Как накопить энергию без аккумулятора: очевидно и невероятно

Штангисты знают, что поднять вес мало – важно его удержать. Сколько бы мы ни произвели чистой – или любой другой – энергии, от нее будет мало толка, если мы не умеем ее хранить. Но что способно накапливать гигаватт- и тераватт-часы, а в нужный момент за секунды отдать их в сеть? Только что-нибудь по-настоящему серьезное. Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники, разработанные в Новосибирске. О них мы и поговорим, вспомнив по пути школьную физику. Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, – днем. А ярче всего солнце светит летом. Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС. Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей. Cравнение потребления и генерации электроэнергии различными источниками на примере декабря 2012 года (по данным BM Reports). Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива – ниже. Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления. Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись... Есть идеи? Почасовое потребление в Великобритании в течение одного зимнего и одного летнего месяцев 2009 года. Максимум потребления пришелся на шесть часов январского утра (58,9 ГВт), минимум – на теплый субботний вечер в июле (22,3 ГВт), разница более чем вдвое. Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии. Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%. Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение. Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными. Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов. Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных. Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление... Что нам остается, помимо этого? Накопители энергии, работающие на разных принципах, имеют свои преимущества и недостатки, и могут подходить для различных задач. Одни оптимальны в поддержке электростанций, другие - на этапе передачи и распределения энергии, третьи - для крупных потребителей, четвертые - для конечных пользователей, в их домах и мобильных гаджетах. Пригодится нам и энергия тепловая: например, концерн Siemens уже сооружает для одной из ветряных электростанций под Гамбургом накопитель, запасающий энергию в тепле 100 тонн камня. Избыток выработки будет направляться на их нагрев, чтобы затем груз, остывая, превращал воду в пар, вращающий турбину генератора. Впрочем, чаще энергию градиента температуры используют для накопителей энергии на солнечных электростанциях. Зеркала концентраторов фокусируют свет, раскаляя теплоноситель (обычно расплавленный солевой раствор), который продолжает отдавать тепло и днем, и ночью, когда солнце уже не светит, – в полном согласии с изученными в школе началами термодинамики. Еще ближе нам элементарная формула потенциальной энергии тела в поле тяжести Земли: E = mgh (где m – масса груза, h – высота его подъема, g – ускорение свободного падения). Именно в таком виде запасают ее мощные и надежные ГАЭС или проект немецкой компании Heindl Energy, поднимающий водным столбом внутри цилиндра цельный гранитный поршень диаметром до 250 м. Потенциальную энергию накапливают и тяжелые железнодорожные составы проекта ARES, которые буксируют бетонные грузы вверх и вырабатывают ток, когда спускаются с ними. Но для всего этого нужно иметь наготове холм высотой в несколько сотен метров и – как в случае с ГАЭС – большую площадь под строительство... Есть ли другие возможности? Гравитационный накопитель Полномасштабная ТАЭС будет достигать 300 м в высоту и сможет накапливать до 10 ГВт·ч. При грузообороте до 14 млн т в сутки она будет производить на грунт давление до 4 кг/см2 – меньше, чем обычная пятиэтажка. Расчетный срок службы: 50 лет. В самом деле, Россия – страна богатая, но не рельефом. «Это практически ровный стол, – рассказывает Андрей Брызгалов, – возводить ГАЭС можно лишь в отдельных районах, остальное – равнинная плоскость». В отличие от водохранилища, ТАЭС можно установить где угодно: для строительства не требуется водохранилищ и естественного перепада высот. Мешки заполняются местным грунтом, который добывают при строительстве фундамента, а строить можно в чистом поле, которого в России достаточно. Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км2 составит 10 ГВт·ч, то есть станция займет примерно в пять раз меньше места, чем аналогичная ГАЭС. Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15 млн т груза. «Ежедневный грузооборот одной такой ТАЭС будет всемеро больше, чем у крупнейшего мирового порта, Шанхайского, – объясняет Андрей Брызгалов. – Вы представляете себе уровень задачи?» Неудивительно, что дальше начинается физика уже отнюдь не школьного уровня. «Мы не можем позволить себе строить сразу 300-метровую башню, – говорит Андрей Брызгалов, – это по меньшей мере легкомысленно. Поэтому мы делаем конструкцию минимальных размеров, при которых она обладает свойствами полноразмерной ТАЭС». Как только проект получит господдержку в рамках Национальной технологической инициативы, в «Энергозапасе» приступят к работе. Возведение 80-метровой башни мощностью более 3 МВт позволит испытать строительные решения, которые на данный момент прошли только модельные испытания на многоядерных компьютерных кластерах. Роман Фишман