Гид по накопителям энергии: Часть I. Гравитация против здравого смысла⁠⁠

Гравитация, давление, температура, кинетическая энергия — порой для решения энергетических проблем, нужно мыслить фундаментальными силами

Литий-ионная батарея — лучшее, что случилось с вашим смартфоном и худшее, что может произойти с энергосистемой целой страны.

Я серьёзно. Пока техноблогеры обсуждают ёмкость очередного iPhone, инженеры-энергетики решают задачу другого порядка: как запитать десятимиллионный мегаполис безветренной пасмурной ночью, когда солнечные панели бесполезны, ветряки стоят, а литий-ионные батареи нужного объёма стоят бы как годовой бюджет небольшой страны. Срок жизни химических аккумуляторов 10–15 лет, со временем они деградируют и требуют для производства редких металлов, которые еще нужно где-то добыть. В общем, это не самый удачный фундамент для энергосистемы, которая должна проработать минимум полвека, а лучше еще дольше.

Так что же делать? Инженеры по всему миру предлагают неожиданные решения: забыть про сложную химию и вернуться к тому, что мы проходили на физике в восьмом классе. Гравитация, давление, температура, кинетическая энергия — порой для решения масштабных проблем, нужно мыслить фундаментальными силами.

Аккумуляторная иллюзия

В 2024 году мировые мощности возобновляемой энергетики выросли на рекордные 582 гигаватта. Стоимость солнечной электроэнергии снизилась на 90% с 2010 года. Китайцы выстилают солнечными панелями целые регионы, а Илон Маск регулярно рассказывает, что батареи решат все проблемы. Кажется, в энергетике наступил некий переломный момент, после которого ждет светлое зеленое будущее.

Кажется.

Проблема в том, что ветер не дует по расписанию, а солнце имеет дурную привычку регулярно закатываться за горизонт. Энергетики называют это intermittency — прерывистость генерации.

Днём, когда солнце в зените, солнечные станции вырабатывают столько электричества, что его порой его некуда девать. А вечером, когда люди приходят домой, включают чайники, кондиционеры и стиральные машины, солнечные панели уже бесполезны. Этот график потребления, если его нарисовать, напоминает утку — его так и назвали: «утиная кривая» (duck curve). Днём провал, а вечером крутой рост потребления, который сеть должна как-то покрыть. Литий-ионные батареи неплохо справляются с этим «утиным» горбом в течение 2–4 часов, но порой этого мало.

Порой наступает «тёмный штиль» (Dunkelflaute, как говорят немцы) — этакая безветренная, облачная неделя посреди зимы. На такой случай нужны хранилища с ресурсом в 30–50 лет, околонулевой деградацией и масштабируемостью до гигаватт-часов. Из литий-ионных батареек, как технологии, при всем желании таких параметров не выжать.

Международное энергетическое агентство подсчитало, что, чтобы выйти на траекторию достижения углеродной нейтральности к 2050 году (цель все более фантастическая, но сейчас не об этом), глобальная мощность сетевых батарей должна вырасти в 35 раз, с 11 ГВт в 2022 году до почти 970 ГВт к 2030-му. Капитальные затраты на литий-ионные батареи, несмотря на падение в 93% с 2010 года, остаются на уровне 165–192 доллара за кВт·ч. Вроде бы приемлемо? Давайте считать.

Треугольник страданий и метрика LCOS

У инженера-энергетика три параметра, между которыми он мечется всю карьеру. Назовём их «треугольник страданий»:

Ёмкость (кВт·ч) — сколько энергии можно запасти. Мощность (кВт) — как быстро можно эту энергию отдать или забрать. Стоимость хранения ($/кВт·ч за цикл) — цена за каждый запасённый и отданный киловатт-час за весь срок службы системы. Литий-ион хорош по мощности, приемлем по цене на короткой дистанции, но дорог для хранения энергии неделями. Батарея деградирует с каждым циклом, через 10–15 лет её нужно заменить, а отработанные элементы утилизировать (что отдельная головная боль).

И тут на сцену выходит метрика LCOS — Levelized Cost of Storage, нормированная стоимость хранения. LCOS учитывает капитальные затраты, операционные расходы, КПД, срок службы и количество циклов за всю жизнь системы. По сути она отвечает на вопрос: «Сколько стоит один киловатт-час, который прошёл через хранилище, если считать по-честному?».

И вот тут начинается интересное, потому что старинные старые часы с гирями, в которых считай нечему ломаться на длинной дистанции уделывают по LCOS будильник на литий-ионных аккумуляторах. Не потому, что гирьки эффективнее запасают энергию (часто нет: КПД у лучших подобных систем 50–70% против 85–95% у лития), а потому что не нужно никаких запасных аккумуляторов, возни с утилизацией отходов и геополитических рисков нарушения цепочек поставок кобальта из Конго.

