Коли йдеться про гравітаційні батареї, золотим стандартом є гідроакумулятор, але його вартість та обмеження, пов'язані з топографією, стимулюють інновації, починаючи від гальмування вантажних поїздів і закінчуючи надщільними рідинами. Але яка з нових технологій виявиться життєздатною?
Потенційна енергія яблука, що впала на голову Ісаака Ньютона у 17 столітті, допомогла йому створити теорію гравітації. Однак лише на початку 20-го століття у Швейцарії було розроблено першу велику гравітаційну батарею - гідроакумулюючу систему.
Гравітаційна батарея накопичує потенційну енергію матеріалу або рідини, використовуючи висоту та вагу. У гідроакумулюючих системах вода подається у вищий резервуар, коли є надлишки енергії, а потім, коли необхідно, скидається вниз через турбіну.
Гідронасосна гідроенергетика є найпоширенішою технологією зберігання енергії у масштабах комунального господарства та становить 96% глобальної ємності зберігання та 99% обсягу накопиченої енергії.
Перспективи та вимоги
У той час як літій-іонні батареї та інші електрохімічні системи завоювали ринок короткочасного зберігання енергії, через дорогу сировину вони не можуть забезпечити довготривале зберігання енергії (LDES), необхідне для енергетичного переходу. Тільки LDES може повністю покрити уривчасті цикли сонячної та вітряної енергії, заповнюючи прогалини для цілодобової подачі відновлюваної енергії. За прогнозами аналітичної компанії McKinsey & Company, до 2040 року потужність технології LDES може становити від 1,5 до 2,5 ТВт.
Однак насосна гідроенергетика потребує значних капіталовкладень та інфраструктури та обмежена топографією, що підходить для водосховищ на різних висотах. Проекти також значно впливають на навколишнє середовище. Ці обмеження стимулюють інновації у створенні гравітаційних батарей.
Основною вимогою до гравітаційних батарей є вага, а це може коштувати недорого. Гравітаційні сховища відіграють величезну роль, якщо хтось зможе знайти спосіб скопіювати концепцію насосної гідроенергетики більш розподіленим способом.
Енергетичне сховище.
Швейцарське сховище енергії Energy Vault, можливо, знаходиться далі за всіх на цьому шляху. У березні 2022 року, спільно з американською компанією Atlas Renewable Energy та часткою південнокорейської металургійної компанії Korea Zinc у розмірі 50 мільйонів доларів, Energy Vault розпочала реалізацію проекту потужністю 25 МВт/100 МВт біля Шанхаю.
Початкова система "EVx" призначалася для підйому 30-тонних блоків за допомогою шестистрілкового крана. Головний комерційний директор Energy Vault Марко Терруццин каже, що система стала більше схожа на багатоповерховий паркінг з 35-тонними блоками замість автомобілів, кожен з яких постійно переміщується для накопичення та вивільнення енергії.
Energy Vault та мексиканська цементна компанія Cemex розробили блоки, які можуть використовувати місцеві матеріали, включаючи ґрунт, перероблений вугільний зол, відходи шахт або лопаті вітряних турбін.
Роберт Піконі, співзасновник та генеральний директор Energy Vault, повідомляє про "дуже позитивну" реакцію в Китаї і каже, що Atlas планує встановити там до 6 ГВт-год гравітаційних накопичувачів Energy Vault. Швейцарська компанія будує систему потужністю 18 МВт/36 МВтч у Техасі спільно з італійською енергетичною компанією Enel Green Power, запуск якої очікується влітку.
"Я думаю, що гравітаційні [батареї] будуть відігравати більш важливу роль на ринку тривалого зберігання енергії", - говорить Піконі, хоча "на ринку не так багато компаній, які виробляють гравітаційні накопичувачі енергії у великих масштабах. Є чотири або п'ять інших гравітаційних компаній, але жодна з них не просунулась далі за початкове або державне грантове фінансування. Тому чекає ще багато роботи".
Глибинні батареї.
Шотландська компанія Gravitricity планує використовувати колишні шахтні стволи для зберігання енергії на основі блоків системи GraviStore та пропонує використовувати "MagnaDense", високощільний заповнювач, який є перевіреним промисловим баластом.
Висота та вага – єдині змінні в гравітаційній батареї, каже комерційний директор Гревітриті Робін Лейн. "Якщо ви хочете генерувати, зберігати і віддавати цікаві обсяги електроенергії, потрібно мати справу з вантажами вагою сотні тонн, і скидати ці вантажі з відстані мінімум 500 метрів".
