Как превратить угольные шахты в гигантские зеленые батареи

В будущей низкоуглеродной электрической сети, в которой будут преобладать прерывистые ветровые и солнечные лучи, нам понадобятся технологии для хранения энергии, когда ее много, и подачи ее обратно в сеть, когда ее нет. Литий-ионные батареи и гидроэлектростанции сегодня выполняют основную работу по хранению энергии и, как ожидается, будут доминировать в будущем наряду с водородными топливными элементами. Международная группа ученых недавно предложила еще одно инновационное и изобретательное решение, предполагающее перепрофилирование старых шахт: подземное гравитационное хранилище энергии (УГЭС). Идею они изложили в журнале Energys.

УГЭС предполагает спуск большого количества песка, хранящегося в контейнерах, прикрепленных к центральному тросу, в глубокую подземную шахту. По мере того как песок постепенно опускается, прикрепленный кабель вращает роторы, которые приводят в действие различные генераторы, производя таким образом электричество. Этот процесс можно обратить вспять, чтобы сохранить энергию, когда в сети имеется избыток возобновляемой электроэнергии. Песок поднимают обратно наверх аппарата и складывают холмиками над землей.

Что отличает УГЭС от других решений по хранению гравитационной энергии, предлагаемых различными стартапами, так это местоположение. Исследователи предлагают устанавливать УГЭС в заброшенных шахтах, которых немало.

«По оценкам, по крайней мере 50 000 из них существуют в Австралии; более 550 000 были обнаружены в США, в том числе более 100 000, которые представляют значительный экологический риск; и более 10 000, как известно, существуют в Канаде», - пишут авторы.

По их оценкам, глобальный потенциал хранения энергии UGES составляет от 7 до 70 тераватт-часов (1 тераватт = 1000 гигаватт). Для сравнения: это эквивалентно энергии, запасенной в 87,5–875 миллионах аккумуляторов электромобилей. В конце 2021 года во всем мире было подключено всего 56 гигаватт-часов накопителей энергии.

Мощность УГЭС, то есть та мощность, которую оно может мгновенно подать в сеть, в первую очередь зависит от длины подземного ствола шахты и количества используемого песка. Проект в старой шахте глубиной всего 200 метров с использованием 4 миллионов тонн песка может обеспечить в сеть всего 10 мегаватт, чего достаточно для электроснабжения от 5000 до 8000 домов, тогда как проект в шахте глубиной 1000 метров с использованием 40 миллионов тонн песка может генерировать до 200 мегаватт.

Более глубокая шахта не только будет производить и хранить больше энергии, но и будет более экономически эффективной. Стоимость хранения энергии для УГЭС варьируется от 1 до 10 долларов за киловатт-час, по подсчетам авторов, что совершенно дешево по сравнению с литий-ионными батареями, которые в настоящее время стоят около 150 долларов за киловатт-час. Однако цены на аккумуляторы продолжают падать по мере улучшения химического состава.

Самым большим недостатком УГЭС является значительное использование песка – казалось бы, повсеместного сырья, которое на самом деле может оказаться в дефиците в конце этого столетия – и его скромная мощность – то количество электроэнергии, которое оно может поставлять в сеть в любой момент времени. Заводу УГЭС также могут потребоваться дни, недели или даже месяцы, в зависимости от количества используемого песка и глубины, для полной «перезарядки», то есть перемещения песка со дна шахты наверх.

С другой стороны, его способность дешево хранить энергию в течение недель, месяцев или даже лет – или, возможно, на неопределенный срок – является огромным плюсом. Песок не испаряется, как вода из перекачиваемого гидроэнергетического резервуара, и не рассеивается, как энергия, которая медленно разряжается из аккумуляторов. Еще одно фантастическое преимущество? УГЭС может оживить угольные сообщества, поскольку шахты по всему миру продолжают закрываться.

«Мир трансформирует свою энергетическую систему, вдвое сокращая добычу угля для энергетических целей», - пишут исследователи. «ЮГЭС может предоставить альтернативный источник дохода людям, работающим на шахтах, и населению».

Поскольку планировщики и политики стремятся создать энергосистему с нулевым выбросом углерода, им потребуется разнообразное сочетание решений по производству и хранению электроэнергии, чтобы максимизировать стабильность и минимизировать риск отключений электроэнергии. УГЭС вполне может внести свой вклад в такое будущее.