Энергию ветра и солнца поможет накапливать сила тяжести

Альпийский городок Арбедо-Кастионе в Швейцарии. Ярко-синий 120-метровый подъемный кран поднимает блок спрессованного грунта в воздух и аккуратно ставит его на верх башни из таких же блоков. Позже кран проделает ту же операцию в обратном порядке и произведет энергию, так как блок опустится на землю под действием силы тяжести.

В Energy Vault (компании, построившей эту конструкцию) верят, что с их помощью возобновляемая энергетика может решить свою самую сложную проблему. А именно – проблему накопления энергии. Энергия от таких возобновляемых источников, как ветер и солнце, поступает неравномерно: есть скачки и есть периоды затишья.

Ветряная и солнечная энергетика набирает обороты в качестве альтернативы ископаемому топливу, но пока она недостаточно надежна, чтобы обеспечивать круглосуточную подачу электричества. Без дешевых методов производства энергии при облачной или безветренной погоде энергосистемы могут полагаться на ВИЭ только до определенной степени.

«В идеале вы хотите на 100% обеспечить систему энергией из безуглеродных источников, а существует не так много способов это сделать», – говорит заслуженный профессор химии Университета Дьюка Эрик Тун. Он также является исполнительным директором в Breakthrough Energy Ventures, венчурном фонде чистых технологий, который инвестирует в стартапы по накоплению энергии.

По его словам, чтобы мировая энергетика мог отказаться углеводородов и перейти на ветряные и солнечные электростанции (ВЭС и СЭС), необходимо также повысить емкость накопителей.

Ресурс, который ничего не стоит и никогда не кончается

Исследователи и предприниматели рассматривают проблему накопления энергии под самыми разными углами.

В данный момент лидирующее направление – литий-ионные батареи, которые используются в устройствах от iPhone до Toyota Prius. Хотя стоимость их производства снижается, со временем они деградируют. Кроме того, в них часто используются редкоземельные металлы, запасы которых конечны. Некоторые компании разрабатывают альтернативные батареи, использующие более дешевые химикаты, сжатый воздух или водород.

​Energy Vault – один из нескольких стартапов, стремящихся использовать такой ресурс на планете, который никогда не кончается и ничего не стоит: силу тяжести.

Эта швейцарская компания, в августе 2019 г. получившая $110 млн от фонда Softbank Vision Fund, собирается строить гигантские краны, которые будут поднимать 35-тонные блоки. Когда ВЭС и СЭС производят больше энергии, чем нужно потребителям, алгоритм заставляет кран строить башню из блоков. Тяжелые как бетон блоки сделаны из спрессованного грунта, вырытого в процессе возведения кранов. Когда спрос на электроэнергию превышает предложение (пиковая нагрузка), кран начинает разбирать башню и «сбрасывать» блоки вниз. Кинетическая энергия, выделяющаяся в результате падения блоков с высоты, приводит в действие электрогенераторы.

Energy Vault заявляет, что типовой проект с 20 башнями может обеспечивать энергией до 40 тыс. домохозяйств в течение 24 часов. В перспективе компания планирует производить электроэнергию по более низкой цене, чем ископаемая энергетика.

Гравитационные накопители энергии также разрабатываются в Шотландии, Германии, США и Марокко.

Так, эдинбургская компания Gravitricity собирается устанавливать свои накопители в заброшенных шахтах, чтобы обеспечивать энергией здания на севере Англии. Принцип действия таков: электрические лебедки поднимают вверх грузы общим весом в 12 тыс. тонн, а затем резко отпускают их. В компании считают, что их система может генерировать электричество вдвое дешевле, чем литий-ионные батареи – безо всякой потери производительности.

«Закрывающиеся шахты уже спрашивают у нас, нельзя ли им установить нашу систему», – говорит Чарли Блэр, управляющий директор Gravitricity.

В то время как краны Energy Vault могут обеспечивать непрерывную подачу энергии от 8 до 16 часов, подземные системы Gravitricity предоставят более кратковременные энергетические всплески: от 15 минут до 8 часов.

Старая идея по-новому

Такие системы работают по измененному принципу, который используется для накопления энергии уже более века, а именно в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Когда в системе переизбыток электричества, вода закачивается в верхнее водохранилище, а во время пиковой нагрузки вода выпускается в нижнее водохранилище и вращает турбины. По данным Международного энергетического агентства, эта технология составляет около 95% всего мирового накопления энергии.