Эта экономическая магия заставляет инженеров изобретать множество экзотических решений проблемы долгосрочного хранения энергии, и сейчас мы отправимся в тур по шести разным подходам: от классической механики через кинетику и пневматику к термодинамике. Каждая ступень — отдельный физический принцип, превращённый инженерами в батарейку.

Share

Дедушка всех накопителей: ГАЭС

Гидроаккумулирующая электростанция — штука настолько простая, что даже удивительно, насколько хорошо она работает.

Берем два водоёма, один выше другого. Когда электричества в сети в избытке, запускаем насосы, чтобы они качали воду наверх. Когда электричества не хватает, наоборот, сливаем воду вниз через турбины, вырабатывая ток. Электричество без химии и ГМО, всю работу выполняют вода и гравитация.

Первые ГАЭС появились ещё в 1890-х годах в Швейцарии и Италии — задолго до гигафабрик и даже до массового распространения электричества. Одна из самых ранних документированных установок — Engeweiher в Шаффхаузене, построенная в 1907–1909 годах. Город связал реку с близлежащим озером, чтобы хранить дешёвую ночную энергию и использовать её днём. В США технология пришла в 1930-х. В России крупнейшая Загорская ГАЭС-1 расположена в Подмосковье (1987 год, 1200 МВт, шесть агрегатов).

Если посмотреть на статистику, внезапно окажется, что ГАЭС это 96% всех мировых мощностей по хранению выработанной электроэнергии (естественно за вычетом запасенного природой в ископаемых видах топлива). Не 96% литий-ионных батарей, не 96% каких-либо батарей. 96% всего хранения. Привет, Илон.

Крупнейшая ГАЭС в США, Bath County в Вирджинии, выдает 3003 мегаватта мощности. Это примерно как три энергоблока АЭС. Ее КПД составляет около 80%, а срок службы подобных станций как минимум десятилетия. Многие из них работают уже больше 80 лет.

Еще один пример — валлийская Динорвиг (Dinorwig), открытая в 1984 году. Инженеры использовали заброшенный сланцевый карьер в Северном Уэльсе как нижний резервуар, а машинный зал спрятали в искусственных пещерах внутри горы Элидир Фор. Мощность — 1728 МВт, ёмкость — 9,1 ГВт·ч. Станция реагирует на скачки спроса в британской энергосистеме за секунды. Говорят, когда 30 миллионов англичан одновременно включают чайники после финала чемпионата мира, Динорвиг спасает сеть от блэкаута.

Чтобы ГАЭС работала на таком уровне, инженерам пришлось придумать реверсивную насос-турбину, которая одинаково хорошо работает в обе стороны и качает воду, и вырабатывает электричество. В 1929 году американский инженер Льюис Ферри Муди (Lewis Ferry Moody) подал патент на такую машину, получив его в 1933-м и после этого ГАЭС из инженерной причуды превратились в практичные «гидравлические батареи». В 1937 году немецкая Voith заявила, что разработала первую крупную промышленную pump-turbine. А в 1950-х инженер Поль Дерья (Paul Deriaz) запатентовал диагональную реверсивную машину с регулируемыми лопастями, которая резко расширила диапазон рабочих напоров и расходов. Каждый следующий шаг делал ГАЭС эффективнее и мощнее.

Качественный скачок произошёл в 1990-х. На японской станции Okawachi в 1993–1995 годах ввели первые агрегаты с регулируемой скоростью вращения. Это резко повысило полезность ГАЭС для регулирования частоты сети, после этого такие станции смогли стабилизировать сеть в реальном времени. Казалось бы, идеальная технология, но ГАЭС нужно много воды и специфический рельеф. Подходящих мест на планете немного, и многие из них расположены в заповедных зонах. Именно поэтому инженеры начали искать способы использовать гравитацию без воды.

Когда сизиф нашёл работу

Представьте тяжёлые поезда с бетонными блоками, которые медленно ползут в гору, когда в сети избыток электричества, и с грохотом скатываются вниз, когда снова нужно вращать генератор. Рекуперативное торможение, возведённое в абсолют.

Именно такою систему построила компания Advanced Rail Energy Storage (ARES) в Неваде. В 2010-х проект позиционировался как идеальное решение для засушливых холмистых регионов, утыканных ветряками, и начинали эксперименты с бетонных тележек.

К 2026 году тележки выросли в несколько раз, но амбиции создателей напротив поумерились. Сейчас на демонстрационной площадке реализована система хранения на 5 МВ с фиксированным цепным приводом на вершине холма.

