Самые известные подходы к организации энергохранилищ

Интернет вещей, роботизация и искусственный интеллект – те технологии, которые меняют экономику прямо сейчас. Но параллельно с ними в этом процессе участвуют и отдельные энергосберегающие проекты, на которые обратила внимание консалтинговая компания McKinsey Global Institute. О том, как сегодня аккумулируют энергию в разных странах, эта статья.

Глобальный рост количества электростанций совпал по времени с желанием человечества более эффективно использовать электроэнергию. Энергонакопители (они же энергохранилища) позволяют снизить затраты на обслуживание сетей электропередач, сократить аварийность и выровнять нагрузку на электростанциях. Энергохранилища есть смысл использовать вместе с ветрогенераторами и солнечными батареями: в штиль или когда пасмурно те практически не накапливают электроэнергию, а в ветренную или солнечную погоду соответственно производят ее в избытке.

Больше века назад был изобретен механический способ накапливания энергии, которым сегодня пользуются на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Для создания запаса электроэнергии специальные насосы перекачивают воду в верхнее водохранилище, а когда энергию надо выдать в сеть — сбрасывают воду вниз на турбину. Другими словами, когда потребителям электроэнергия нужна в незначительных объемах, она тратится на перекачивание воды в верхнее водохранилище, а когда спрос растет – вырабатывается и поступает в сеть. Это простой и доступный способ запасти электроэнергию, однако у ГАЭС много недостатков. Чтобы их построить, нужен значительный перепад высот и большая площадь – верхний бассейн может занимать несколько квадратных километров, а искусственный водоем внушительных размеров может негативно повлиять на экологию. К тому же из-за неполадок на ГАЭС расположенные рядом населенные пункты могут оказаться затопленными.

Принцип работы ГАЭС по сути тот же, что и у ГЭС. Разница только в том, что ГАЭС аккумулирует воду

Несмотря на недостатки, заложенная в ГАЭС концепция все еще актуальна. В 2019 году инвестиции в размере $110 млн привлек технологический стартап Energy Vault, основатели которого доработали хорошо знакомый способ хранения электроэнергии. Главное отличие заключается в том, что вместо воды они используют блоки цилиндрической формы, изготовленные из строительных отходов (прежде всего бетона). Подъемные краны складывают из этих блоков башню, а затем разбирают ее, сбрасывая блоки на землю. Таким образом, в гравитационной системе Energy Vault электроэнергия, поступающая из альтернативных источников, вначале накапливается, а затем тратится в ходе падения блоков. Этот цикл может повторяться неограниченное количество раз. По расчетам владельцев компании Energy Vault, одна башня может аккумулировать и отдавать электроэнергию тридцать и более лет подряд, при этом ее эффективность не опустится ниже 90 %.

Параметры «вавилонской башни» впечатляют: высота составляет 150-160 м, а вес каждого из примерно 6-7 тысяч блоков – 35 тонн. Емкость одного такого объекта может достигать 35 мегаватт-часов, а стоимость – $8 млн. Работает система в автоматическом режиме, человеку отводится функция контроллера.

Пилотная установка башни успешно функционирует в Биаске (Швейцария) и используется для отработки приемов снижения затрат на хранение электроэнергии. Результаты уже есть: если стандартная стоимость составляет около $60 за мегаватт-час, то башня позволила снизить эту сумму до $30-40 за мегаватт-час.

Еще один любопытный метод аккумуляции электроэнергии продемонстрировала американская компания ARES, которая построила миниатюрную железную дорогу и пустила по ней груженые составы. Технология ARES основана на использовании тяжелых вагонов, которые с помощью электрической тяги поднимаются на возвышенность, используя избыточную энергию из возобновляемых источников. Это происходит в периоды низкого спроса на электричество. А когда ветер перестает дуть, солнце прекращает светить или же спрос на электроэнергию повышается, железнодорожные вагоны спускаются по склону, в результате чего вырабатывается электроэнергия через систему рекуперативного торможения. Таким образом, здесь реализован тот же принцип, что в проекте Energy Vault. В каждом вагоне есть генератор на 3 мегаватта, а КПД системы варьируется от 80 % до 86 %.

Созданный ARES прототип с длиной пути всего 260 метров работает в горах Техачапи (Калифорния), а в штате Невада функционирует 8-километровая железная дорога, которая проложена по местности с максимальным перепадом высоты 900 м. Эксперты отмечают, что строительство слишком длинного пути экономически неэффективно, так как вместе с расстоянием, которое преодолевают составы, растут объемы потерь электроэнергии.

