Если вы давно следите за новостями в сфере энергетики, то наверняка знаете мою слабость к аккумуляторам (см. доказательства А, Б и В). Использование химических реакций для запасания энергии удобно и масштабируемо, и существует миллион способов это сделать, поэтому батареи стали практически синонимом аккумулирования энергии.
Однако всё больше исследовательских групп и компаний начинают мыслить за пределами традиционных батарей. В стремлении снизить затраты и обеспечить долгосрочное хранение больших объемов энергии, они проявляют изобретательность: закачивают воду в землю, сжимают газ в подземных пещерах или массивных резервуарах, и даже поднимают гигантские блоки.
По мере того как мы наращиваем мощности возобновляемой генерации, зависящей от таких нестабильных источников, как ветер и солнце, нам необходимо значительно увеличить объемы систем накопления энергии для стабилизации энергосистемы и обеспечения бесперебойных поставок электричества. Некоторые из этих решений могут выглядеть совсем не так, как привычные нам аккумуляторы, поэтому давайте подробнее рассмотрим, почему появляются альтернативы батареям и что потребуется для их реализации в реальных условиях.
Определенная весомость
Как вы, возможно, помните из школьного курса физики, энергия может храниться в виде потенциальной энергии: поднимите книгу, и в ней накапливается энергия, которая высвобождается, когда вы ее отпускаете, и гравитация тянет ее вниз. (Это падение — и есть кинетическая энергия в действии).
Эта простая концепция, воплощенная в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС), лежит в основе 90% мировых систем хранения энергии, работающих в настоящее время. Да, именно так — подавляющее большинство мировых запасов энергии приходится на перекачку воды вверх по склону.
На ГАЭС избыток электроэнергии используется для нагнетания воды из нижнего водохранилища в верхнее. Позже, стоит только открыть шлюзы, как гравитация делает свое дело: вода устремляется вниз через турбину, генерируя электричество. Это дешевый и относительно простой способ запасать энергию на потом.
Однако масштабировать ГАЭС трудно, поскольку они требуют специфических географических условий (не говоря уже о том, что вмешательство в естественные водные системы может быть губительным для экосистем).
Некоторые группы стремятся переосмыслить хранение энергии, используя силу гравитации без привязки к воде. EnergyVault строит комплексы с подъемниками, которые поднимают и опускают гигантские блоки для накопления энергии. Gravitricity планирует поднимать массивные грузы под землей, возможно, используя старые шахты.
Эти системы могут обладать высокой эффективностью, возвращая значительную часть затраченной энергии. Они также могут быть долговечными, что делает экономически целесообразным хранение энергии в течение дней, недель или, возможно, даже месяцев.
Сторонники утверждают, что гравитационные системы могут удовлетворить спрос на долгосрочное хранение. Однако существует скептицизм относительно будущего этого подхода, поскольку он потребует больших усилий при строительстве и может оказаться более сложным в обслуживании, чем ожидается. EnergyVault добивается прогресса в строительстве запланированного объекта в Китае, хотя компания также в последнее время активно занимается развертыванием установок на базе литий-ионных аккумуляторов (подробнее об этом здесь).
Большое сжатие
Вернемся к школьной физике еще раз ради другой концепции: давления. Если сжать что-либо в меньшем пространстве, вы повышаете давление.
Превращение этого давления в полезную энергию — вот что лежит в основе систем накопления энергии со сжатым воздухом (CAES). Все, что вам нужно — это подземная соляная пещера. Когда электричество не нужно, вы используете его для закачки воздуха внутрь пещеры с помощью насосов. Затем, когда энергия требуется, вы просто открываете клапан, позволяя сжатому воздуху вращать турбину и генерировать электричество.
В мире работает всего пара таких установок: одна в Германии, другая в Алабаме. В прошлом они часто были связаны с ископаемым топливом, поскольку обычно работали в паре с газовыми электростанциями. Но теперь компании стремятся переосмыслить CAES, используя эту технологию для работы с возобновляемыми источниками и расширяя сферы ее применения.