Єдиним економічно ефективним рішенням, стверджує Лейн, є використання печер чи занедбаних стволів. "Це економічно ефективно, тому що використовується існуюча інфраструктура", - каже він. "У світі сотні, якщо не тисячі, виведених з експлуатації шахт у Південній Африці, Австралії, Чилі та Європі. Це справді хороша ідея - використання старої [вугільної] енергетичної системи створення для нової".
Терруззін із Energy Vault каже, що такі системи обмежені розмірами шахти.
Gravitricity продемонструвала в Единбурзі експериментальну установку потужністю 250 кВт, оснащену двома 25-тонними вантажами і готова побудувати повномасштабний проект на шахті Старжич у Чехії. Для реалізації проекту потрібне фінансування, і хоча Лейн впевнений у отриманні грантів, Gravitricity диверсифікує свою діяльність, створивши демонстраційний проект підземного зберігання водню у Великобританії спільно з інженером-конструктором VSL Systems UK.
Energy Vault також диверсифікує свою діяльність.
"Підземні простори ідеально підходять для потенційного зберігання енергії в масштабах мережі", - каже Лейн. "Ми вважаємо, що ці можливості виходять за межі гравітації". Система H2 FlexiStore шотландського підприємства включає розробку облицьованих сталлю кам'яних шахт, поряд з об'єктами відновлюваних джерел енергії та промислових споживачів водню для зберігання до 1 000 тонн стиснутого газоподібного водню в одній шахті. У шахтах також можливе гравітаційне зберігання.
Енергія поршня.
Компанія Gravity Power, що базується в США, пропонує гравітаційну батарею із заповненим водою валом із замкнутим контуром, в якому поршень з армованої породи піднімається під дією води, що нагнітається, а потім опускається, направляючи воду вгору по напірному трубопроводу і через турбіну.
Для гравітаційної електростанції не потрібно ні резервуарів з різною висотою підйому, ні кабелів та лебідок. Вирівняна вартість зберігання енергії для системи 200 МВт/1,6 ГВт/год, яка генерує енергію протягом восьми годин, становить менше чверті від показника 2020 для літій-іонних батарей.
Компанія Gravity Power збирає 10 мільйонів доларів на демонстрацію 1 МВт у ракетній шахті за допомогою стимулів, передбачених Законом про скорочення інфляції. "Він продемонструє загальну концепцію та надасть цінні дані, отримані в ході експлуатаційних випробувань", - каже Мейсон.
Минулого місяця південноафриканські вчені запропонували гравітаційну батарею, яка поєднує інновації Gravity Power та Gravitricity. Дослідники Стелленбоського університету пропонують використовувати на занедбаних шахтах систему лінійних електричних машин, де машини вертикально переміщують тверді маси або поршні. Дослідник зі Стелленбоша Морріс Мугієма каже, що "енергетична потужність усієї системи збільшується за рахунок додавання валів поруч один з одним, що робить її гнучкою та простою для збільшення потужності".
Щільна рідина
Британська компанія RheEnergise, розробивши систему High-Density Hydro, дотримується принципів насосної гідроенергетики, але при цьому використовує рідину в 2,5 рази щільнішу, ніж вода.
Головний інноваційний директор та професор відновлюваних джерел енергії в Ексетерському університеті Річард Кокрейн каже, що компанія пропонує "систему замкнутого циклу" з використанням "екологічно безпечної рідини".
Рідина може бути отримана зі звичайних джерел, але її склад поки що тримається в секреті. "Просто неймовірно, скільки відкривається нових можливостей при використанні рідини вищої щільності. Наприклад, оскільки рідина в 2,5 рази щільніша, то можна використовувати пагорб, який у 2,5 раза менший", - каже він.
Для системи RheEnergise також потрібні труби та турбіни меншого розміру, а її розміри дозволяють легко інтегрувати її в гірничодобувну промисловість будь-якого міста.
Демонстрація в Канаді пройшла успішно, і тепер триває пошук відповідного майданчика у Великій Британії. Перші проекти будуть об'єднані із сонячними або вітряними електростанціями на вершинах пагорбів. Рідина, що використовується, теоретично може бути більш щільною, але не занадто в'язкою для турбін.
Гравітаційне гальмування.
Гравітаційна батарея "Infinity Train" австралійської компанії Fortescue Future Energy і британської компанії Williams Advanced Engineering, включає 2,5-кілометровий поїзд залізної руди, що використовує гравітаційне гальмування для зарядки батарей ємністю 70 МВт-год. порти. Потім акумулятори отримують достатній заряд руху поїзда назад.
Американська компанія Advanced Rail Energy Storage вивчає аналогічну, компактнішу концепцію для підйому важких блоків у гору.
У міру прискорення енергетичного переходу зростають вимоги до інноваційних пропозицій у галузі гравітаційних накопичувачів. Однак, на сьогоднішній день ще немає явного конкурента насосній гідроенергетиці.