Электрическую энергию в промышленном масштабе ещё пока никому не удалось накапливать достаточно эффективно. Это обстоятельство существенно снижает распространение возобновляемых источников энергии.
Разумеется, что разработаны разные перспективные варианты аккумуляторов, например, песочные батареи компании Polar Night Energy или Tesla Megapack, но они обладают некоторыми недостатками. Это толкает инженеров на продолжение поиска дешёвого и безопасного способа хранения энергии. Вот об одном из таких способов, а именно, о гравитационных батареях, и пойдёт речь далее.
Причём здесь часы с кукушкой?
Всё дело в том, что одним из самых первых устройств, где при помощи силы тяжести получали энергию для работы механизмов, были маятниковые часы, которые изобрёл Гюйгенс в 1656 году.
Однако только по прошествии 250 лет, идея применения силы тяжести дошла до энергетики. Так, в 1907 году была создана первая гидроаккумулирующая система в Швейцарии, которую по принципу работы можно отнести именно к системам гравитационного типа.
Электричество использовалось для работы насосов, качающих воду в верхний резервуар
Электроэнергия вырабатывалась на тепловых электростанциях путём сжигания топлива. Так как электроэнергия вырабатывалась постоянно, в том числе и вне пикового времени, она была дешёвой. Это происходило потому, что некоторая часть получаемой энергии всё равно расходовалась бы впустую — такова особенность работы тепловой электростанции.
В часы максимальных нагрузок вода стекала из верхнего резервуара в нижний и вращала турбину
Электроэнергию применяли для питания насосов, перекачивающих воду из нижнего в верхний водоём. Когда же наступал дефицит мощности под действием силы тяжести поток воды двигался обратно в нижний водоём, крутя турбину, которая была соединена с генератором, вырабатывавшим электричество.
Московская область, Загорская ГАЭС
В наше время в подобных станциях применяется и энергия, полученная из возобновляемых источников. Разумеется, что более чем за целый век, такие гидроаккумулирующие электростанции стали очень широко распространены.
Согласно статистике, на данный момент это очень распространённый способ хранения энергии во всём мире. К примеру, большинство энергохранилищ в Соединённых Штатах Америки используют эту технологию, что составляет примерно 95%.
Гравитационный способ хранения энергии
Однако разработаны и другие способы использования силы тяжести, причём никакой воды не требуется. Различные типы гравитационных хранилищ потенциально могут успешно решить главную проблему: как сохранить всю полученную энергию, а затем выдать её потребителям, когда она потребуется?
При этом система должна быть дешёвой, надёжной и иметь длительный срок службы!
В последние годы появилось много компаний, предлагающих новые концепции гравитационных хранилищ. Об одной из них Gravitricity, речь и пойдёт дальше, но вначале рассмотрим, что же представляет этот новый способ.
Идея очень простая: для заряда такой батареи применяется поступающая извне электроэнергия, необходимая для того, чтобы запитать электродвигатели и поднять тяжёлые грузы снизу наверх. Тем самым накапливается потенциальная энергия.
При необходимости можно преобразовать эту энергию в электроэнергию. Для этого грузы под воздействием силы тяжести движутся вниз, а электромоторы переключаются в режим генерации, выдавая электроэнергию потребителям. Конечно, груз не будет падать сразу. Конструкция рассчитана так, что груз движется медленно. Таким образом, батарея сможет выдавать накопленную энергию за несколько часов.
Важную роль играет масса груза и высота, на которую эти грузы поднимают. На само переключение батареи из режима заряда в режим разряда требуются секунды, а это говорит о том, что батарея может очень быстро реагировать на пиковую нагрузку.
Gravitricity
Гравитационный принцип использует компания Gravitricity, создавшая в 2021 году первый прототип и демонстрационный образец своей батареи. Система установлена в порту шотландского города Эдинбург.
