В задней части склада размером около десятка инженеров в каске строят гигантскую синюю машину. Шесть цилиндров, каждый выше человека, и множество труб, труб и клапанов простираются вверх от морского дизельного двигателя, окруженного трехэтажным лесом.
Задуманная стартапом SustainX в Сибруке, штат Нью-Гемпшир, машина предназначена для накопления энергии путем сжатия воздуха. Электродвигатель вращает коленчатый вал двигателя для привода поршней в цилиндрах выше. Поршни сжимают смесь воздуха и пенистой воды и закачивают сжатый воздух в большие стальные резервуары, где его можно удерживать, как спиральную пружину. Когда электроснабжение будет нуждаться в энергии, резервуары будут закрыты, что позволит воздуху выбегать, приводить двигатель в действие и вырабатывать электроэнергию для потребителей коммунального предприятия.
Ставки высоки. Если такая компания, как SustainX, сможет поставить систему, которая может экономно хранить энергию даже в течение нескольких часов за один раз, она превратит энергию ветра и солнца в надежных поставщиков энергии, больше похожих на заводы по производству ископаемого топлива. Колебания мощности ветра и солнечной энергии могут быть сглажены, а избыточная мощность от ночных ветров, например, может быть передана позже, когда спрос будет выше.
Машина SustainX и другие подобные ей устройства находятся на переднем крае гонки технологий в области накопления энергии. Работа компании, поддерживаемая более чем 30 миллионами долларов США из частных и государственных фондов, представляет собой пари, что умные инженеры, использующие дешевые и легкодоступные материалы, такие как воздух и вода, победят легионы ученых, преследующих прорыв в области батарей.
Машина SustainX, изображенная здесь в мае 2013 года, использует технологию изотермического сжатого воздуха для накопления энергии. (Фото: SustainX) Аккумулирование энергии привлекает так много внимания, потому что прорыв в стоимости и производительности может сделать электросеть более чистой и надежной. Каждый день коммунальные предприятия работают на постоянной основе: для обеспечения надежного обслуживания количество электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, должно соответствовать потребляемой энергии в домах и на предприятиях. Например, если в жаркий летний день наблюдается всплеск спроса на кондиционеры, электростанции должны подвести больше электричества и отключить его, когда спрос ночью снижается.
Накопитель энергии действует как резерв или счет в банке энергии. В периоды пикового спроса, хранилище может поставлять электроэнергию на место «первоклассных» заводов по производству ископаемого топлива. Технология может усилить переменную мощность ветряных и солнечных ферм или увеличить мощность подстанций с максимальной нагрузкой, которые обеспечивают электроэнергией местные районы. При размещении внутри или рядом со зданиями накопитель энергии может обеспечить резервное копирование при отключении электроэнергии. Однако для многих из этих приложений требуется устройство, которое может обеспечивать питание в течение нескольких часов или, возможно, полдня. И это должно быть сделано безопасно и по низкой цене.
По словам представителей отрасли, для многочасового хранения существуют веские причины использовать механические системы хранения на электрохимических батареях. Батареи требуют более дорогих материалов, таких как литий или кобальт, которые могут быть ограничены в поставках. В отличие от механической системы, емкость аккумуляторной батареи со временем уменьшается, как это испытывает большинство пользователей ноутбуков.
Тогда есть темп инноваций. В целом, темпы развития исследований в области батарей являются медленными - измеряются годами, а не месяцами - и улучшения производительности часто носят постепенный характер. Кроме того, производство новых типов батарей в больших объемах требует больших предварительных инвестиций в фабрики. Инновационная механическая система, в отличие от этого, может быть собрана из слегка модифицированных двигателей, промышленных газовых цистерн и другого оборудования, которое уже хорошо изучено и производится в больших масштабах.
«Это своего рода проблема системной интеграции, а не необходимость изобретать и создавать конкретное устройство, чтобы все это работало», - говорит Гарет Бретт, генеральный директор лондонского Highview Power Storage, в котором используется сжиженный воздух - воздух под давлением. и охлаждают, пока не превратится в жидкость - для накопления энергии в сетке. «Наша интеллектуальная собственность заключается в том, как система спроектирована и собрана таким образом, чтобы она была эффективной и недорогой».
