Лифты для накопления энергии
Накопление энергии — одна из основных проблем мировой энергетики. Из-за того, что потребление электроэнергии происходит неравномерно в течение суток, электростанции зачастую работают в неоптимальном режиме. Промышленные энергонакопители помогают сделать энергосистему гибкой, сглаживая пики потребления. Поэтому рынок накопителей непрерывно растет. По оценкам «Роснано», к 2025 году его общий объем составит 100 млрд рублей. Генеральный директор компании «Энергозапас» Андрей Брызгалов рассказал, какую систему для накопления энергии придумала их команда, с какими трудностями столкнулась при разработке, а также когда стоит ожидать реализации проекта в промышленных масштабах. Кто придумал ТАЭС Компания «Энергозапас» основана в 2016 году. На сегодня это единственная компания в России, которая занимается разработкой твердотельных аккумулирующих электростанций (ТАЭС). Идея накопления энергии с помощью твердых грузов возникла в 2012 году. Председатель наблюдательного совета НП «Совет рынка» Юрий Удальцов на встрече с Андреем Брызгаловым, который в то время был главой компании по изготовлению электронных приборов «Унискан», предложил сохранять энергию, поднимая и спуская тяжелые грузы. Автоматизированная технология позволяет накапливать энергию за счет вертикального подъема и спуска тяжелых твердых грузов. В компании работают около 80 специалистов и 40 субподрядчиков. С 2016 года «Энергозапас» является резидентом технопарка «Сколково». Проблема: как накопить избыток энергии? Во всем мире существует острая необходимость в накопителях энергии, так как они решают важнейшие для энергетики задачи. Во-первых, они способны выравнивать нагрузку на агрегаты электростанций, снижая аварийность. Во-вторых, сокращаются затраты на обслуживание сетей. В промышленном производстве неизбежно возникают пики мощности, при которых питающие подстанции испытывают перегрузки. Если устанавливать накопители на подстанции или у потребителя, пики потребления будут сглажены, а нагрузка на электросети уменьшится. В-третьих, энергонакопители могут использоваться в независимых энергосетях. Абсолютное большинство накопителей энергии в мире составляют гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). По данным Министерства энергетики США, на них приходится более 98% всех мировых мощностей. ГАЭС — это два водоема, которые расположены на разных уровнях и соединены между собой системой насосов и генераторов. Во время низкого спроса на электроэнергию вода перекачивается из нижнего водоема в верхний, потребляя дешевую энергию электросети. Во время пика потребления вода сбрасывается из верхнего водоема в нижний, вырабатывая дорогую электроэнергию и возвращая ее в сеть. Это генераторный режим. Крупнейшая ГАЭС России — Загорская — построена на реке Кунье в Сергиево-Посадском районе Московской области. Ее мощность составляет 1,2 ГВт, а емкость — 7,2 Гвт/ч. Однако ряд нюансов не позволяет использовать ГАЭС в любом месте, где необходимо. Во-первых, для строительства нужна большая территория и обязательный перепад высот. В преимущественно равнинной России это существенный недостаток. Во-вторых, обязательным условием является наличие природного источника с большим объемом воды. А при аварии на ГАЭС возникает опасность техногенной катастрофы. Учитывая эти факторы, команда компании «Энергозапас» предложила свое решение — использовать вместо энергии воды потенциальную энергию твердого тела. Решение: земля против воды После встречи Андрея Брызгалова и Юрия Удальцова команда специалистов 5 лет разрабатывала концепцию накопления энергии при помощи грузов, в 2017 году предложив первый прототип твердотельной аккумулирующей электростанции. Работа ТАЭС строится на тех же принципах, что работа ГАЭС, но вода заменяется спрессованным грунтом. При поднятии грузов на высоту используется электроэнергия из сети. Когда возникает потребность в высвобождении энергии, грузы опускаются под действием силы тяжести. Удельные капитальные затраты становятся оправданными при емкости накопителей от 300 МВт/ч. КПД прототипа составляет 60%, при увеличении мощностей он составит 80%. Твердотельные АЭС могут строиться на любой местности, вне зависимости от перепадов высот. При этом площадь занимаемой территории будет в несколько раз меньше. По словам Андрея Брызгалова, чтобы получить такие же характеристики, что у Загорской ГАЭС, необходимо построить ТАЭС, которая займет территорию в 40 раз меньше. Важно и то, что эксплуатация ТАЭС экологически безопасна, а в случае возможной аварии отсутствует опасность техногенной катастрофы. Стоит отметить, что энергонакопители, построенные на принципах потенциальной энергии тела, встречаются и в других странах мира. Например, у немецкой компании Heindl Energy есть