Енергосистему майбутнього живитимуть… гігантські підземні волинки?

Уявіть, що весь світ за одну ніч перейшов на 100-відсоткове виробництво енергії з відновлюваних джерел.

Очевидно, що цього ніколи не станеться, але для ілюстрації уявімо, що замість того, щоб здійснювати перехід на 100-відсоткову відновлювану енергетику протягом наступних кількох десятиліть, ми якось зробили це в одну мить. Раптом кожна вугільна станція, газова станція, атомна станція на планеті перетворилася на станцію сонячної, вітрової або приливної енергії.

• Платіжні чіпи, що імплантуються: Майбутнє чи нездійсненна мрія кіберпанку?
• Аналоговий штучний інтелект? Звучить божевільно, але за цим може бути майбутнє
• Боротьба з футбольними травмами за допомогою 3D-друкованих гіперперсоналізованих щитків

Звучить приголомшливо, чи не так? Ну, на жаль, якби цей сценарій магічним чином здійснився, у нас були б проблеми.

Проблема, звичайно, полягає в тому, що відновлювана енергетика має переривчастий характер. Сонячні панелі генерують енергію лише тоді, коли світить сонце, а вітрові турбіни – лише тоді, коли дме вітер, а ні те, ні інше не відбувається постійно. Крім того, на відміну від вугілля або природного газу, ми не можемо просто збільшити кількість сонячного світла або швидкість вітру, коли нам потрібно більше електроенергії. Отже, якби людська цивілізація працювала на 100 відсотків відновлюваної енергії, кількість електроенергії, яку ми маємо в будь-який момент, повністю залежала б від примх матінки-природи.

Іншими словами, якщо ми хочемо, щоб наш світ працював на зеленій енергії, ми повинні знайти спосіб зберігати неймовірно великі обсяги цієї енергії – і, на жаль, методи, які ми використовуємо в даний час, не вирішать цю проблему.

Зберігання енергії: Виберіть свою отруту

Наразі світ покладається переважно на два різних способи зберігання енергії в мережі: гідроенергію, що перекачується/греблею, та акумулятори. Існують й інші методи, але акумулятори та “насосна гідроенергетика”, як її ще називають, на сьогоднішній день є найпоширенішими.

Дивно, але на батареї припадає лише мізерна частка світової накопичуваної енергетичної потужності мережі.

Дивно, але, незважаючи на те, що акумуляторам, як правило, приділяється найбільша увага, на них в даний час припадає лише крихітна частка світового потенціалу накопичуваної енергії. Переважна більшість – колосальні 95 відсотків – припадає на греблі та насосні гідроелектростанції.

З греблями все досить просто. Ми перекриваємо річки, дозволяємо воді накопичуватися за греблею, а потім випускаємо воду через турбіни, щоб виробляти електроенергію, коли нам це потрібно. Насосна гідроенергетика дуже схожа. Уявіть собі греблю з водосховищем, яке ми наповнюємо вручну. У непікові години, коли електроенергія дешева, ми викачуємо воду з низьких рівнів і зберігаємо її у водосховищі, розташованому вище. Потім, коли попит на електроенергію зростає, ми випускаємо воду і пропускаємо її під дією сили тяжіння через турбіни для виробництва електроенергії. Досить розумно, чи не так?

Однак, насосна гідроенергетика не позбавлена недоліків. Можливо, найбільшою проблемою є те, що вона вимагає дуже специфічного набору географічних критеріїв. Хороша ділянка повинна мати як висоту, так і природну воду, а це означає, що відповідні місця, як правило, знаходяться в гірських районах, які не є ідеальними для забудови. Це також означає, що об’єкти не завжди знаходяться поблизу міст, які вони обслуговують, тому для підключення цих об’єктів до електромережі необхідно прокласти багатокілометрові лінії електропередач. Таким чином, більшість найкращих гідроелектростанцій вже вичерпали свій ресурс.

На щастя, акумулятори не мають цих недоліків. Вони можуть бути встановлені практично будь-де, не потребують специфічних географічних особливостей і здатні зберігати енергію з високим ступенем ефективності. Але є причина – насправді багато причин – чому акумулятори не отримали широкого розповсюдження в якості мережевого накопичувача. На додаток до їх порівняно високої вартості, вони також мають досить короткий термін служби у порівнянні з насосними гідроакумулюючими станціями. Найгірше те, що акумулятори мають значний (але часто ігнорований) вплив на навколишнє середовище, оскільки їх створення вимагає видобутку специфічних елементів, таких як літій, кобальт, нікель та інші.

Найгірше те, що батареї мають величезний вплив на навколишнє середовище.