Когда речь идет о хранении электроэнергии для использования в электросети, гидроаккумулирующая насосная система считается золотым стандартом - относительно дешевой технологией, которая поставляет энергию в Соединенные Штаты более 80 лет. Как видно из названия, вода подается в гору в резервуар, когда потребность в электричестве низкая, и высвобождается, когда это необходимо для выработки электроэнергии через гидроэлектрическую турбину. Насосные гидростанции могут подавать большие скачки мощности в течение нескольких часов, позволяя операторам энергосистемы заполнять пробелы в электроснабжении без необходимости подключать электростанции, работающие на ископаемом топливе. Однако они в основном ограничены гористой местностью, которая обеспечивает увеличение высоты, необходимое между водохранилищами, а экологические обзоры занимают много лет.
Другой проверенный недорогой способ массового хранения - это хранение энергии сжатым воздухом, или CAES, при котором компрессоры нагнетают воздух в подземные каверны. Когда требуется энергия, сжатый воздух выпускается и нагревается путем сжигания природного газа. Этот воздух затем вдувается в турбину для выработки электроэнергии. В мире есть две геологические станции хранения энергии на сжатом воздухе, одна из которых была открыта в Германии в 1978 году, а другая - в Алабаме в 1991 году. Оба блока все еще работают и считаются успешными. Но никакие другие не были построены, потому что трудно найти места с подходящей геологической формацией и финансировать эти проекты. Третий завод может вступить в их ряды в Техасе с планами, предусматривающими проект стоимостью 200 миллионов долларов США для хранения до 317 мегаватт, что сопоставимо с производительностью электростанции среднего размера.
Инноваторы в энергетических стартапах черпали вдохновение в обеих этих технологиях, разветвляясь по разным направлениям. SustainX и Berkeley, штат Калифорния, LightSail Energy предлагают сжимать воздух для хранения, но держать его в надземных резервуарах, что означает, что они не ограничены местами с подземными пещерами. Компания New Compression, расположенная в Ньютоне, штат Массачусетс, разработала систему хранения сжатого воздуха, которая подключается непосредственно к ветряным турбинам.
Ключевое отличие от традиционных CAES в этих подходах, называемых изотермическим накоплением энергии сжатым воздухом, заключается в том, что на месте не нужно сжигать топливо. Вместо этого эти компании CAES второго поколения улавливают и повторно используют тепло, которое выделяется, когда воздух подвергается высокому давлению. LightSail Energy намеревается распылять мелкий туман воды при сжатии воздуха и хранить эту горячую воду до позднего времени. Когда сжатый воздух выпускается для выработки электричества, горячая вода, а не газовая горелка, нагревает воздух через теплообменник.
Потенциально более дешевый подход CAES - хранение сжатого воздуха в тканевых мешках под водой. При хранении воздуха в стальных резервуарах сталь должна быть достаточно толстой, чтобы в нее помещался воздух под высоким давлением. Но вместо этого под давлением воды можно было бы делать это бесплатно. Работая в солнечном стартапе, бывший ракетный инженер Скотт Фрейзер предвидел необходимость в недорогой системе хранения, которая могла бы быть размещена практически где угодно. А в 2010 году он стал соучредителем компании Bright Energy Storage Technologies, чтобы реализовать идею хранения сжатого воздуха в больших баллонах, закрепленных на дне океана или на дне пресноводных резервуаров.
«Если у меня есть резервуар над землей, вам придется платить больше за более высокое давление. Чем больше воздуха я закачиваю, тем больше стали мне нужно - это довольно линейно», - говорит Фрейзер. Первый опытный образец компании, построенный для ВМС США на Гавайях, будет использовать модифицированный грузовой двигатель для повышения давления воздуха в резервуарах над землей. Если механика этой машины окажется практичной, компания и ВМФ планируют создать второй прототип, который будет хранить воздух под водой.
Даже более простые конструкции для хранения сыпучих материалов будут использовать гравитацию так же, как это делают насосные гидростанции. Компания Advanced Rail Energy Storage, базирующаяся в Санта-Барбаре, штат Калифорния, стремится создавать проекты, в которых энергия от солнечных или ветряных электростанций могла бы подтолкнуть поезд железнодорожных вагонов в гору, когда в сети низкий спрос на энергию. Когда энергия нужна больше всего, вагоны будут двигаться вниз и генерировать энергию. Электрические тяговые двигатели, которые толкают машины в гору, работают в обратном направлении при движении вниз и работают как генераторы, так же, как гибридный автомобиль заряжает аккумулятор во время торможения. В рамках аналогичной концепции компания EnergyCache, основанная инженером-механиком MIT и финансируемая Биллом Гейтсом, создала демонстрационную систему хранения, где гравий транспортируется вверх и вниз по склону с использованием модифицированного оборудования для подъемников.
