Когда речь идет о гравитационных батареях, золотым стандартом является гидроаккумулятор, но его стоимость и ограничения, связанные с топографией, стимулируют инновации, начиная от торможения грузовых поездов и заканчивая сверхплотными жидкостями. Но какая из новых технологий окажется жизнеспособной?
Потенциальная энергия яблока, которое упало на голову Исаака Ньютона в 17 веке, помогла ему создать теорию гравитации. Однако только в начале 20-го века в Швейцарии была разработана первая крупная гравитационная батарея - гидроаккумулирующая система.
Гравитационная батарея накапливает потенциальную энергию материала или жидкости, используя высоту и вес. В гидроаккумулирующих системах вода подается в более высокий резервуар, когда есть излишки энергии, а затем, когда необходимо, сбрасывается вниз через турбину.
Гидронасосная гидроэнергетика является наиболее распространенной технологией хранения энергии в масштабах коммунального хозяйства и составляет 96% глобальной емкости хранения и 99% объема накопленной энергии.
Перспективы и требования
В то время как литий-ионные батареи и другие электрохимические системы завоевали рынок кратковременного хранения энергии, из-за дорогостоящего сырья они не могут обеспечить долговременное хранение энергии (LDES), необходимое для энергетического перехода. Только LDES может полностью покрыть прерывистые циклы солнечной и ветряной энергии, заполняя пробелы для круглосуточной подачи возобновляемой энергии. По прогнозам аналитической компании McKinsey & Company, к 2040 году мощность технологии LDES может составить от 1,5 до 2,5 ТВт.
Однако насосная гидроэнергетика требует значительных капиталовложений и инфраструктуры и ограничена топографией, подходящей для водохранилищ на разных высотах. Проекты также оказывают значительное воздействие на окружающую среду. Эти ограничения стимулируют инновации в разработке гравитационных батарей.
Основным требованием к гравитационным батареям является вес, а это может стоить недорого. Гравитационные хранилища сыграют огромную роль, если кто-то сможет найти способ скопировать концепцию насосной гидроэнергетики более распределенным способом.
Энергетическое хранилище.
Швейцарское хранилище энергии Energy Vault, возможно, находится дальше всех на этом пути. В марте 2022 года, совместно с американской компанией Atlas Renewable Energy и долей южнокорейской металлургической компании Korea Zinc в размере 50 миллионов долларов, Energy Vault начала реализацию проекта мощностью 25 МВт/100 МВт около Шанхая.
Первоначальная система "EVx" предназначалась для подъема 30-тонных блоков с помощью шестистрелочного крана. Главный коммерческий директор Energy Vault Марко Терруццин говорит, что система стала больше похожа на многоэтажный паркинг, с 35-тонными блоками вместо автомобилей, каждый из которых постоянно перемещается для накопления и высвобождения энергии.
Energy Vault и мексиканская цементная компания Cemex разработали блоки, которые могут использовать местные материалы, включая почву, переработанную угольную золу, отходы шахт или лопасти ветряных турбин.
Роберт Пикони, соучредитель и генеральный директор Energy Vault, сообщает об "очень положительной" реакции в Китае и говорит, что Atlas планирует установить там до 6 ГВт-ч гравитационных накопителей Energy Vault. Швейцарская компания строит систему мощностью 18 МВт/36 МВтч в Техасе совместно с итальянской энергетической компанией Enel Green Power, запуск которой ожидается летом.
"Я думаю, что гравитационные [батареи] будут играть более важную роль на рынке длительного хранения энергии", - говорит Пикони, хотя "на рынке не так много компаний, производящих гравитационные накопители энергии в больших масштабах. Есть четыре или пять других гравитационных компаний, но ни одна из них не продвинулась дальше начального или государственного грантового финансирования. Поэтому предстоит еще много работы".
Глубинные батареи.
Шотландская компания Gravitricity планирует использовать бывшие шахтные стволы для хранения энергии на основе блоков системы GraviStore и предлагает использовать "MagnaDense", высокоплотный заполнитель, который является проверенным промышленным балластом.
Высота и вес - единственные переменные в гравитационной батареи, говорит коммерческий директор Грэвитрити Робин Лейн. "Если вы хотите генерировать, хранить и отдавать интересные объемы электроэнергии, нужно иметь дело с грузами весом в сотни тонн, и сбрасывать эти грузы с расстояния минимум 500 метров".
Единственным экономически эффективным решением, утверждает Лейн, является использование пещер или заброшенных стволов. "Это экономически эффективно, так как используется существующая инфраструктура", - говорит он. "В мире сотни, если не тысячи, выведенных из эксплуатации шахт в Южной Африке, Австралии, Чили и Европе. Это действительно хорошая идея - использование старой [угольной] энергетической системы создания для новой".
