СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В УСЛОВИЯХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

УДК 621.311.6:620.92
DOI 10.57112/E251-902

Ваулин Егор Павлович, Павличенко Илья Александрович 

Аннотация:
Актуальность данного исследования обусловлена глобальным энергетическим переходом к возобновляемым источникам, нестабильность которых представляет серьезный вызов для надежности энергосистем, включая изолированные и слабо связанные сети, характерные для ряда регионов России [15]. Целью работы является систематизация и анализ современных технологий хранения энергии (ТХЭ) на основе актуальных научных данных для оценки их потенциала и определения перспективных областей применения в специфических условиях, например, Алтайского края. В ходе исследования применялись методы сравнительного анализа и классификации по ключевым параметрам: удельная энергия, время хранения, КПД и срок службы. Результаты показали, что выбор оптимальной технологии критически зависит от решаемой за-дачи и локальных условий. Для кратковременного хранения (секунды-минуты) наиболее эффективны суперконденсаторы и маховики [3, 4], в то время как для сред-несрочного (минуты-часы) наилучшим образом подходят литий-ионные и проточные батареи [1, 10]. Задачи долговременного и сезонного хранения (часы-месяцы) требуют применения гидроаккумулирующих электростанций, систем на сжатом воздухе (CAES) или водородных технологий [5, 6, 17]. Анализ, дополненный региональными аспектами и расчетным примером, позволяет сделать вывод, что для территорий с развитой гидрографией и значительным ветропотенциалом, таких как Алтайский край, перспективны гибридные решения, комбинирующие ГАЭС, литий-ионные накопители и системы на основе водорода.

Ключевые слова: : технологии хранения энергии, возобновляемые источники энергии, литий-ионные аккумуляторы, проточные редокс-батареи, водородная энергетика, Power-to-Gas (P2G), гидроаккумулирование, региональная энергетика, Алтайский край.

MODERN ENERGY STORAGE TECHNOLOGIES AND THEIR APPLICATION IN THE CONDITIONS OF THE ALTAI KRAI

Vaulin Egor Pavlovich, Pavlichenko Ilya Aleksandrovich

Abstract:
The relevance of this research is driven by the global energy transition to renewable sources, whose instability poses a serious challenge to the reliability of power systems, including the isolated and weakly connected grids typical of many Russian regions [15]. The aim of the work is to systematize and analyze modern energy storage technologies (EST) based on current scientific data to assess their potential and identify promising application areas in specific conditions, such as those of the Altai Krai. The research employed methods of comparative analysis and classification based on key parameters: specific energy, storage duration, efficiency, and cycle life. The results show that the choice of optimal technology critically depends on the task being solved and local conditions. For short-term storage (seconds to minutes), supercapacitors and flywheels are most effective [3, 4], while for medium-term storage (minutes to hours), lithium-ion and flow batteries are best suited [1, 10]. Long-term and seasonal storage tasks (hours to months) require the use of pumped hydro storage, compressed air energy storage (CAES), or hydrogen technologies [5, 6, 17]. The analysis, supplemented by regional aspects and a calculation example, leads to the conclusion that for territories with developed hydrography and significant wind potential, such as Altai Krai, hybrid solutions combining pumped hydro, lithium-ion storage, and hydrogen-based systems are promising.

Keywords: energy storage technologies, renewable energy sources, lithium-ion batteries, redox flow batteries, hydrogen energy, Power-to-Gas (P2G), pumped hydro storage, regional energy, Altai Krai.

1. Введение
Глобальный энергетический переход приводит к стремительному росту доли нестабильных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как солнечная и ветровая генерация [15]. Их зависимость от погодных условий создает серьезные проблемы для стабильности энергосистем, поскольку периоды максимальной генерации часто не совпадают с пиками потребления. Эта проблема особенно остро стоит в регионах с изолированными или слабо связанными с объединенной энергосистемой сетями, где балансировка мощности является критически важной. В данном контексте технологии хранения энергии (ТХЭ) становятся критически важным элементом современной энергетической инфраструктуры, выполняя роль буфера. Они позволяют накапливать излишки энергии и отдавать их в моменты дефицита, повышая гибкость, надежность и общую эффективность работы энергосистемы [15]. Цель данной статьи — на основе анализа современных научных публикаций систематизировать и проанализировать современные ТХЭ, а также рассмотреть потенциальные направления их применения с учетом региональных особенностей на примере Алтайского края.