Когда-то паровозы расходовали уголь десятками тонн. Современные поезда, возможно, будут вырабатывать электроэнергию

Российские инженеры тоже сделали попытку создать гравитационную систему, которая будет эффективно накапливать излишки электроэнергии. Специалисты компании «Энергозапас» (Новосибирск) предложили строить твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС), которые преобразуют потенциальную энергию твердых грузов в электричество. Прототип заработал в феврале 2017 года — это сооружение, внутри которого на канатах поднимаются и опускаются мешки с грузом. В ближайшее время опытно-промышленная установка, созданная по аналогичному принципу, появится в Сколково. Ее плановая мощность составит 4 мегаватта, емкость – 0,5 мегаватт-часа, а КПД – от 60 до 80 %.

Еще каких-то двести лет назад люди клали горячие камни в постель, чтобы согреться. Сегодня ученые предлагают применить их способность медленно отдавать тепло в других целях – строить каменные энергохранилища. В них защищенные изоляцией камни нагреваются до 600 °C с помощью энергии, полученной из альтернативных источников. А когда электроэнергию необходимо отдать в сеть, паровая турбина преобразует тепло в электричество.

Детально прорабатывают эту концепцию две крупных компании: Siemens Gamesa, мировой лидер в производстве ветрогенераторов, и Stiesdal A/S. Первая начала работать над прототипом еще в 2017 году и сейчас неподалеку от Гамбурга расположился экспериментальный накопитель, где вулканическую породу периодически нагревают до 750 °C. Аналогичный прототип есть и у Stiesdal, которая делает ставку на массовое тиражирование каменных блоков, в то время как Siemens заинтересована в быстрой масштабируемости энергохранилищ.

Главный минус аккумуляции электроэнергии с помощью горячих камней – низкий КПД. Сейчас он составляет всего 25 % с перспективой повышения до 50 % в будущем. В Siemens уверены, что через 15-20 лет они смогут выйти на КПД 70 %.

О том, как много энергии могут накапливать камни, говорит пример бань и саун. А ведь температура там гораздо ниже 600 °C

Британцы из компании Highview Power решают важнейшую энергетическую проблему с помощью жидкого воздуха, охлажденного до -196 °C. Для накапливания электроэнергии его помещают в герметичные емкости под низким давлением. Пилот этого проекта уже запущен, и инженеры рассчитывают, что он проработает, по крайней мере, 30 лет.

Мы не ошиблись: не только Tesla и полеты на Марс, но и проблемы энергетики интересуют этого известного инженера и предпринимателя. Однажды он пообещал решить их за 100 дней, а справился за 60 – построил мощный литий-ионный аккумулятор для ветряной электростанции во Франции. Полностью заряженный, он сможет поставлять электричество более чем в 30 тысяч домохозяйств около часа. Правда, на практике аккумулятор используют для других задач – поддержки существующих источников электроэнергии.

Кстати, о Tesla: установленные в этих автомобилях аккумуляторы имеют КПД на уровне 88-89 %. Мало того, что это очень высокий показатель, плюс скорость отдачи электроэнергии у них тоже впечатляющая. Правда, без минусов тоже не обошлось: довольно быстро такие аккумуляторы начинают деградировать. Это происходит из-за неидеальных условий эксплуатации – в частности, регулярных перепадов температур.

Использовать для аккумулирования электроэнергии расплавленный кремний, который легко переносит нагрев до 2200 °C, предложили ученые из Массачусетского технологического института. Они представили систему, которая состоит из двух графитовых емкостей с кремнием, разогретым до 1900 °C и излучающим яркий свет. Этот кремний пускают по трубкам, вокруг которых находятся многоузловые фотоэлектрические панели. В процессе перекачки из одной емкости в другую свет преобразуется в электричество, а остывший кремний снова отправляется в первую емкость и повторно нагревается.

Работающая по этому принципу система способна снабжать электричеством до 100 тысяч домохозяйств. Сейчас она находится на этапе тестирования и уже демонстрирует ряд преимуществ перед аналогами: кремний легко добывать, он не расплавляет стенки графитовых емкостей, а те могут быть установлены в любой точке планеты. Система однозначно выигрывает по стоимости и сложности реализации у традиционных ГАЭС и оптимально подходит для аккумулирования энергии, полученной из возобновляемых источников.

Необходимость в сохранении электроэнергии «про запас» никуда не исчезнет в ближайшие несколько лет ни в российском, ни в глобальном масштабах. В мире по-прежнему очень много небольших населенных пунктов, электроэнергия в которые поставляется с перебоями или стоит слишком дорого. Именно эта ситуация стимулирует появление новых подходов к накоплению энергии и, очевидно, на перечисленных в этой статье идеях ученые не остановятся: большинство существующих систем по-прежнему несовершенны, не всегда стабильны или дороги.