Вариант революции в энергетике. Энергозапас

Мы на АШ очень любим стебаться над зеленой энергетикой. И одной из ключевых проблем зеленой энергетики является невозможность синхронизации пилы генерации с пилой потребления. Очевидно, что требуется где-то сохранять энергию. И накопителей промышленных объемов электричества на текущий момент не существует. Гидроаккумулирующие электростанции мало где можно построить, тут все сильно зависит от рельефа. А литиевые батарейки от Илона Маска таким решением нельзя считать. 

Однако, практически не упоминается тот факт, что и генерацию атомной энергии тоже сложно синхронизировать с пилой потребления. Мы любим говорить, что АЭС дает хорошую ровную мощность для базовой генерации. Но ведь по факту, для синхронизации потребления с генерацией от АЭС, также требуется раскручивать газовые и угольные турбины, тем самым убивая их КПД и экономическую привлекательность. 

Фактически, уже сейчас в России, сложно найти место, куда можно воткнуть АЭС на два энергоблока для базовой нагрузки. 

Еще менее рассматривается тот факт, что вся энергосистема делается с расчетом на запас от пикового потребления. А среднее потребление в разы меньше. Плюс всегда есть резерв. В результате, имеем мощности, которые в разы перекрывают среднее потребление. То есть все электростанции, что угольные, что газовые строятся с кратным перекрыванием по мощности, от среднего потребления. Что, несомненно, является дополнительным фактором снижения рентабельности и фондоотдачи всей энергосистемы. 

Ну и при всем при этом, что газовые, что угольные турбины (не говоря уже про атомные энергоблоки) крайне статичны, и им сложно поменять мощность (в 2 раза мощность меняется за 4-6 часов). А скачки потребления в сети случаются регулярно и довольно резко (в 2 раза за полчаса – обычное дело). И как правило их компенсируют на ГЭС (способна удвоить мощность за 6-10 мин), для чего энергетикам приходится держать раскрученные турбины. 

Это типичные проблемы обычной энергетики, никакой не альтернативной. Понятно, что если иметь универсальные накопители энергии, то можно было бы перейти на атомные энергоблоки, а для компенсации пилы энергопотребления уже использовать накопители. В периоды пикового потребления накопители отдают энергию, в периоды минимального потребления накапливают. Собственно, тем самым сократили бы воздействие на среду, плюс не стояла бы так сильно актуально проблема с исчерпанием энергии.

Из существующих вариантов накопления энергии все имеют изъяны: гидро - с местоположением, батарейки маска - проблемы с литием, высокой стоимостью и ограниченным количеством циклов рекуперации, маховики - никому не удалось создать дешёвый, но безопасный.

Наличие аккумуляторов энергии, которые могли бы запасать энергию в объеме 0,5…10 ГВт·ч кардинальным образом изменило бы мировую энергетику. Собственно, ровно такой проект и разрабатывается в Новосибирском Технопарке (филиале Сколково) компанией Энергозапас. . 

«Энергозапас» — единственная в России компания, которая разрабатывает твердотельные аккумулирующие электростанции (ТАЭС) для промышленного накопления электроэнергии. Это гравитационный накопитель энергии, принцип работы которого основан на потреблении электроэнергии для поднятия грузов на высоту нескольких сотен метров и ее выработке при опускании грузов под действием силы тяжести. В отличии от гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), ТАЭС не требуется источника воды и перепада высот.

Компания «Энергозапас» построила прототип станции и проектирует опытно-промышленную ТАЭС, которую планирует запустить в эксплуатацию в 2026 году. Технология позволяет создавать промышленные накопители емкостью от 300 МВт·ч.

Принцип работы ТАЭС аналогичен принципу работы гидроаккумулирующих электростанций:

• потребляет электроэнергию при поднятии грузов на высоту до трёхсот метров,
• вырабатывает электроэнергию при опускании грузов под действием силы тяжести.