Вавилонская башня из мусора

А вот другой подход к гравитационным хранилищам — Energy Vault — швейцарский стартап, который решил строить и разбирать башню из 35-тонных бетонных блоков. Когда электричества много, кран строит башню, поднимая блоки. Когда нужно вернуть энергию, кран аккуратно спускает блоки вниз, заставляя лебёдки работать как генераторы. По словам создателей, вся суть даже не в механике, а в алгоритмах, которые рассчитывают оптимальную последовательность подъёма и спуска блоков, чтобы не разрушить конструкцию и максимизировать КПД.

Первая версия этого проекта как открытая башня из блоков, но оказалась уязвимой для сильного ветра. Поэтому со временем команда перешла к более прагматичному решению: зданию-конструктору. Блоки, кстати, спрессованы из промышленных отходов: угольной золы и старых лопастей ветряков.

Energy Vault заявляет 35-летний технический срок службы и КПД выше 80%. Независимых подтверждений этих цифр в открытых источниках маловато, но идея «упаковать» гравитационное хранилище в стандартизированный продукт, который можно развернуть где угодно, сама по себе амбициозная.

Лифт в преисподнюю

Эдинбургский стартап Gravitricity, рассматривает проблему с другой стороны. Смотрите: заброшенная угольная шахта глубиной до 1500 метров — это готовый вертикальный ствол. Осталось повесить туда цилиндры массой до 5 тысяч тонн на стальных тросах. Дальше… вы должно быть уже догадались. Избыток энергии — поднимаем груз. А если нужна энергия, то опускаем, и тросы крутят генератор. Такое хранилище имеет очень малый отклик и может выступать как стабилизатор сети, сравнимый по скорости реакции с литий-ионными батареями. Кроме того, существует альтернативный подход к шахтному накоплению энергии — гидростатический: тяжёлый поршень в стволе шахты давит на воду, вода крутит турбину. Получается ГАЭС, но без верхнего озера.

В этой идее есть красота: превратить заброшенные шахты по всей планете в современные энергетические активы. Бывшие шахтёрские регионы, потерявшие работу с закрытием угля, получат новую индустрию. Однако формула E = mgh неумолима: чтобы запасти 1 кВт·ч (3,6 МДж), нужно поднять 1 тонну на 367 метров. Шахтная система с 70 тоннами на глубине 800 метров выдаст 2,75 МВт, но исчерпает заряд за 100 секунд. Так что такие накопители, явно не замена ГАЭС по ёмкости. Их ниша — сверхбыстрый отклик (стабилизация частоты) — достаточно узкая. Возможно, поэтому компания Gravitricity не так давно закрылась.

Подводные Атланты

А что, если вместо того, чтобы поднимать груз в воздух, опустить его под воду? Инженеры Фраунгоферовского института (Fraunhofer IEE) в Германии посмотрели на ветропарки и задались этим вопросом.

Проект StEnSea (Stored Energy in the Sea) — это полая бетонная сфера диаметром 30 метров, лежащая на глубине 700 метров. Внутри находится насос-турбина и клапан. Чтобы «зарядить» сферу, насос выкачивает из неё воду, сопротивляясь давлению в 70 бар, а чтобы получить энергию клапан открывают. Вода врывается внутрь через турбину и с бешеным напором вращает генератор.

Согласно параметрам проекта, турбина 5 МВт с длительностью разряда 4 часа может обеспечить ёмкость 20 МВт·ч и КПД 75–85%. Вот что творит вес водяного столба. Но главный плюс такой конструкции в возможности размещения прямо рядом с оффшорными ветропарками. Энергия производится и хранится в одном месте, без потерь при передаче на берег по подводным кабелям, а основной минус в необходимости поддержания морской инфраструктуры и сложности обслуживания.

У всех пяти систем одна физическая основа. Одна формула, пять разных ответов на вопрос, как сохранить энергию, и ни одного универсального.

Разброс огромный. ГАЭС выдают гигаватт-часы и работают десятилетиями. Gravitricity в шахте исчерпывает себя за 100 секунд, но реагирует мгновенно и может висеть заряженной годами. Energy Vault пытается занять среднюю полку — промышленный накопитель в виде стандартного продукта. StEnSea стоит особняком, там гравитация работает через давление водяного столба.

А давление умеет запасать энергию и без океана. В следующей части вместо воды и грузов будут подземные каверны, сжатый воздух, гигантские резервуары, жидкий азот и попытка превратить саму атмосферу в батарейку.

P.S. Если вам хочется увидеть мои новые статьи, подпишитесь на substack или телеграм.