Накопители энергии: есть ли свет во чреве шахты?
Тепловой башенный накопитель энергии, запущенный в 2017 году в Южном Тироле, Италия. Он сохраняет тепло от мусоросжигательного завода и затем отдает тепло в моменты пиковой потребности в энергии – в местную сеть теплоснабжения. Фото: Bartleby08, wikimedia.org
Наша цивилизация применяет простой способ – накапливать ископаемое топливо. Например, только в ЕС подземные газохранилища вмещают газа, при сгорании которого получится 1,1 триллиона киловатт-часов тепловой энергии, – около 2460 киловатт-часов на душу населения. В России, в силу более суровой зимы и роли нетто-экспортера, те же хранилища вмещают больше, до 5500 киловатт-часов на душу населения. Угольные кучи при ТЭС, громадные нефтехранилища – все это тоже добавляет устойчивости энергосистемам в широком смысле слова (то есть с учетом теплоснабжения и транспорта).
Проблема в том, что такой путь компенсации в последние годы вышел из моды. Он никому не нравится: и Европа, и даже Россия пытаются снизить выбросы углекислого газа, а значит, надо заменить углеводородные «накопители» какими-то другими.
И вот тут начинаются поистине титанические сложности. Главная состоит в том, что углеводороды, во-первых, имеют огромную энергоемкость (десяток «тепловых» киловатт-часов на кубометр газа, например) и, во-вторых, чрезвычайно просто хранятся. Подземные газохранилища – это выработанные газовые месторождения, только оттуда не выкачивают газ, а закачивают его летом, чтобы забрать зимой. Куча угля у ТЭС вообще ничего не стоит: ее уже оплатили как топливо. Баки для нефти предельно дешевы на единицу хранимой энергии: это простая тара, где нет ничего высокотехнологичного.
Самый модный игрок
Если ориентироваться на емкость вводимых накопителей в киловатт-часах, то изо всех типов накопителей сегодня активнее всего строят системы MegaPack от Tesla. Они чрезвычайно быстро выдают энергию – могут выйти «на полную мощность» за секунды. Значит, легко компенсируют даже самые неожиданные изменения потребления в сети.
Второе мощное преимущество: их очень быстро «строить». Мы не зря взяли это слово в кавычки: мегапаки просто ставят на открытые площадки, как на фото, благо обращаться с ними не сложнее, чем с обычным морским контейнером. Даже стомегаватт-часовые группы накопителей на них можно развернуть за считанные месяцы.
Третий и самый сильный плюс: это модно. Казалось бы: как связаны мода и утилитарная техника? Ниже мы поясним, почему все аналоги мегапаков намного менее популярны в современном мире, намного менее приемлемы для него эстетически. Тогда читатель сам оценит силу третьего плюса литиевых накопителей.
MegaPack от Tesla. Фото: PG&E, eastbaytimes.com
И все же у мегапаков и их пока менее успешных аналогов других производителей есть и один маленький минус – цена. Сегодня они стоят 300 долларов за киловатт-час. То есть, чтобы заменить даже умеренный объем хранилищ для углеводородов, нужно заплатить большие деньги.
На примере ЕС выше видно: даже если заменить только хранилища газа и забыть об угле и нефти, то операция «подземные газохранилища взамен на мегапаки» обойдется каждому европейцу в 750 тысяч долларов. Казалось бы, ну и что? Жители Европы богаты и терпеливы. Могут себе позволить, разве нет? Да и потом, нам уже лет пять обещают, что стоимость литиевых батарей в будущем снизится чуть ли не до 100 долларов на киловатт-час.
Здесь есть две проблемы. Во-первых, снижение цен на те же мегапаки в реальности не идет. Одно дело – обещать падение цен на литиевые накопители, совсем другое – обеспечить его, особенно если учесть, что производство их уже массовое, трудозатраты от этого уже оптимизированы, а использовать более дешевые материалы не получится, потому что литий объективно удерживает максимум электронов на единицу массы, отчего пока все попытки создать крупные аккумуляторы-накопители на других технологиях приводили к еще более высоким удельным ценам хранения (на киловатт-час), чем у мегапаков.
Батареи Tesla Megapack накапливают электричество от солнечной электростанции. Фото: Tesla, canarymedia.com
Во-вторых, литиевые накопители не вечны. Даже если вдруг предположить, что цены на мегапаки когда-то упадут втрое (к чему, как мы отметили, пока не видно предпосылок), при их замене раз в 25 лет средний европеец, включая младенцев и пенсионеров, должен будет заплатить где-то десять тысяч долларов ежегодно только на поддержание литиевого заместителя газохранилищ.
