Двухфазные гравинаки

Инженеры знают, что крупные энергетические системы включают средства генерации, передачи, накопления и распределения энергии, характеристики которых должны быть увязаны друг с другом. Все используемые технологии хорошо отработаны и проверены на практике, кроме накопителей, которые крайне необходимы для эффективного применения альтернативных источников энергии.

Хранить энергию можно в гравитационных накопителях (гравинаках) - гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) и всевозможных системах подъёма-опускания грузов. Существуют также электрохимические аккумуляторы, суперконденсаторы, маховики, водородные электролизные системы, накопители энергии на расплавленной соли и сжатом воздухе. Как обычно бывает, наилучшей универсальной технологии не придумано, разные накопители хороши в разных ситуациях. Одни системы плохо масштабируются, другие занимают много места, третьи не очень безопасны при интенсивной эксплуатации. В общем, накапливать энергию в промышленных масштабах сложно.

В большой энергетике наиболее широко используются ГАЭС, закачивающие воду в верхний резервуар, когда энергия в избытке, и пропускающие её через гидравлические турбины вниз при нехватке энергии. Принцип простой и эффективный, однако требующий двух крупных резервуаров со значительным перепадом высот, а также какого-то источника воды для их периодического пополнения. В последние годы в энергетике идёт внедрение ионолитиевых электрохимических аккумуляторов, но оно осложняется пожарами, что говорит о «сырости» технологии. Промышленные накопители остальных видов по большей части находятся на этапах пилотного тестирования или даже разработки ранних прототипов.

Среди гравинаков с твёрдыми грузами выделяется разработка швейцарской компании Energy Vault, которая организует автоматическую погрузку и подъём-опускание бетонных блоков весом до 35 тонн с помощью крана с шестью стрелами (рис. 1). При подъёме грузов энергия запасается, при опускании - высвобождается. Изощрённая система управления координирует работу кранов и оптимизирует укладку блоков в стопки, друг на друга.

Перед швейцарскими разработчиками стоят задачи учёта ветра, который действует на движущиеся краны и блоки, подавления эффекта маятника, контроля растяжения канатов и поддержания постоянной мощности при выдаче энергии в сеть путём точной синхронизации операций по опусканию блоков. Согласно компании, модульная установка позволит запасать от 20 до 80 мегаватт-часов энергии, обеспечивая постоянную выдачу мощности от 4 до 8 МВт на протяжении восьми - шестнадцати часов. В Тичино на юге Швейцарии компания строит крупную демонстрационную систему 110-метровой высоты.

Компания Gravitricity из Великобритании пошла другим путём. В подземных вертикальных шахтах на канатах подвешиваются грузы массой от 500 до 5000 тонн, которые, опускаясь и поднимаясь с помощью электролебёдки, генерируют или потребляют электроэнергию (рис. 2). Компания заявляет, что каждый блок накопителя, работая от 15 минут до 8 часов, сможет выдавать мощность от 1 до 20 МВт. Сегодня в Шотландии идёт строительство малой демонстрационной системы с 25-тонными грузами, рассчитанной на мощность 250 кВт.

В нашей стране тоже занимаются гравинаками на твёрдых грузах. В новосибирском технопарке с 2017 года работает прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС), которая представляет собой систему вертикальных лифтов. В здании, защищающем накопитель от ветров, осадков и перепадов температур, располагаются восемь лифтовых шахт двадцатиметровой высоты. При зарядке накопителя лифт с грузом поднимается, потребляя излишки электроэнергии из сети. Затем груз закрепляется наверху, а лифт опускается за следующим. Электроэнергия вырабатывается при поочерёдном спуске грузов вниз за счёт действия силы тяжести.

Разработчик системы, компания «Энергозапас», планировал построить в Сколкове опытно-промышленный образец ТАЭС с лифтами высотой уже 80 метров, но пока этот план не реализован.

Перед разработчиками твердотельных гравинаков стоят непростые задачи. Нужно создать специфические электронные системы управления, безотказные захваты для грузов, сверхпрочные долговечные канаты... Проектировщики ГАЭС, где используются давно отработанные технологии гидрогенерации, находятся в более выигрышном положении. Не удивительно, что в последние годы появились варианты гибридных систем, в которых твёрдый груз совмещён с гидравлической системой.

Немецкая компания New Energy Let's Go предложила вместо высотного резервуара ГАЭС построить огромный подземный бетонный цилиндр диаметром от 120 до 280 м. В нём вода будет прижата тяжёлым гранитным поршнем, создающим высокое гидравлическое давление и тем самым имитирующим перепад высот между верхним и нижним водохранилищами ГАЭС (рис. 3). Такой подход позволяет построить накопитель энергии на равнинной местности, где обычно сосредоточены основные потребители.

Предложенная конструкция создаёт серьёзную техническую проблему: вода под большим давлением будет стремиться просочиться между поршнем и стенками цилиндра. Решить проблему предлагают с помощью юбки из особой мембраны (на рис. 3 отмечена красным), прочной на растяжение и легко сгибающейся. Юбка постоянно движется вместе с поршнем, удерживая воду между ним и стенкой цилиндра. Материал мембраны производится по той же технологии, что и конвейерные ленты.

Очень интересен проект подземного накопителя компании Gravity Power из Калифорнии. В вертикальной цилиндрической шахте находится поршень, давящий на столб воды (рис. 4). В отличие от системы New Energy Let's Go второй резервуар здесь находится не в стороне, а прямо над первым - поверх поршня, что позволяет свести к минимуму площадь земли, необходимой для размещения установки. Проблема протечки воды между стенками поршня и цилиндра здесь тоже стоит, но не так остро. Компания предполагает для гидроизоляции использовать скользящее эластичное уплотнение.

Разработчики обещают, что систему будет достаточно один раз заполнить водой перед началом работы - дальнейшего пополнения не потребуется. В каждой шахте можно будет хранить сотни мегаватт-часов электрической энергии. Демонстрационный вариант накопителя строится в Вайльхайме (Германия).