проект, в котором цельный поршень из гранита диаметром 250 м поднимается вверх водным столбом в цилиндре. А в проекте американской компании ARES тяжелые грузы буксируются вверх железнодорожными составами, затем спускаются вместе с ними вниз, вырабатывая ток. Но в каждом из этих примеров также нужны уникальные характеристики ландшафта или огромный объем воды. Поэтому компания «Энергозапас» задумалась над совершенно новым подходом, который реализовала в 2018 году в Академгородке Новосибирска. Лифты, которые перевозят энергию Решение, предложенное «Энергозапасом», представляет собой систему вертикальных лифтов. В 2018 году был построен прототип ТАЭС высотой в 20 метров и мощностью 10 КВт. В здании вдоль стен располагаются 8 шахт, которые представляют собой вертикальные колонны, связанные горизонтальными и наклонными распорками. В шахтах лифты поднимают грузы на высоту, потребляя излишки электроэнергии из сети. Грузы закрепляются вверху, а лифт спускается за новой партией. Спуск грузов происходит под действием силы тяжести. Это приводит в движение мотор-генератор, с помощью которого вырабатывается электроэнергия. В лифтах ТАЭС отсутствуют противовесы. В качестве грузов используют крепкие полимерные мешки, наполненные спрессованным грунтом. Груз армируется геосеткой, чтобы снизить боковое давление и уменьшить требования к материалу оболочки. Чтобы нивелировать воздействие ветра на сооружение, его окружили своеобразной «юбкой» шириной в четверть радиуса ТАЭС. Она преобразует горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку. Также разработчики продумали, как преодолеть сейсмические колебания. В этом помогает сама конструкция. В каждый момент времени перемещается определенное количество грузов, а остальные выполняют роль отвеса и подавляют колебания. Следующим шагом к полноценной промышленной ТАЭС стало строительство на территории технопарка «Сколково» опытно-промышленной станции высотой 80 метров и мощностью 2,4 МВт. Для чего нужен опытно-промышленный образец Запуск опытно-промышленной ТАЭС запланирован на 2021 год. Объем финансирования проекта составил от 1 до 2 млрд рублей. Инвестором выступила Национальная технологическая инициатива, реализующая проекты Агентства стратегических инициатив России. Здание имеет цилиндрическую форму диаметром 30 метров. Оболочка окружена так называемой Шуховской сеткой для устойчивости к ветровым нагрузкам. Внутри цилиндра располагаются рекуперативные подъемники и грузы, а также несущий каркас накопителя. По словам Андрея Брызгалова, сооружение в «Сколково» будет шоурумом, в котором можно тестировать электрофизическую установку, а также демонстрировать результаты потенциальным инвесторам. Он отмечает, что строительство сразу 300-метровой башни было нерациональным, так как энергетики, заинтересованные в финансировании, должны увидеть работающую конструкцию и положительный опыт ее возведения и эксплуатации. В опытной установке будут использованы те же механические и электронные компоненты, а также строительные технологии, которые затем воспроизведут в промышленной ТАЭС. Кроме того, инженеры «Энергозапаса» представили VR-модель опытной ТАЭС, которая уже сейчас позволяет увидеть объект внутри и снаружи с большой степенью детализации. Если все технические характеристики будут одобрены, компания «Энергозапас» планирует запустить первую промышленную ТАЭС в 2025 году. При высоте в 300 метров и застройке площади около 1 км² емкость накопителя составит 10 ГВт/ч, а мощность ТАЭС — 1 ГВт. Отмечается, что мощность и емкость могут быть изменены по требованию заказчика. Где могут понадобиться ТАЭС Накопление энергии с помощью ТАЭС может быть использовано в энергосистемах любого типа. В возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) накопитель понадобится, чтобы предоставлять электричество во время неподходящих для ВИЭ погодных условий. При использовании ТЭС устаревшие агрегаты можно заменить не новыми аналогами, а накопителями. Оставшиеся агрегаты смогут работать в режиме, который обеспечит наименьший износ и максимальный КПД. Атомные электростанции должны работать на постоянной мощности во избежание катастроф. Накопители помогут аккумулировать избыточную энергию АЭС. Как отмечает Брызгалов, проект «Энергозапаса» ориентирован и на иностранные рынки. В ТЭС могут быть заинтересованы такие страны, как Индия, Китай, Вьетнам и Япония. Кроме того, накопители интересны для Беларуси, где построена Островецкая АЭС, и в Северо-Западном округе России, где зафиксирован переизбыток энергии. В настоящее время команда «Энергозапаса» работает в сотрудничестве с российскими энергетиками, а их проект входит в программу Национальной технологической инициативы. Автор: Кристина Фирсова Подписывайтесь на канал «Инвест-Форсайта» в «Яндекс.Дзене»
