Гравитационные батареи — новый кандидат №1 на хранение избыточной энергии, неизбежно возникающей в наших системах. Есть несколько стартапов, работающих над развитием таких аккумуляторов. Все они говорят о том, что гравитация — надежный друг, который никогда не испарится и всегда будет работать. Но найти место для установки таких батарей — непростая задача. На днях исследователи посчитали, что заброшенные шахты по всему миру являются экономически эффективным решением, которое также может обеспечить рабочие места. А количество таких шахт позволяет хранить всю энергию мира.
Так что да, у загнивающих шахтерских поселков может появиться еще один шанс.
Вечная проблема
Одна из проблем с энергетикой — где хранить избыточную энергию. Это особенно характерно для развивающихся ветровой и солнечной энергетики — которые часто генерируют больше энергии, чем сеть может сразу использовать, а потом могут несколько дней не генерировать почти ничего. Поэтому энергетическим компаниям обязательно нужно как-то хранить то, что осталось. Обычно для этого строят очень дорогостоящие батареи. Или используют целые озера, избытком энергии закачивая воду вверх, а при её нехватке позволяя воде сливаться вниз, вращая турбины генераторов.
В Китае, где нужно хранить тысячи тераватт-часов, а подходящих озер не хватает, для хранения энергии строят уникальные хранилища на сжатом воздухе. Это рынок на несколько десятков миллиардов долларов. К 2030 году в Поднебесной так собираются содержать до 25% своей «лишней» энергии. Одно такое хранилище, где избытком энергии воздух сжимают, а при нехватке — позволяют расширяться, уже помогает обеспечивать бесперебойное питание столицы страны, Пекина.
Китайское подземное хранилище энергии в соляной шахте с потенциалом 1,4 ГВт∙ч (вид с воздуха)
Но есть, возможно, ещё более естественный способ хранить излишки энергии: гравитационный. Просто поднимать что-то, повышая его потенциальную энергию. А когда надо — позволять опуститься, в процессе отдавая эту энергию обратно. Тут можно даже никакие турбины не крутить, и никаких сложных конструкций не строить. КПД такой системы, по ощущениям, может быть выше: в ней меньше отдельных частей, на стыках которых могут возникнуть потери. Остается только одна проблема: где найти хранилища такого размера? И кто будет их строить?
Как хранить гравитацию
Самый low-tech solution, предложенный в 2015 году, — обычная вагонетка. Её создали в Калифорнии и назвали ARES. Когда дует ветер, вагончик затаскивают на гору, а когда ветер стихает — та потихоньку скатывается вниз, отдавая часть энергии, затрачиваемой на её подъем.
Система уже отлично работает, и, говорят, показывает КПД 86%. Тележка весит 5,6 тонны, длина колеи — 380 метров. Построить такую дорогу рядом с собой может почти каждая ветряная электростанция. И это даже стоит сравнительно недорого!
…Правда, чтобы запасать так хотя бы 12,5 мегаватт-часов придется создать железную дорогу длиной 8 км. К сожалению, на существующих колеях такую вагонетку не поэксплуатируешь — реальным поездам тоже нужно где-то ездить. Вот и выходит, что если попытаться хранить так всю нашу лишнюю энергию, придется посвятить этому сотни километров дорог. Скажем, общая мощность хранения энергии в Китае в 2021 году составила 43,44 ГВт∙ч. Чтобы сохранить всё это в вагонетках, нужна сеть железных дорог длиной 1320 километров. А чем больше километров выделяешь под дороги — тем меньше остается под сами станции. Как-то контрпродуктивно.
Из рекламных материалов ARES
Другой вариант, предложенный в 2017 году, — постройка гигантских башен. С огромными мощными кранами, которые на избыточной энергии поднимали бы 35-тонные цементные блоки, а потом позволяли бы им опуститься. Концентрация энергии получается куда выше, лишнее место не тратится, а гравитация работает. Развитием этой технологии занимается, в частности, швейцарский стартап Energy Vault. Это одна из любимых компаний Всемирного экономического форума, в неё вложили сотни миллионов Saudi Aramco, SoftBank и другие. Акции стартапа уже торгуются на бирже (токен NRGV), капитализация на пике составляла $2,5 млрд.
Energy Vault хочет строить «умные» гравитационные башни. С комплексами мега-кранов высотой 120 метров, по шесть на каждой башне. Они будут поднимать 35-тонные блоки, размещая их вокруг себя. Выйдет, что они будут «строить» вокруг себя огромный (но бесполезный) небоскреб из бетона, а когда надо — потихоньку его разбирать. При этом специальное ПО будет играть в «энерго-тетрис», двигая блоки вверх и вниз, чтобы максимально эффективно генерировать или тратить энергию.