2. Материалы и методы
Исследование основано на анализе актуальных научных публикаций в области накопления энергии. Методология включает систематизацию, сравнительный анализ и классификацию технологий по ключевым технико-экономическим параметрам: удельной энергии, времени хранения, коэффициенту полезного действия (КПД), сроку службы и типичным областям применения. Для оценки применимости в условиях Алтайского края проводился качественный анализ соответствия технологий местным географическим, климатическим и экономическим условиям.

3. Классификация и анализ современных технологий хранения энергии
ТХЭ можно классифицировать по форме накапливаемой энергии (электрохимическая, механическая, химическая, электрическая) и, что более важно для практики, по характерному времени хранения.

3.1. Электрохимические накопители
Это наиболее быстро развивающийся класс ТХЭ, основанный на обратимых окислительно-восстановительных реакциях.

3.1.1. Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion)
Доминируют на рынке благодаря высокой плотности энергии (150-250 Вт·ч/кг) и КПД на уровне 90-95% [1, 9]. Широко применяются в бытовых и коммерческих накопителях, системах резервного питания и для регулирования частоты в энергосистеме. Основные недостатки: ограниченное количество циклов заряда-разряда (обычно 3000-7000 циклов в зависимости от химии), риск теплового разгона (пожароопасность) и зависимость от дефицитных ресурсов, таких как кобальт и литий [1, 9]. Эффективность литий-ионных аккумуляторов может снижаться при эксплуатации в условиях низких температур, что требует дополнительных систем термостабилизации [1].

3.1.2. Проточные редокс-батареи (Redox Flow Batteries, RFB)
Их ключевым преимуществом является независимое масштабирование мощности (размер электрохимической ячейки) и емкости (объем баков с электролитом), что делает их идеальными для долговременного хранения большого объема энергии [10, 16]. КПД ниже (70-85%), чем у Li-ion, но ре-сурс практически не ограничен (более 15000 циклов) благодаря отсутствию деградации активных материалов в объеме электролита [10]. Основная сфера применения — сглаживание суточной неравномерности генерации крупных солнечных или ветровых электростанций. Проточные батареи, особенно ванадиевые (VRFB), обладают хорошей устойчивостью к перепадам темпера-тур и длительной работе в неоптимальных условиях [10].

Принципиальная схема работы проточной редокс-батареи ванадиевого типа (VRFB) представлена на рисунке 1, а детализированная схема ее работы с описанием потоков — на рисунке 2.

Рисунок 1 – Принципиальная схема работы ванадиевой проточной редокс-батареи (VRFB): a – режим заряда; b – режим разряда

Рисунок 2 - Принцип работы ванадиевого редокс-аккумулятора (VRB)

Принцип работы ванадиевого редокс-аккумулятора (VRB) в режиме разряда. 

1. Контур анолита (слева): Насос прокачивает электролит (V²⁺/V³⁺) к аноду, где происходит окисление V²⁺ до V³⁺ с высвобождением электронов во внешнюю цепь. 
2. Контур католита (справа): Насос прокачивает электролит (VO²⁺/VO₂⁺) к катоду, где ион VO₂⁺ восстанавливается до VO²⁺, принимая электрон из цепи и протоны (H⁺) через мембрану. 
3. Ионообменная мембрана пропускает только протоны для поддержания электронейтральности. В режиме заряда реакции и направление тока меняются на противоположные.

3.2. Химические накопители
Данный класс основан на преобразовании электроэнергии в химический энергоноситель.

Водородные системы (Power-to-Gas-to-Power, P2G2P)
Технология предполагает использование излишков электроэнергии для электролиза воды с получением «зеленого» водорода. Водород может храниться в подземных хранилищах или специальных резервуарах в течение месяцев, а затем использоваться в топливных элементах для генерации электроэнергии или напрямую в промышленности и транспорте [5, 17]. Главное преимущество — возможность сезонного хранения огромных объемов энергии. Основные недостатки: низкий полный КПД цикла «электричество-водород-электричество» (25-45% в зависимости от конфигурации) и высокая стоимость создания инфраструктуры [5, 17]. Данная технология может рассматриваться как стратегическая для регионов с избытком летней генерации от ГЭС или ВИЭ для обеспечения энергией в зимний период.