В начале этого года местные органы власти в Калифорнии подписали контракты с Hydrostor на строительство того, что, по сути, станет крупнейшим в мире объектом хранения энергии со сжатым воздухом. Вместо того чтобы полагаться на естественные геологические условия, Hydrostor пробурит три шахты глубоко под землей для хранения сжатого воздуха.
Это многомиллиардный проект, который может начать работу уже к 2028 году для накопления энергии и сглаживания колебаний калифорнийской сети, используя исключительно воздух.
Другие группы придерживаются иного подхода к той же концепции. Итальянский стартап Energy Dome планирует сжимать не воздух, а углекислый газ для хранения энергии. Это вообще не требует больших подземных хранилищ — подробнее об их идеях можно прочитать в моем прошлогоднем материале об Energy Dome.
Земля в помощь батарее
Некоторые исследователи также рассматривают возможность сочетания этих новых методов накопления энергии с методами генерации, что позволит сделать новые электростанции более гибкими.
Возьмем, к примеру, геотермальную энергию, которая черпает тепло из недр Земли. Геотермальные электростанции обычно используются для так называемой базовой нагрузки — они работают практически постоянно с одинаковой мощностью.
Однако стартап Fervo Energy продемонстрировал, что может накапливать энергию с помощью своих геотермальных скважин. Закачивая воду, они со временем повышают давление под землей — а когда это давление сбрасывается, геотермальная станция выдает больше энергии, чем обычно.
Это захватывающий поворот в области хранения энергии, который может радикально изменить потенциал геотермальных установок в будущем. Мой коллега Джеймс Темпл посетил испытательный полигон Fervo и опубликовал материал об усилиях стартапа на этой неделе. Обязательно ознакомьтесь, чтобы узнать все подробности.
Еще кое-что
Возможно, вы не знакомы с ARPA-E, но это правительственное агентство активно формирует будущее энергетики. Входя в состав Министерства энергетики США, ARPA-E поддерживает высокорисковые, но потенциально революционные энергетические технологии. Я побеседовал с ее новым директором Эвелин Ванг о том, какие технологии могут изменить энергетический сектор. Ознакомьтесь с моим материалом, вышедшим в понедельник, чтобы узнать больше.
Следим за климатом
Организация Объединенных Наций достигла важного соглашения по защите биоразнообразия океана. Если договор будет ратифицирован, он учредит орган для управления открытым морем. (New York Times)
Действительно ли вам нужна батарея для электромобиля большей емкости? Исследователи в США в течение года наблюдали за сотнями водителей и обнаружили, что почти 40% из них могли бы совершать ВСЕ свои поездки на небольшом электромобиле с запасом хода всего 143 мили. (Inside Climate News)
Один из новых реакторов АЭС Plant Vogtle в Джорджии достиг самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Проект страдал от задержек и роста стоимости. (Associated Press)
Наш рацион питания очень сильно влияет на климат — продовольственный сектор может вызвать потепление почти на 1 °C к 2100 году. Помочь может решение проблем потребления мяса и пищевых отходов. (The Verge)
→ Некоторые компании хотят использовать пищевые отходы для получения энергии, что может помочь сократить вредные выбросы парниковых газов. (MIT Technology Review)
В США наблюдается раскол… в методах отопления жилых домов. Это может повлиять на декарбонизацию, поскольку замена мазута в Мэне поставит иные задачи, нежели замена природного газа на Среднем Западе и Северо-Востоке. (Washington Post)
На прошлой неделе началось строительство спорного литиевого рудника в Неваде. Экологические группы и коренные племена в этом районе выступают против проекта, заявляя, что эта земля имеет культурное и религиозное значение, а работы могут нанести вред экологии. (Grist)
→ В рассылке я рассмотрел три мифа о добыче полезных ископаемых и возобновляемой энергии. (MIT Technology Review)