КПД обещают до 80-90%, а общую выходную мощность (полную емкость хранения в данном случае) от 2 до 5 МВт, как у средних ГЭС. Но это пока в теории. Все зависит от алгоритмов ПО и того, насколько хорошо в реальности покажет себя модель.
Первые реальные башни обещали еще в 2019 году, а воз и ныне там. Пока что у Energy Vault есть несколько небольших работающих образцов высотой 20 метров, но их мощности в десятки раз ниже заявленных — что не очень-то радует, учитывая расходы на постройку и поддержание кранов. У инвесторов начинают возникать опасения. С июня этого года капитализация компании непрерывно снижается, и сейчас составляет около $600 млн. Примерно столько же в Energy Vault и вложили за 5 лет существования стартапа.
Дело в том, что есть куда менее затратный (и, чего уж там, более очевидный) способ хранить гравитационную энергию. А именно — заброшенные шахты, в которых когда-то добывались, скажем, золото или уголь.
Тут даже ничего строить не надо! Хранилища уже готовы. Их работа не зависят от погоды. Они защищены от ветра и дождя. И никому не мешают, совершенно не забирают никакого лишнего места.
Конечно, в Китае хранилища на сжатом газе тоже работают в пещерах, но для них обычные шахты не подходят: там нужно, чтобы не могло быть утечек газа, и всё было герметично. Здесь же — достаточно любого большого пустого пространства. Специальных технических требований нет никаких. А результаты не хуже!
Золото в шахтах
О таком потенциальном пути сообщает нам новое исследование Международного института прикладного системного анализа (IIASA). В нем ученые доказывают, что выведенные из эксплуатации шахты можно перепрофилировать для работы гравитационных батарей. И они без проблем могут сохранять достаточно энергии, чтобы соответствовать текущим запросам всей планеты.
В проекте IIASA избыточная энергия тоже используется для подъема тяжелых предметов. А потом груз сбрасывается, приводя в действие турбину и преобразуя кинетическую энергию падения в полезную для нас электрическую, которую проще передавать потребителям.
Теоретически в качестве гравитационных батарей может выступать все, что имеет большой вес, — например, вода или твердые предметы. В исследовании IIASA в заброшенных шахтных стволах опускался и поднимался песок. Его перемещали туда-сюда между верхней и нижней камерами в зависимости от потребности в энергии. Плюс в том, что это совершенно безопасно: при его утечке ничего не случится.
Схема работы такой гравитационной батареи
Еще одно преимущество всего процесса состоит в том, что обычно батареи имеют тенденцию к саморазряду с течением времени. Постепенно они теряют способность держать накопленную энергию, так что через несколько десятилетий приходится инвестировать в их ремонт или замену. Но гравитационный метод сохраняет энергию в песке (или в чем-то другом тяжелом), который не саморазряжается. Мы можем быть уверенными, что накопленная потенциальная энергия останется с нами и через десять, и через двадцать, и через сто тысяч лет.
Для накопления этой энергии IIASA предлагает использовать заброшенные шахты — которых, по их словам, на всей планете уже миллионы. Их можно очень дешево переоборудовать под эту цель. Большинство из них уже содержат базовую инфраструктуру, рассчитаны регулярно поднимать большие грузы и подключены к общей электросети.
Ученые рассчитали, что инвестиционные затраты на подземные гравитационные хранилища составят от 1 до 10 долларов за кВт∙ч, что сравнительно недорого. По оценкам, технология имеет глобальный потенциал хранения энергии от 7 до 70 ТВт∙ч, причем большая часть этого потенциала сосредоточена в Китае, Индии, США и России. До 70 ТВт∙ч — при этом, по данным Международной энергетической ассоциации, глобальное потребление энергии за 2020 год составило 24 901,4 тераватт-часа, что составляет около 68 тераватт-часов в день.
В исследовании также говорится о том, что работа гравитационных батарей в заброшенных шахтах может восстановить или сохранить часть рабочих мест, потерянных после закрытия этих шахт. Неожиданный плюс.
В целом получается довольно элегантный переход на ветровую и солнечную энергетику — при котором старые шахты, в которых добывался тот же уголь, окажутся полезными. Их не придется закапывать или делать проблемой для будущих поколений. Выйдет, что все, что мы делали до этого, тоже было не зря.
P.S. Хотите работать над крутыми проектами? Лучшие вакансии — в телеграм-боте getmatch. Тысячи предложений от топовых компаний. Указываете нужную вилку зарплаты, и бот выдает вам лучшие предложения, и помогает пройти интервью. Всё бесплатно.
