хранению электроэнергии как раз получил новый импульс.
Рис. 3. Установленная мощность систем хранения энергии в мире по двум сценариям
Не так давно крупные сетевые хранилища энергии использовали традиционные гидроэлектрические системы, которые перемещали воду между резервуарами, находящимися на разной высоте, например, в разных частях склона горы.
На смену этим системам пришла новая концепция — большие контейнеры с аккумуляторными батареями, расположенные длинными рядами под навесами. По данным IEA, в прошлом году во всём мире было установлено 90 ГВт аккумуляторных батарей, что вдвое больше, чем в 2022 году, из которых примерно две трети были использованы для электросетей, а остальное — для других целей, таких как использование солнечной энергии в жилых домах. Сейчас для хранения энергии интенсивно разрабатываются новые химические технологии. По оценкам консалтинговой компании Bain, рынок сетевых систем хранения энергии может вырасти с $15 млрд в 2023 году до $200–700 млрд к 2030-му и от одного до трёх триллионов долларов к 2040 году.
Рис. 4. Средняя мировая цена на литий-ионные батареи по типу их применения
Резкое снижение цен на литиевые аккумуляторы способствовало их внедрению в сетевые структуры хранения электроэнергии. Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) констатировали, что стоимость литий-ионных батарей снизилась на 97% за последние 30 лет (впервые они появились на рынке в 1991 году). Этот показатель сравним с таковым для солнечных фотоэлектрических панелей, падение стоимости которых считается просто исключительным. По данным исследовательской группы BNEF, средняя цена стационарных литиевых батарей за 1 кВт·ч хранения упала примерно на 40% в период с 2019 по 2023 годы. Глобальное замедление темпов внедрения электромобилей, работающих по аналогичной технологии, привело к тому, что повышенный интерес к сетевым накопителям проявили производители аккумуляторов. В 2019 году стационарные литиевые аккумуляторы стоили почти на 50% дороже, чем те, которые используются в электромобилях; эта разница сократилась до менее чем 20% по мере увеличения количества производителей (рис. 4). IEA считает, что солнечная энергетика в сочетании с батареями в настоящее время конкурирует с угольной энергетикой в Индии и скоро будет дешевле, чем газовая электрогенерация в США.
Центром мирового производства аккумуляторов является Китай. Здесь расположены шесть из десяти крупнейших мировых производителей, включая CATL* и BYD* (рис. 5). Доля производства аккумуляторов в Китае, предназначенных для электросетей, выросла с почти нулевого уровня в 2020-м до примерно пятой части в прошлом году, превысив долю, используемую в бытовой электронике.
Рис. 5. ТОП-10 мировых производителей литий-ионных батарей по действующей мощности
Такому росту способствовала политика в стране, согласно которой крупные солнечные и ветровые проекты также предусматривают установку накопителей.
Китайские производители аккумуляторных батарей активно внедряют инновации. С 2018 года CATL увеличила свои расходы на исследования и разработки в восемь раз — до $2,5 млрд. Концерн BYD, инвестирующий значительные средства в робототехнику и искусственный интеллект, построил в городе Хэфэй (Hefei) завод по производству аккумуляторов, который почти полностью автоматизирован.
Однако в этой отрасли в КНР уже наблюдается избыток производственных мощностей. По данным Bloomberg, одни только китайцы уже производят достаточное количество литиевых батарей, чтобы удовлетворить мировой спрос на все виды аккумуляторов, причём недавно в Китае было объявлено о планах увеличить мощности до 5,8 ТВт·ч к 2025 году, что вдвое превышает нынешнюю глобальную мощность в 2,6 ТВт·ч. Это будет катастрофой для многих компаний, производящих аккумуляторы, в том числе для электросетей. По данным исследовательского подразделения Benchmark Mineral Intelligence, за первые семь месяцев 2024 года было отменено или отложено строительство 19 «гигазаводов» (gigafactory) по производству аккумуляторов в Поднебесной.
Обвал цен также нанёс удар по многим западным производителям аккумуляторных батарей. Одним из примеров является шведская компания Northvolt, которую некоторые считают ответом Европейского союза китайским производителям. В прошлом году компания сообщила об убытках в размере $1,2 млрд по сравнению с $285 млн в 2022 году. Следствием этого, вероятно, станет волна консолидации компаний ЕС, как и предсказывал ранее в этом году Робин Цзэн (Robin Zeng), руководитель концерна CATL.