На первый взгляд, установка напоминает обычный лифт, только вместо пассажирской кабины у него установлены два груза, каждый из которых имеет массу 25 тонн. При помощи электродвигателей, получающих питание от солнечных батарей, эти грузы сначала поднимаются на высоту 15 метров, а затем, за несколько секунд, достаточно быстро опускаются, благодаря действию силы тяжести.
Инженеры компании отмечают, что грузы движутся быстрее, чем требуется, но сделано это намерено для демонстрации. Однако и этой энергии вполне достаточно для того чтобы произвести на зрителей требуемое впечатление.
Только одна такая батарея обладает мощностью 250 кВт и может полностью обеспечить электричеством на несколько секунд близлежащий посёлок.
Теоретически подобные хранилища смогут выдать от 1 до 20 МВт максимальной мощности, продолжая работать без перерывов целых 8 часов.
По данным инженеров Gravitricity, хранилище мощностью 20 МВт сможет обеспечить электроэнергией 63 тысячи домов в течение часа. Для этого компанией планируется применить блоки большей массы, однако, пока не говорит какой. Ещё инженеры планируют повысить высоту поднимаемого груза.
Для осуществления своих идей в Gravitricity также рассчитывают использовать старые угольные шахты. Глубина таких шахт может доходить до нескольких километров. Следует признать, что есть нечто символичное в том, что такие остатки угольной промышленности получают второе рождение и способствуют развитию возобновляемой энергетики. Ведь главная проблема при сборе солнечной энергии и энергии ветра заключена в том, что если её нельзя сохранить, то она теряется или расходуется вхолостую.
Стоимость
Теперь рассмотрим, в чём же состоит главное преимущество гравитационных хранилищ перед батареями другого типа? Очевидно, что они стоят меньше. Ведь по цене хранения одного мегаватт-часа, гравитационные системы как минимум в два раза дешевле своих литий-ионных конкурентов. Цена составляет примерно 171 доллар против 367 долларов.
Если продолжить и сравнить гравитационные системы с серно-натриевыми аккумуляторами, тогда цена составит уже 532 доллара. А если сравнить с другой современной разработкой: аккумулятором с проточным электролитом, то сумма будет 274 доллара.
Время работы
Другое важнейшее преимущество — это более длительный срок работы. Как хорошо всем известно, литий-ионные батареи быстро выходят из строя. В среднем этот показатель составлет от 5 до 10 лет и зависит от количества циклов заряда-разряда. Гравитационная батарея может проработать до 50 лет без заметных затрат на ремонт или техническое обслуживание.
Условия труда
Наконец, для добычи лития и других металлов используется труд рабочих, характеризующийся очень тяжёлыми условиями работы и даже ущемлением прав человека. При этом запасы лития на Земле неизбежно снижаются, что не позволяет считать такую технологию перспективной в течение довольно длительного времени.
Безопасность
Разумеется, что нельзя забыть о высокой пожароопасности и взрывоопасности литиевых аккумуляторов. Вдобавок ко всему тушение пожара на такой большой площади связано с серьёзными трудностями. В то же время, для того чтобы разместить гравитационные накопители, требуется намного меньше площади, особенно если установить их в угольных шахтах. Это подходит как раз для стран Евросоюза, где осталось много заброшенных угольных шахт и просто нет свободной площади для установки огромных литий-ионных батарей.
Заключение
Какое будущее у такой технологии? Разумеется, что на данный момент технология ещё очень сырая. Ведь первые разработки появились в 2017 году, и тогда же был создана первая тестовая установка. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти подходящие шахты в Европе, а также и на других континентах. Однако это получилось только в 2021 году.
Gravitricity планирует запустить первое хранилище в промышленное использование в 2024 году. Предполагается, что мощность хранилища составит 4 МВт, а для этого требуется шахта около 1 км глубиной. При этом нужно учитывать, что Gravitricity, это небольшая компания, состоящая из 14 человек и обладающая капиталом только в несколько миллионов фунтов стерлингов. Очень много зависит от спонсоров и помощи местных властей.