«Но новые ГАЭС построить нельзя, так как общественность серьезно противится изменению ландшафта», – отмечает Горацио фон Йон, генеральный директор немецкой компании Gravity Energy. Это одно из венчурных предприятий, которые собираются строить резервуары глубоко под землей и использовать избыточную энергию для движения поршней в гидроцилиндрах.

«Для ГАЭС требуются квадратные километры площади где-нибудь в холмистой местности: верхнее водохранилище, нижнее водохранилище, а еще сама электростанция», – говорит он. Для разработки Gravity Energy нужно гораздо меньше площади: примерно одно футбольное поле. По его словам, система может генерировать 1000 мегаватт в течение 4-10 часов.

Рендеринг накопительной башни Energy Vault. Иллюстрация: Energy Vault

Energy Vault заявляет, что ее система может работать более 40 лет при стандартном обслуживании, что дает ей преимущество перед обычными аккумуляторами, которые изнашиваются при многократном использовании. После первоначальных затрат на типовую систему в $8-9 млн, стоимость хранения энергии составит менее 5 центов за киловатт-час, заявляют в компании – при этом с «нулевой деградацией» и «крайне низкими операционными расходами».

Energy Vault, берущая начало в калифорнийском бизнес-акселераторе Idealab, планирует использовать инвестиции SoftBank, чтобы ускорить масштабирование своих проектов.

Хотя демонстрационная установка Energy Vault имеет высоту почти 120 м, компания намерена строить краны высотой более 150 м, утверждает глава компании Роберт Пикони. Раньше он работал в нефтяном гиганте BP и в приобретенной им компании Amoco. В числе клиентов Energy Vault уже есть крупнейшая энергетическая компания Индии Tata Power.

Томас Морстин, исследователь энергетических систем из Оксфордского университета, изучил планы Gravitricity. По его словам, гравитационное накопление энергии может быть полезно, чтобы сглаживать кратковременные колебания в сети – проблема, усугубляющаяся периодическим характером работы ВЭС и СЭС. У силы тяжести два основных преимущества перед батареями. Во-первых, гравитационные системы будут медленнее изнашиваться. Во-вторых, их можно будет скорректировать. Если постепенно опускать малые грузы, можно долго генерировать небольшое количество энергии. Если резко «уронить» один тяжелый груз, можно обеспечить короткий и мощный всплеск энергии. Напротив, литий-ионные аккумуляторы стремительно изнашиваются, если их слишком быстро разряжать.

Однако у гравитационного накопления энергии есть возможные недостатки. Эта технология должна быть высокоточной, чтобы обеспечить нужное положение блоков. Пикони утверждает, что алгоритмы Energy Vault учитывают погоду и изменения в конструкции крана с течением времени. Скопления кранов, как и ВЭС, могут быть не по нраву местным жителям, недовольным их шумом или внешним видом.

Асма Беррада, инженер Международного университета Рабата в Марокко, разрабатывает резервуарный гравитационный накопитель при поддержке марокканского правительства, которое продвигает амбициозный план использования ВИЭ.

По ее словам, в Марокко «высокая доля периодически работоспособных ВИЭ, и они всё больше интегрируются в энергосистему. Из-за этого возникают проблемы с нестабильным энергообеспечением. Накопление энергии может их решить».

Но она сказала, что использование любого метода, для которого требуется строить сложные системы глубоко под землей, проблематично.

«Любой из различных конструктивных элементов может привести к отказу системы, если он плохо спроектирован», – говорит Беррада.

Новые чистые накопители энергии

Литий-ионные аккумуляторы могут запитать смартфон или электромобиль, но этого недостаточно, чтобы обслуживать целые энергосистемы. Кроме того, они изнашиваются со временем и используют редкие металлы. А еще они иногда взрываются… Вот четыре альтернативные разработки.

Более совершенная батарея

По всему миру венчурные предприятия накопления энергии разрабатывают батареи из более дешевых материалов, чем литий.

Литий-ионные батареи так эффективны, потому что обладают небольшим весом и высоким электрохимическим потенциалом. Благодаря компактности они могут использоваться в небольших устройствах – от телефонов до автомобилей.