Терруззин из Energy Vault говорит, что такие системы ограничены размерами шахты.
Gravitricity продемонстрировала в Эдинбурге экспериментальную установку мощностью 250 кВт, оснащенную двумя 25-тонными грузами , и готова построить полномасштабный проект на шахте Старжич в Чехии. Для реализации проекта требуется финансирование, и, хотя Лейн уверен в получении грантов, Gravitricity диверсифицирует свою деятельность, создав демонстрационный проект подземного хранения водорода в Великобритании совместно с инженером-конструктором VSL Systems UK.
Energy Vault также диверсифицирует свою деятельность.
"Подземные пространства идеально подходят для потенциального хранения энергии в масштабах сети", - говорит Лейн. "Мы считаем, что эти возможности выходят за рамки гравитации". Система H2 FlexiStore шотландского предприятия включает в себя разработку облицованных сталью каменных шахт, рядом с объектами возобновляемых источников энергии и промышленных потребителей водорода для хранения до 1 000 тонн сжатого газообразного водорода в одной шахте. В шахтах также возможно гравитационное хранение.
Энергия поршня.
Компания Gravity Power, базирующаяся в США, предлагает гравитационную батарею с заполненным водой валом с замкнутым контуром, в котором поршень из армированной породы поднимается под действием нагнетаемой воды, а затем опускается, направляя воду вверх по напорному трубопроводу и через турбину.
Для гравитационной электростанции не требуется ни резервуаров с разной высотой подъема, ни кабелей и лебедок. Выровненная стоимость хранения энергии для системы 200 МВт/1,6 ГВт/ч, которая генерирует энергию в течение восьми часов, составляет менее четверти от показателя 2020 года для литий-ионных батарей.
Компания Gravity Power собирает 10 миллионов долларов на демонстрацию 1 МВт в ракетной шахте с помощью стимулов, предусмотренных Законом о сокращении инфляции. "Он продемонстрирует общую концепцию и предоставит ценные данные, полученные в ходе эксплуатационных испытаний", - говорит Мейсон.
В прошлом месяце южноафриканские ученые предложили гравитационную батарею, объединяющую инновации Gravity Power и Gravitricity. Исследователи Стелленбошского университета предлагают использовать на заброшенных шахтах систему линейных электрических машин, в которой машины вертикально перемещают твердые массы или поршни. Исследователь из Стелленбоша Моррис Мугиема говорит, что "энергетическая мощность всей системы увеличивается за счет добавления валов рядом друг с другом, что делает ее гибкой и простой для увеличения мощности".
Плотная жидкость
Британская компания RheEnergise, разработав систему High-Density Hydro, придерживается принципов насосной гидроэнергетики, но при этом использует жидкость в 2,5 раза плотнее, чем вода.
Главный инновационный директор и профессор возобновляемых источников энергии в Эксетерского университета Ричард Кокрейн говорит, что компания предлагает "систему замкнутого цикла" с использованием "экологически безопасной жидкости".
Жидкость может быть получена из обычных источников, но ее состав пока держится в секрете. "Просто невероятно, сколько открывается новых возможностей при использовании жидкости более высокой плотности. Например, так как жидкость в 2,5 раза плотнее, то можно использовать холм, который в 2,5 раза меньше", - говорит он.
Для системы RheEnergise также требуются трубы и турбины меньшего размера, а ее размеры позволяют легко интегрировать ее в горнодобывающую промышленность любого города.
Демонстрация в Канаде прошла успешно, и теперь идет поиск подходящей площадки в Великобритании. Первые проекты будут объединены с солнечными или ветряными электростанциями на вершинах холмов. Используемая жидкость теоретически может быть более плотной, но не слишком вязкой для турбин.
Гравитационное торможение.
Гравитационная батарея "Infinity Train" австралийской компании Fortescue Future Energy и британской компании Williams Advanced Engineering, включает в себя 2,5-километровый поезд железной руды, использующий гравитационное торможение для зарядки батарей емкостью 70 МВт-ч по мере спуска с шахты Пилбара компании Fortescue в порты. Затем аккумуляторы получают достаточный заряд для движения поезда обратно.
Американская компания Advanced Rail Energy Storage изучает аналогичную, более компактную концепцию для подъема тяжелых блоков в гору.
По мере ускорения энергетического перехода возрастают требования к инновационным предложениям в области гравитационных накопителей. Однако на сегодняшний день еще нет явного конкурента насосной гидроэнергетике.