3.3. Механические накопители
3.3.1. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)
Самая зрелая и мощная технология хранения. В режиме накопления насосы перекачивают воду в верхний бассейн, а в режиме генерации вода сбрасывается через турбины, производя электроэнергию. Преимущества: исключительно большая мощность и емкость, длительный срок службы (более 50 лет) [6]. Недостатки: сильная зависимость от подходящего рельефа местности, высокая капиталоемкость и длительные сроки строительства [6]. Наличие в Алтайском крае горного рельефа и водных ресурсов создает принципиальную возможность для рассмотрения проектов ГАЭС, однако требуется тщательный анализ экологических и экономических последствий [6].

3.3.2. Накопители на сжатом воздухе (Compressed Air Energy Storage, CAES)
В режиме заряда излишки электроэнергии используются для сжатия воздуха, который закачивается в подземные геологические формации (соляные каверны, отработанные шахты). При необходимости (режим разряда) сжатый воздух высвобождается, нагревается (в современных адиабатических системах для этого используется тепло, утилизированное в процессе сжатия) и приводит в действие газовую турбину [2, 12]. Преимущества технологии: высокая энергоемкость, долгий срок службы и экологичность. КПД современных адиабатических систем достигает 70–75% [2]. К основным недостаткам относятся необходимость в специфических подземных хранилищах и относительно медленный отклик по сравнению с электрохимическими системами [2]. Принцип работы такой адиабатической системы (AA-CAES) схематично представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема адиабатической системы хранения энергии на сжатом воздухе (AA-CAES): a) режим заряда (компрессии); b) режим разряда (генерации).

3.3.3. Маховичные накопители (Flywheel)
Накопление энергии происходит в виде кинетической энергии вращающегося с высокой скоростью маховика, часто в вакуумной камере на магнитных подшипниках. Главное преимущество: чрезвычайно высокая мощность и практически мгновенная скорость отклика (миллисекунды) [3, 14]. Удельная энергия маховиков составляет 5-100 Вт·ч/кг, что определяет их применение для кратковременного хранения [3]. Применяются для обеспечения качества электроэнергии (коррекция провалов напряжения), кратковременной коррекции пиковых нагрузок и рекуперации энергии в промышленности. Недостаток — высокий саморазряд (потери мощности 3-20% в час) [3].

3.4. Электрические накопители
Суперконденсаторы (ионисторы)
Накопление энергии происходит за счет образования двойного электрического слоя на границе раздела электрода и электролита, без протекания химических реакций. Это обеспечивает огромную удельную мощность (до 10 кВт/кг), практически неограниченное количество циклов заряда-разряда (более 500 000) и очень высокую скорость отклика. Основной недостаток — низкая плотность энергии (1-10 Вт·ч/кг), что ограничивает время автономной работы секундами или минутами [4, 8]. Чаще всего применяются в гибридных системах совместно с аккумуляторами для компенсации кратковременных пиковых нагрузок и обеспечения высоких пусковых токов. Суперконденсаторы отличаются высокой надежностью в широком диапазоне температур [4].

Сводные данные по основным характеристикам рассмотренных технологий представлены в Таблице 1.

4. Практический пример выбора технологии
Рассмотрим гипотетическую задачу для изолированного энергорайона с преобладающей солнечной генерацией.

Условия: 
Солнечная электростанция мощностью 1 МВт, пиковая нагрузка посёлка — 200 кВт, требуется обеспечить резервное питание на 4 часа в период отсутствия солнца. Критерии: минимальный срок службы системы хранения — 15 лет, минимизация эксплуатационных расходов (OPEX).

Анализ вариантов:
Литий-ионные АКБ (LiFePO4): Требуемая емкость ~ 800 кВт·ч. Высокий КПД (~95%) снижает потери. Однако для срока службы 15 лет при ежедневном цикле (~5500 циклов) потребуется либо избыточное проектирование, либо замена батарей через 8-10 лет (ресурс ~3000-4000 циклов) [1, 9]. Высокие капитальные затраты (CAPEX), умеренные OPEX.

