Гравитационные батареи в заброшенных шахтах cмогут питать всю планету

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.

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.

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?

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.

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!

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.

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.