Тем не менее, «кровопролитие» среди производителей аккумуляторов может помочь, а не навредить внедрению аккумуляторных батарей. Цены могут упасть ещё больше, поскольку наиболее производительные компании займут бóльшую долю рынка. Жёсткая конкуренция уже стимулирует инновации, поскольку участники рынка ищут новые технологии, которые помогут им конкурировать. Одной из перспективных альтернатив являются натрий-ионные аккумуляторы. Для них не требуется дорогостоящий литий, и, хотя они обладают более низкой плотностью энергии, это является меньшей проблемой для стационарных аккумуляторов, чем для электромобилей.
Руководители компаний спешат разработать технологию хранения энергии для электросетей, и несколько стартапов тоже делают на неё большие ставки. Американская компания Natron, поддерживаемая нефтяным гигантом Chevron, инвестирует $1,4 млрд в строительство завода по производству натриево-ионных аккумуляторов в штате Северная Каролина (США), открытие которого запланировано на 2027 год. А Лэндон Моссбург (Landon Mossburg), исполнительный директор Peak Energy, ещё одного натриево-ионного стартапа, желает, чтобы его фирма стала «настоящей американской CATL».
Том Дженсен (Tom Jensen), руководитель Freyr Battery, другого стартапа, считает, что единственный способ, с помощью которого западные производители аккумуляторов смогут конкурировать, — это внедрение новых технологий. Список инновационных подходов растёт. EnerVenue, ещё один стартап, занимается коммерциализацией никель-водородных аккумуляторов. Фирма собрала более $400 млн и построит завод в штате Кентукки (США), который, как она надеется, будет производить дешёвые батареи, способные длительное время сохранять энергию.
Помогает то, что новые технологии хорошо подходят для удовлетворения растущего спроса на энергию в центрах обработки данных (ЦОД), которые технологические гиганты вроде Apple или Amazon стремятся «запитывать» именно от ВИЭ.
Тот факт, что натрий-ионные аккумуляторы менее подвержены возгоранию, чем литиевые, делает их особенно привлекательными для технологических компаний, не в последнюю очередь потому, что это снижает стоимость страховки, отмечает Джефф Чемберлен (Jeff Chamberlain), руководитель Volta Energy Technologies, инвестиционной компании, специализирующейся на хранении энергии. Колин Весселс (Colin Wessels), соруководитель Natron, отмечает, что его стартап планирует поставлять аккумуляторы в основном в центры обработки данных.
Быстрое развёртывание центров обработки данных также приводит к возникновению «пробелов» в инфраструктуре, используемой для выработки и передачи электроэнергии, которые могут быть устранены с помощью аккумуляторов более длительного срока службы. Такие аккумуляторы, как надеются в EnerVenue, будут производиться уже в течение следующих пяти лет. Аарон Зубати (Aaron Zubaty), исполнительный директор Eolian, разработчика возобновляемых источников энергии, прогнозирует бум решений для хранения электроэнергии на срок от четырёх до восьми часов, что позволит удовлетворить растущий спрос на электроснабжение в ближайшее десятилетие.
Таким образом, сетевые системы хранения энергии развиваются поразительно быстро. «Аккумуляторы за пять лет сделали то, на что у солнечной энергетики ушло 15 лет», — отмечают аналитики отрасли солнечной энергетики. Как резюмирует Фатих Бироль (Fatih Birol), глава IEA, «аккумуляторы меняют правила игры на наших глазах». Мир всё ближе к обещанию американского изобретателя и предпринимателя Томаса Эдисона, сделанного им в XIX веке: «Мы сделаем электричество таким дешёвым, что жечь свечи будут только богачи».
* CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.) — крупный китайский производитель топливных элементов, литий-ионных, литий-железо-фосфатных и литий-полимерных аккумуляторов для электротранспорта и систем накопления энергии (основан в 2011 году); BYD Co., Ltd. (от англ. Build Your Dreams, «построй свои мечты») — китайский концерн, включающий в себя производителя автомобилей BYD Auto и производителя аккумуляторов и электроники BYD Electronic (основан в 1995 году).