Проточные ванадиевые батареи (VRFB): 
Требуемая емкость ~ 800 кВт·ч легко масштабируется увеличением объема электролита. КПД ниже (~75%), что увеличивает потери. Ключевое преимущество — практически неограниченный срок службы электролита и стека (>15000 циклов без деградации) [10, 16]. За 15 лет OPEX будут существенно ниже, чем у Li-ion, несмотря на чуть более высокие потери. CAPEX сопоставим или может быть выше.

Вывод для данного случая: 
Несмотря на более низкий КПД, проточная редокс-батарея (VRFB) является более предпочтительным выбором из-за значительно большего срока службы и, как следствие, более низких совокупных затратах за весь жизненный цикл проекта (Total Cost of Ownership — TCO). Этот пример иллюстрирует, что выбор технологии должен основываться не на одном параметре (например, КПД), а на комплексном анализе задачи, включая требуемое время хранения, ресурс и экономику жизненного цикла.

5. Анализ применимости технологий в условиях Алтайского края
Учитывая географические, климатические и экономические особенности Алтайского края (горный рельеф, развитая гидрографическая сеть, значительный ветроэнергетический потенциал, наличие изолированных населенных пунктов, континентальный климат с большими сезонными и суточными перепадами температур), можно выделить следующие перспективные направления для внедрения ТХЭ:

ГАЭС: Наличие предгорных и горных районов создает теоретический потенциал для строительства малых и средних ГАЭС. Такие объекты могли бы решать задачи долговременной (суточной и недельной) балансировки энергосистемы с растущей долей ВИЭ, а также обеспечивать резервную мощность [6]. Требуется детальное изучение локаций и проведение экологической экспертизы.

Водородные технологии (P2G): В перспективе, при наличии избыточной летней генерации от ГЭС и ВИЭ, технология Power-to-Gas может быть использована для сезонного аккумулирования энергии. Произведенный водород может быть использован не только для обратной генерации электроэнергии зимой, но и для нужд местной промышленности и развития водородного транспорта, что соответствует глобальным трендам декарбонизации [5, 17].

Литий-ионные и проточные батареи: Для среднесрочного хранения (несколько часов) в составе гибридных солнечно-ветровых электростанций, а также для повышения надежности электроснабжения удаленных поселков. При выборе в пользу литий-ионных технологий необходимо предусматривать системы климат-контроля для нивелирования воздействия низких зимних температур. Проточные батареи, как более термостабильные, могут иметь преимущество в этом отношении [10].

Гибридные системы: Наиболее рациональным подходом представляется создание комбинированных систем. Например, сочетание суперконденсаторов (для компенсации мгновенных скачков напряжения и частоты), литий-ионных аккумуляторов (для сглаживания суточных пиков) и, в перспективе, элементов водородного цикла или ГАЭС (для межсезонного выравнивания) способно создать устойчивую и гибкую региональную энергосистему [15].

6. Заключение
Проведенный анализ современных технологий хранения энергии на основе актуальных научных данных подтверждает их критически важную роль в обеспечении стабильности энергосистем с высокой долей ВИЭ. Каждая технология занимает свою нишу, определяемую временными и мощностными характеристиками.

Кратковременное хранение (секунды-минуты): Суперконденсаторы и маховики незаменимы для задач стабилизации частоты и напряжения [3, 4].

Среднесрочное хранение (минуты-часы): Литий-ионные и проточные батареи эффективны для сглаживания пиков генерации и потребления, а также резервного питания [1, 10]. Расчетный пример показал экономическую целесообразность проточных батарей для долгосрочных проектов.

Долговременное и сезонное хранение (часы-месяцы): ГАЭС, CAES и водородные технологии (P2G) являются основой для балансировки энергосистемы в масштабах суток и сезонов [2, 5, 6, 17].