Но в масштабах энергосистемы размер накопителя не так важен: это значит, что можно использовать менее эффективные и более дешевые аккумуляторы. В проточной батарее, к примеру, химические реагенты хранятся в жидком виде в наружных резервуарах. Ее емкость ограничена только размерами резервуара и доступной площадью.

Одним из кандидатов на замену лития является ванадий, побочный продукт сталеплавильной отрасли. В рамках четырехлетнего испытания Независимый системный оператор Калифорнии заявил в апреле 2019 г., что подключил к своей сети в Сан-Диего ванадиевую батарею, которая может обеспечивать электричеством 1000 домохозяйств в течение 4 часов.

В то же время австралийская добывающая компания Australian Vanadium с 2016 года продала ванадиевые батареи в лесопитомник, яблоневый сад и на молочную ферму.

Орегонский стартап ESS Inc разработал проточную батарею, использующую хлорид железа. Стартапы NantEnergy и Eos используют цинк.

Более дешевая теплоэнергия

​Сотрудники Malta изучают модель своего солевого накопителя, напечатанную на 3D-принтере. Фото: Malta

Массачуссетский стартап Malta берет начало в X, «фабрике прорывных идей» Alphabet. Эта компания разрабатывает накопители энергии, где главным компонентом является соль.

Система под названием Cambridge, которая может быть масштабирована до размеров обычной электростанции, использует тепловой насос, чтобы преобразовать избыточную электроэнергию из сети или ВИЭ в тепловую энергию. Электричество используется для плавления соли, состоящей из нитрата натрия и нитрата калия, при температуре свыше 93°C, а также для охлаждения жидкости, похожей на антифриз. Когда есть потребность в электричестве, система переключается в обратном направлении. Горячий воздух сталкивается с холодным воздухом, а образующийся пар приводит в движение турбину.

Научный принцип в основе этой технологии хорошо известен, но возможность ее использования для получения дешевой энергии еще не была доказана. В Malta заявляют, что тщательно доработали материалы и сам процесс. В компании верят, что в перспективе благодаря этим улучшениям стоимость разработки будет конкурентной. Согласно компании, батарея сможет хранить энергию более 6 часов, а сама система прослужит больше 20 лет. Это ее ключевое преимущество по сравнению с менее долговечными литий-ионными батареями.

Воздушные электростанции

Электростанция Hydrostor в Годериче, Онтарио. Фото: Hydrostor

Сжатый воздух тоже может использоваться для накопления энергии, но пока что этот метод не доказал свою рентабельность. Канадский стартап Hydrostor надеется, что ситуация изменится.

Когда потребность в электричестве низкая, компания использует избыточную энергию ВЭС, СЭС и электрической сети, чтобы приводить в движение компрессор, который сжимает воздух. Хранится воздух под землей – в компании говорят, что это дешевле, чем строить на поверхности резервуары под давлением. Чтобы турбина пришла в действие и начала генерировать электричество, когда оно нужно, сжатый воздух необходимо расширить путем нагрева. Для этого используется та же теплоэнергия, которая выделилась в процессе сжатия воздуха, – это делает систему более эффективной, по заявлению компании.

Первый коммерческая электростанция Hydrostor в Онтарио с прошлого года обеспечивает оператора энергосистемы провинции во время пиковой нагрузки. Сейчас компания разрабатывает примерно 15 более крупных проектов для США, Канады, Чили и Австралии. Емкость этих станций составляет около 200 – 500 мегаватт – а это примерно эквивалентно 1,5 млн солнечных панелей. Система может проработать день или больше.

Водородное топливо

Ученые уже десятки лет экспериментируют с самым распространенным элементом во вселенной, водородом, в качестве чистого источника энергии. На сегодня получение энергии из водорода не так эффективно, как использование химических батарей, но исследователи стремятся снизить затраты. Эта технология может оказаться полезной в местностях, где ВИЭ дают энергии больше, чем нужно – например, на продуваемых всеми ветрами Оркнейских островах (Великобритания).

Устройство под названием электролизёр расщепляет воду на газообразные кислород и водород, в процессе запитывая топливный элемент. Пока электролизёр работает от ВИЭ, получаемая энергия является экологически чистой.

Новый проект на Оркнейских островах, поддерживаемый Евросоюзом, использует топливные элементы для преобразования энергии, генерируемой местными ветрами и волнами, в топливо.