В области гидроаккумулирования с давней историей есть и новые идеи, в том числе хранение воды в водоносных горизонтах или размещение растений в океане, как это уже сделала одна компания в Японии. Эти подходы используют ту же базовую конфигурацию - искусственный резервуар в высоком месте рядом с нижним резервуаром - но потенциально могут быть построены в большем количестве мест. Наиболее амбициозными являются предложения построить «энергетический остров» в Северном море у голландского или бельгийского побережья. Идея состоит в том, чтобы построить искусственный остров с водохранилищем и использовать избыточную энергию, вырабатываемую ветряными турбинами в периоды низкой нагрузки, для перекачки воды для хранения.
Все эти инновации начинаются с дешевых материалов, но в итоге сталкиваются с одной и той же инженерной задачей: эффективностью. Если много энергии теряется, преобразуя электричество в сжатый воздух или запасенную воду и обратно, затраты возрастают. В этой области аккумуляторы конкурируют очень хорошо: некоторые типы более чем на 90 процентов эффективны в зарядке и разрядке.
Таким образом, задача механического хранения заключается в том, чтобы максимально повысить эффективность. При хранении воздуха это часто означает более эффективное использование тепла. В то время как изотермические разработчики CAES, такие как LightSail, улавливают тепло, генерируемое при сжатии воздуха, другие новаторы собирают тепло из внешних источников, которые в противном случае могли бы быть потрачены впустую. В своем демонстрационном проекте под Лондоном Highview Power Storage отводит тепло от соседней электростанции при преобразовании накопленного жидкого воздуха в газ под высоким давлением, который превращает турбину в электричество. Используя различные методы, даже храня холодный воздух в гравии, чтобы облегчить процесс охлаждения, Highview Power Storage может повысить эффективность преобразования энергии до 70 процентов, говорит он.
Пилотная установка Highview по хранению жидкого воздуха на 300 киловатт (LAES) в Слау, Великобритания. (Фото: Highview Power Storage) По эффективности Ричард Броди, бывший вице-президент по развитию бизнеса в SustainX, говорит, что механическая система не может сравниться с лучшими батареями по эффективности. Более важным, особенно для многочасовых приложений хранения, является относительно низкая первоначальная стоимость и тот факт, что механические системы могут работать десятилетиями без потери емкости хранилища. По словам защитников механического хранения, хорошо настроенная машина с основными ингредиентами - сталью, воздухом, водой и гравием - не ухудшит способ, которым химические соединения в электродах батареи со временем делают. «Мы не видели ни одной электрохимической [аккумуляторной] технологии, которая могла бы делать то, что мы можем делать, в том масштабе и времени жизни системы, о которых мы говорим», - говорит Броди. «Мы думаем, что нецелесообразно делать что-то в мегаваттном масштабе с любой из этих батарейных систем».
Учитывая возможность широкого накопления энергии в сети, подходы с использованием недорогих материалов продолжают привлекать серьезное внимание. Помимо ряда стартапов, многие исследователи работают на сжатом или сжиженном воздухе. Например, Университет Бирмингема в Соединенном Королевстве создал исследовательский центр для хранения криогенной энергии, а консорциум во главе с немецкой компанией RWE выделил 40 миллионов евро (53 миллиона долларов США) в течение трех с половиной лет на разработку высокоэффективного CAES. система, которая будет накапливать тепло от процесса сжатия в больших термосовидных сосудах, заполненных керамическим материалом.
Эта отрасль технологий хранения может также помочь в транспортировке. Инжиниринговая компания Ricardo имеет два проекта, чтобы изучить, как сжиженный воздух может повысить эффективность двигателей внутреннего сгорания. Peugeot Citroen, наряду с другими автопроизводителями, разрабатывает метод использования резервуара для хранения сжатого воздуха для эффективной работы аккумулятора в гибридном легковом автомобиле. Д-р Эндрю Аткинс, главный инженер по технологиям в Ricardo, говорит, что большая часть привлекательности заключается в доступности запчастей и инфраструктуры. «У вас нет проблем с цепочкой поставок», - говорит он. «В конце концов, воздух - это все о нас».