Самый мощный, но наименее перспективный игрок: ГАЭС
Напрашивается вариант отказа от использования сложных изделий для хранения энергии. Самый простой накопитель энергии известен очень давно: это водохранилище. Спуская с высоты его дамбы воду, можно вращать турбину и получать энергию (в виде электричества). Набирая туда воду той же турбиной (их легко сделать двухсторонними), вы сможете пополнять такую «батарейку».
Хранилище предельно низкотехнологично: дамба делается из материалов, известных еще до XX века, вода вообще природная, гидравлические турбины научились делать электричество и поднимать воду тоже еще до XX века. По цене – дешевле не бывает. Даже в западных странах, где цены на бетон и труд выше, чем в мире в целом, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) стоят всего 100–200 долларов за киловатт-час емкости. Получается, они в 1,5–3,0 раза дешевле литиевых батарей.
В реальном мире разница куда больше. ГАЭС после постройки работают как ГЭС – неограниченно долго. Турбины составляют крайне малую часть их стоимости, да и ресурс их – многие десятки лет, а не 20–25, как у литиевых накопителей. Следовательно, на горизонте 100 лет поддержание киловатт-часа емкости литиевых батарей может стоить 1200 долларов, а ГАЭС – ненамного выше тех же 100–300. Разница получается многократной.
Неудивительно, что больше 95 % всей емкости накопителей в современном мире приходится именно на них – все 9 миллиардов киловатт-часов. Правда, читатель легко заметит: цифра эта велика только на фоне емкостей накопителей. На фоне емкости «накопителей» из ископаемого топлива она ничтожна. Только подземные газохранилища одного лишь ЕС – 1,1 триллиона киловатт-часов, как мы отмечали выше. ГАЭС всего мира не дают даже 1 % этой величины. Почему же доля ГАЭС так мала, если потребность в безуглеродных накопителях громадна, а они из таковых самые дешевые?
Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) в Ирландии. На вершине горы находится накопительный, а в низине — принимающий бассейн. Фото: ESB Group, flickr.com
Базовая причина заключается в том, что до XXI века ГАЭС не особенно были кому-то нужны, потому что запасание энергии в накопительных емкостях для ископаемого топлива стоит сильно меньше. В сущности, оно почти бесплатно: гектар земли под колоссальную кучу угля или выработанное газовое месторождение стоят порядка тысяч долларов, а аналогичная по емкости ГАЭС будет стоить как минимум миллиарды долларов.
Конечно, сейчас все изменилось, от ископаемого топлива все хотят уйти. Но и в новой ситуации у ГАЭС, с точки зрения современного мира, все еще есть три недостатка. Из которых два существенных. Во-первых, КПД системы ниже, чем у литиевых батарей. При их разрядке-зарядке такая система теряет 20–30 % всей запасаемой энергии, а мегапак Tesla, в норме, – менее 10 %. Во-вторых, – и это куда более значимо, – ГАЭС немодны. Как и любое крупномасштабное гидротехническое строительство, оно вызывает неприязнь зеленых, поэтому в современном западном мире любая попытка обсудить подобные проекты влечет серьезнейшее сопротивление и, обычно, ничем не заканчивается.
Третий недостаток часто тоже считают существенным: ГАЭС требуют водных ресурсов. Однако, говоря объективно, там, где есть развитые энергосистемы, как правило, есть много воды. Почти весь ЕС получает осадков в основном более 500 миллиметров в год, а там, где их меньше, есть возможность использовать морскую воду для искусственных водохранилищ (гидрогенизированное основание ГАЭС слабо пропускает соленую воду). Например, такие проекты прорабатывали для Японии и Средиземного моря. Но само по себе большое количество доступной воды не так важно, как неприязнь зеленых к ГАЭС. Именно из-за нее литиевые накопители лидируют в наращивании запасающих мощностей в западном мире сегодня.
Гравитационные «сухие» накопителиВ начале 2010-х небольшая компания Gravitricity попыталась преодолеть нелюбовь зеленых к гравитационным накопителям энергии типа ГАЭС. Там выбрали самый логичный путь: уйти от крупного водохранилища, так напоминающего ГЭС и поэтому не нравящегося сторонникам «естественных решений».
Вместо этого Gravitricity решила использовать заброшенные шахты. В своем проекте британский стартап помещал лебедку на 5000 тонн и соответствующую массу балласта на подъемнике. При запасании энергии 5000 тонн поднимают вверх, расходуя энергию на электромоторе. Когда энергию нужно получить обратно, груз опускается – и общая емкость системы достигает 10 тысяч киловатт-часов.