Применительно к условиям Алтайского края, наиболее перспективными видятся технологии, адаптированные к местной географии и климату: развитие гидроаккумулирования, создание пилотных проектов на основе водорода для сезонного хранения и широкое внедрение гибридных электрохимических систем (проточные и литий-ионные батареи в сочетании с суперконденсаторами) для повышения надежности изолированных сетей и интеграции ВИЭ. Таким образом, стратегия развития ТХЭ в регионе должна носить комплексный характер, сочетая проверенные решения с инновационными подходами для создания устойчивой и технологически продвинутой энергетики будущего.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Wang J., Liu Y., Zhang H. Recent advances in lithium-ion battery technology for renewable energy storage systems // Journal of Energy Storage. 2024. Vol. 54. P. 105013.
2.    Chebotareva E. N., Korolev L. B. Analysis of compressed air energy storage efficiency under different climatic conditions // Applied Energy. 2024. Vol. 345. Art. no. 119876.
3.    Kozlovskii B. F., Zakharov V. E. Innovations in flywheel energy storage devices: state-of-art review // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2025. Vol. 72. No. 1. P. 45-58.
4.    Zubkovskaya N. D., Smirnova E. I. Trends in supercapacitor development for hybrid energy storage applications // Russian Electrical Engineering. 2024. Vol. 65. No. 8. P. 514-521.
5.    Иванов А. С., Петров Н. Г. Современное состояние и перспективы развития аккумулирования водорода в электроэнергетике России // Теплоэнергетика. 2023. № 8. С. 14-21.
6.    Кузнецова О. В., Семенов Г. А. Эффективность внедрения гидронакопительных станций в условиях Сибири // Электроэнергетическое обозрение. 2024. № 3. С. 123-132.
7.    Максимов В. Н., Алексеев Б. П. Использование накопителей энергии на сверхпроводящих магнитах в сетях переменного тока // Вестник энергетики. 2024. № 1. С. 35-42.
8.    Соловьев А. И., Кузнецов Ю. М. Применение и перспективы суперконденсаторов в гибридных системах накопления энергии // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023. № 6. С. 78-85.
9.    Белошевский В. Л., Сергеев С. К. Инновационные подходы к повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов // Электротехническая промышленность. Серия: Аккумуляторостроение. 2025. № 2. С. 54-61.
10.    Дмитриева Т. Б., Морозов А. Ю. Особенности и тенденции развития накопителей энергии на базе проточных редокс-батарей // Российский журнал электроэнергетики. 2024. № 4. С. 45-52.
11.    Смирнов А. Е., Попов А. Ф. Потенциал и ограничения использования гравитационных накопителей энергии в России // Энергосбережение и энергоэффективность. 2023. № 5. С. 67-74.
12.    Шестаков В. Н., Гордеев А. О. Анализ экономичности и экологической целесообразности воздушных накопителей энергии (CAES) // Труды НИИ электротехники. 2025. № 1. С. 111-118.
13.    Богданов С. Р., Соколов Д. В. Исследование возможностей гибридных систем хранения энергии на примере автономных районов Крайнего Севера // Журнал российского химического общества имени Д. И. Менделеева. 2024. Том 68. № 3. С. 315-322.
14.    Василецкая Е. А., Крылов А. С. Тенденции развития маховичных накопителей энергии и их роль в повышении устойчивости электросетей // Электромеханика и автоматика. 2023. № 2. С. 91-98.
15.    Kovalenko A. V., Ivanova M. S. Comparative analysis of modern energy storage technologies for smart grids // Renewable & Sustainable Energy Reviews. 2025. Vol. 144. Art. no. 111158.
16.    Karasev I. P., Borodin D. A. Development trends of flow batteries as an alternative to lithium-ion accumulators // Energy Conversion and Management. 2024. Vol. 281. Art. no. 116639.
17.    Petrov N. G., Savchenko O. Y. Prospects of hydrogen energy storage in Russia's power system transformation // International Journal of Hydrogen Energy. 2025. Vol. 50. Issue 18. P. 10782-10793.
18. Проточные батареи на основе органических редокс-систем для крупномасштабного хранения электрической энергии / М. В. Годяева, И. А. Казаринов, Д. Е. Воронков [и др.] // Электрохимическая энергетика. – 2021. – Т. 21, № 2. – С. 59-85. – DOI 10.18500/1608-4039-2021-21-2-59-85. – EDN CAGJVU.


ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Ваулин Е. П. – студент группы Э-24, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Павличенко И. А. – аспирант ЭФ, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

ССЫЛКА ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ

Ваулин Е. П. Современные технологии хранения энергии и их применение в условиях Алтайского края / Е. П. Ваулин, И. А. Павличенко // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. URL: https://nopak.ru/251-902 (дата обращения: 22.12.2025). – Текст: электронный.