Lifted Weight Storage operational principle

Удельные капитальные затраты (CAPEX) с ростом ёмкости падают быстрее, а с ростом мощности медленнее, и становятся экономически оправданными, начиная со значений ёмкости 300 МВт·ч. Срок службы накопителя планируется 50 лет

• Технические преимущества ТАЭС перед ГАЭС

• Можно построить на любой равнинной местности

• Экологически безопасная эксплуатация

• КПД цикла не менее 80%

• Автоматизированное возведение

• Конструкция устойчива к сейсмическим и ветровым нагрузкам

• Отсутствует техногенная угроза за пределами ТАЭС

•  

•  

Пока в России только одна гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), а мест, где можно их построить, как и ГЭС — ограниченное количество. Но есть, например, атомная энергетика. Атомная электростанция вырабатывает всегда одну и ту же мощность. Если она попробует вырабатывать как-то по-другому, она рискует стать Чернобылем. Солнца и ветра в России никогда не будет много, но локально они есть: Крым, Горный Алтай и так далее. А там вы вырабатываете как повезёт, сейчас дует, потом не дует.

А потребляете вы так, как потребляете — днем больше, ночью меньше. Эта проблема одна из самых важных для электроэнергетики.

По сути, компания Энергозапас предлагает «дом» с подъемниками. Они придумали, как дешево построить небоскреб 300 метров высотой с диаметром 0,5 км. В этом «доме» тысячи мегаваттных электромашин работают на подъем с грузами, как двигатели, а на спуск — как генераторы.

Если дать энергосистеме подобные промышленные накопители элетроэнергии, то на ближайшие десятилетия в России не потребуется строить новых электростанций. Для удовлетворения промышленности и граждан будет достаточно существующих мощностей, так как они многократно перекрывают потребности.

Более того, несмотря на дороговизну постройки такого накопителя, срок эксплуатации у него может превышать сотню лет. У железобетона именно такие сроки полезного использования. 

Ну и конечно ключевое: атомные станции плюс подобные накопители полностью закрывают все проблемы с выбросами СО2, про которые все сейчас любят говорить. Атомная энергетика в условиях замкнутого ядерного цикла с подобными накопителями энергии способна закрыть мировые потребности в энергетике на ближайшие столетия минимум (а по факту больше). 

Тут, правда, стоить уточнить, что технологии ЗЯТЦ плохо масштабируются. Ограничения с распространением из-за колоссальных требований к безопасности. Да и руки должны быть не из …опы у тех, кто обеспечивает работу таких станций. А вот с этим в подавляющем большинстве стран проблема. 

Конечно, небольшая инновационная компания из Академгородка не стала бы в одиночку замахиваться на такую задачу. На первом этапе помощь была оказана со стороны структур РОСНАНО, позже был получен грант от НТИ на проведение основных НИОКРов. А на стадии создания первых прототипов целого семейства строительных роботов к финансированию коллектива подключилась компания РУСГИДРО.

Первым инвестором выступила дочерняя структура Роснано ФИОП, Фонд инфраструктурных и образовательных программ. Они помогли построить 20-ти метровый прототип в Новосибирске. Второй инвестор, это структура под названием НТИ — Национальная технологическая инициатива, реализатор затей Агентства стратегических инициатив (АСИ). Первичной целью АСИ было определить те отрасли, в которое государство должно вкладывать деньги, чтобы Россия имела шанс стать лидером в них через сколько-то лет.

К плюсам данной технологии еще можно отнести тот факт, что почти все технологии являются уже давно отработанными. В частности, для подъема и опускания грузов двигатели давно и успешно разрабатываются. 

Для грузов будет использоваться прессованный грунт, с которой проблем не наблюдается. Металлические конструкции также давно и успешно производят наши металлурги. 

Ну и четвертый ключевой компонент - цемент. 

То есть, как несложно понять, все технологии давно отработаны, не являются экзотикой вроде батареек Илона Маска. И исходных ресурсов имеется в избытке. 

И вот именно тот факт, что КПД выше 80%, а почти все технологии являются отработанными, мне лично проект из Новосибирска представляется реальной перспективой мировой энергетики. 

Что подкупает, так это то, что решение по сути является очень простым и понятным даже школьнику. 

С точки зрения фундаментальной физики проект ТАЭС «откровенно примитивен», вообще делать нечего… Но в плане строительной и машиностроительной инженерии это один из самых амбиционных проектов России.

Update: Видео робота строителя