Старые угольные шахты можно превратить в «гравитационные батареи», оснастив их оборудованием, которое поднимает и опускает гигантские кучи песка.
- Чтобы иметь функциональную энергосистему, основанную на возобновляемых источниках энергии, нам потребуются инновационные способы хранения энергии, когда ее много, для использования, когда ее нет.
- Ученые недавно предложили перепрофилировать старые шахтные стволы для выработки электроэнергии путем опускания контейнеров с песком и накопления электроэнергии путем повторного подъема песка.
- Хотя этот метод не может генерировать столько энергии для сети, как батареи или гидронасосы, он может дешево хранить энергию в течение месяцев или лет без потерь. Еще одним преимуществом является то, что система может быть установлена в старых угольных шахтах, предоставляя рабочие места жителям тех мест, где шахты закрылись.
В будущей низкоуглеродной электросети, в которой будет преобладать прерывистые ветровая и солнечная энергия, нам потребуются технологии для хранения энергии, когда её много, и подачи её обратно в сеть, когда её нет. Литий-ионные батареи и насосные гидроэлектростанции сейчас выполняют основную часть этой работы по хранению энергии, и ожидается, что они будут доминировать в будущем, наряду с водородными топливными элементами.
Международная группа ученых недавно предложила еще одно инновационное и изобретательное решение, которое включает в себя перепрофилирование старых шахт: подземное гравитационное хранилище энергии (UGES). Они изложили идею в журнале Energies.
В кроличью нору
UGES включает в себя спуск большого количества песка, хранящегося в контейнерах, прикрепленных к центральному кабелю, в глубокую подземную шахту. По мере того, как песок постепенно опускается, прикрепленный кабель вращает роторы, которые приводят в действие различные генераторы, производя электричество. Этот процесс можно обратить вспять для хранения энергии, когда в сети есть избыток возобновляемой электроэнергии. Песок поднимается обратно наверх аппарата и складывается в насыпи над землей.
Что отличает UGES от других решений для хранения гравитационной энергии , предлагаемых различными стартапами, так это местоположение. Исследователи предлагают устанавливать УГЭС в заброшенных шахтных стволах, которых очень много.
«По оценкам, в Австралии их насчитывается не менее 50 000; в США обнаружено более 550 000, в том числе более 100 000 представляющих значительный экологический риск; и известно, что в Канаде существует более 10 000», — пишут авторы.
По их оценкам, глобальный потенциал хранения энергии UGES составляет от 7 до 70 тераватт-часов (1 тераватт = 1000 гигаватт). Для сравнения, это эквивалентно энергии, хранящейся в 87,5–875 млн аккумуляторов электромобилей. По состоянию на конец 2021 года во всем мире было подключено всего 56 гигаватт-часов накопителей энергии.
Выходная мощность УГЭС, то есть та, которую она может мгновенно отдать в сеть, в первую очередь зависит от длины подземного ствола шахты и количества используемого песка. Проект в старой шахте глубиной всего 200 метров с использованием 4 миллионов тонн песка может обеспечить только 10 мегаватт в сеть, что достаточно для питания от 5000 до 8000 домов, в то время как проект в шахте глубиной 1000 метров с использованием 40 миллионов тонн песка может генерировать до 200 мегаватт.
Более глубокая шахта будет не только производить и хранить больше энергии, но и будет более рентабельной. Авторы подсчитали, что затраты на хранение энергии варьируются от 1 до 10 долларов за киловатт-час для УГЭС, что совершенно дешево по сравнению с литий-ионными батареями, которые в настоящее время стоят около 150 долларов за кВтч. Однако цены на батареи продолжают падать по мере улучшения химического состава.
Шахтерское ремесло
Самым большим недостатком УГЭС является значительное использование песка — казалось бы, вездесущего сырья, которое на самом деле может оказаться в дефиците в конце этого века — и его скромная мощность — сколько электроэнергии он может поставить в сеть в любой момент времени. УГЭС также могут потребоваться дни, недели или даже месяцы, в зависимости от количества используемого песка и глубины, для полной «перезарядки», то есть для перемещения песка со дна шахты наверх.
С другой стороны, его способность дёшево хранить энергию в течение недель, месяцев или даже лет — или, возможно, на неопределенный срок — является огромным плюсом. Песок не испаряется, как вода из перекачиваемого водохранилища гидроэлектростанции, и не рассеивается, как энергия, которая медленно разряжается из аккумуляторов. Еще одно фантастическое преимущество? УГЭС может оживить угольные сообщества, поскольку шахты по всему миру продолжают закрываться.
«Мир трансформирует свою энергетическую систему, вдвое сокращая добычу угля для энергетических целей, — пишут исследователи. — UGES может предоставить альтернативный источник дохода людям, работающим на шахтах, и обществу».
Поскольку планировщики и политики стремятся создать энергосистему с нулевым выбросом углерода, им потребуется разнообразное сочетание решений для производства электроэнергии и хранения энергии, чтобы максимизировать стабильность и минимизировать риск отключений. УГЭС вполне может внести свой вклад в это будущее.