Разновидность сухого гравинакопителя энергии – кран с грузом на 32 тонны. Даже без шахты он «запасает» 20 тысяч киловатт-часов. Фото: Business Wire, businesswire.com
На практике дальше небольших демонстраторов такая технология не ушла. Почему? Дело не только в потерях энергии, которые будут не ниже 85 %. Ключевая проблема – цена. Даже заброшенную шахту нужно подвергнуть реконструкции, прежде чем ставить туда тяжелое оборудование. Это отдельный – каждый раз новый – инженерно проработанный проект и так далее. Такое можно окупить легко, если накопитель большой. Но лебедки на десятки тысяч тонн уже не особенно серийны и весьма дороги. Как и соответствующие краны. Поэтому, в отличие от ГАЭС, сухие гравинакопители трудно даже спроектировать мощнее десятков тысяч киловатт-часов.
Для сравнения: куча угля у Барнаульской ТЭЦ-2 (довольно средняя ТЭС) зимой состоит из 116 тысяч тонн топлива, с общей энергией сгорания, эквивалентной ~500 миллионам киловатт-часов. То есть, чтобы «уравнять» ее сухими накопителями, потребуется 50 тысяч брошенных шахт по технологии Gravitricity или 25 тысяч циклопических кранов, подобных тем, что на фото выше. Это не просто дорого – это как минимум миллиарды долларов. Куча угля, с другой стороны, не стоит вообще ничего, поскольку помещается в периметре, и без того отведенном под угольную ТЭЦ.
Альтернатива альтернативам
Выше мы рассказали о самых проработанных типах накопителей, но вообще таких проектов довольно много. Например, можно вспомнить еще тепловые накопители – чаще всего это огромные теплоизолированные баки с какими-то нагретыми соединениями (или просто камнями). В них тепло можно хранить несколько месяцев, чтобы потом отдать его на выработку пара, крутящего паровую турбину. Нагревают баки разными способами – в том числе электричеством от СЭС и ВЭС. Проблем у них две.
Во-первых, запасать так электрическую энергию расточительно. Даже при КПД нагрева 95 % КПД паровой турбины будет заведомо ниже 50 %, то есть суммарные потери запасаемой энергии превысят 50 %. Если цель в запасании тепла, ситуация куда лучше. Именно поэтому часть проектов тепловых накопителей предполагает хранение тепла с лета для отопления домов зимой. Но проблема в том, что тепло тем проще передавать на заметное расстояние, чем выше температура теплоносителя. А у тепловых накопителей не та температура, чтобы они могли греть воду на отопление хотя бы до +90 с хорошей эффективностью.
Поэтому дать тепло от таких накопителей можно только близлежащим домам. Строить крупный тепловой накопитель у каждого квартала дорого. Сооружать их мелкими – значит снизить возможности хранения, потому что из небольших масс нагретых материалов тепло уходит значительно быстрее, чем из крупных.
Вместо заключения
Следует признать, что пока удовлетворительных по цене систем запасания энергии на планете нет. Даже ГАЭС, самая дешевая опция, все равно слишком дорога: заменить ими газохранилища ЕС вышло бы только за 110 триллионов долларов, что во много раз выше ВВП еврозоны.
Из этого следует очень важный для ситуации в современном мире вывод: пока безуглеродный переход произойти не может. Чтобы заместить ТЭС, нужны способы запасания энергии, которые были бы ненамного дороже хранилищ для ископаемого топлива. Зеленый водород здесь явно не годится, потому что его цена в разы больше, чем у природного газа, а остальные накопители, как мы показали выше, еще дороже. Литиевые системы, безусловно, будут широко распространяться по миру – но не как замена угольных куч и газохранилищ, а лишь как средство стабилизации напряжения в больших сетях.
Тем временем ученым и инженерам предстоит найти какой-то другой способ накопления энергии. Что-то такое, что могло бы вмещать десятки триллионов киловатт-часов в самых разных точках планеты, как ископаемое топливо сегодня. И маловероятно, что это будут АЭС, хотя там стандартная загрузка топлива уже имеет емкость в десятки миллиардов киловатт-часов на каждый реактор. Причина проста, и о ней уже писал «ММ» в феврале 2023 года: АЭС сегодня тоже не в моде.
Все это значит, что мы еще десятки лет будем смотреть увлекательный научно-популярный сериал «найди замену ископаемым накопителям энергии». И кто знает, насколько интересные и изощренные изобретения увидит человечество на этом пути?
Технологии
Александр Березин
Расщепляя атом: как устроена АЭС
Адреналин – гормон страха и азарта
Комар в городе: ждать ли от него малярию, денге и Зику?
Под музыку Вивальди: как сохранить здоровье, отпугнув подростков и крыс