Це ставить нас у скрутне становище. Нам потрібно збільшити потужність накопичувачів електроенергії на планеті, щоб ми могли перейти до енергосистеми з більшою часткою відновлюваних джерел енергії, але наші методи або погано пристосовані для цього, або настільки шкідливі для довкілля, що зводять нанівець багато переваг переходу на відновлювану енергетику в першу чергу.

Стиснене повітря: Рішення з волинкою

Дев’ять років тому невелика канадська компанія Hydrostor помітила ці проблеми і вирішила їх вирішити. “Ми вирішили, що має бути щось інше, наприклад, насосна гідросистема, яка могла б забезпечити синхронну інерцію, необхідну мережі, яку не можуть забезпечити акумулятори”, – пояснив генеральний директор компанії Кертіс ВанВаллегем (Curtis VanWalleghem) виданню Digital Trends. “Нам також потрібно щось, що може йти туди, де це потрібно мережі, і порушити обмеження на майданчику, від яких страждає гідроенергетика”.

Після деяких досліджень ВанВаллегем і його партнери зупинилися на добре відпрацьованій, але дещо незвичній технології зберігання, відомій як зберігання енергії стисненого повітря (CAES). CAES існує в різних формах протягом десятиліть – але лише нещодавно вона стала достатньо розвиненою, щоб стати життєздатною альтернативою акумуляторам і насосній гідроенергетиці.

Щоб отримати уявлення про те, як працює CAES, уявіть собі гру на волинці. Ви починаєте з того, що вдуваєте повітря в камеру і зберігаєте його на потім. Потім, коли ви задихаєтесь під час виконання мелодії, ви можете просто стиснути мішок і випустити частину накопиченого повітря, щоб підтримувати безперервний, рівномірний звук. Це, по суті, те, що роблять сховища стисненого повітря – вони просто постачають електроенергію замість музики (а також є в тисячі разів більшими за середню волинку).

Турбіна перетворює потенційну енергію повітря, що знаходиться під тиском, на електричну енергію, яку можна відправити через мережу до вашого будинку.

Звичайно, в реальності все набагато складніше. У реальному світі системи CAES використовують електроенергію для закачування повітря глибоко в природні підземні каверни, створюючи при цьому сильний тиск. Потім, коли ця енергія потрібна, повітря під тиском вивільняється і використовується для обертання турбіни, яка перетворює потенційну енергію повітря під тиском в електричну енергію, яка може бути відправлена в мережу для використання.

Але є застереження. По-перше, коли ви стискаєте повітря (особливо при надвисоких тисках), воно нагрівається. Так працює фізика, і якщо не вловлювати це тепло, то стиснене повітря втрачає частину своєї енергії. Це відбувається тому, що якщо повітря охолоджується занадто сильно, воно конденсується і втрачає об’єм, тому його потрібно нагрівати/розширювати, щоб мати якомога більший потенціал для обертання турбіни. З цієї причини багато об’єктів ЦАЕС спалюють природний газ для підігріву повітря перед тим, як пропустити його через турбіну – ефективна, але неефективна технологія.

Ще одним застереженням є те, що якщо зберігати стиснене повітря в камері фіксованого об’єму (як підземна соляна печера, де побудовано більшість об’єктів CAES), тиск повітря зменшується в міру того, як камера спорожняється – подібно до аквалангу. Це призводить до непостійної вихідної потужності, що не є ідеальним, якщо ви намагаєтеся доставити стабільну кількість енергії в мережу.

Рішення Hydrostor

“Коли ми подивилися на клас технологій, що використовують стиснене повітря, ми виявили, що у них є два реальних обмеження”, – сказав ВанВаллегем. “Перше – це те, що вони спалюють певну кількість викопного палива, і друге – вони будувалися лише там, де були соляні печери. Тому ми витратили роки на науково-дослідницьку роботу, щоб вирішити ці дві проблеми”.

Відсутність спалювання природного газу робить систему CAES Гідростора не лише більш ефективною, але й більш екологічною.

Плід цієї праці – те, що Hydrostor називає вдосконаленим накопичувачем енергії стисненого повітря (A-CAES), і є кілька речей, які відрізняють його від звичайних CAES.

Перш за все, воно призначене для уловлювання всього тепла, що утворюється на етапі стиснення повітря, і його використання. “Ми використовуємо адіабатичну систему, що означає, що ми відбираємо це тепло, зберігаємо його у вигляді гарячої води, а потім знову вводимо його при розширенні повітря, усуваючи необхідність спалювання будь-якого викопного палива”, – пояснив ВанВаллегем.

Відсутність спалювання природного газу робить систему CAES Hydrostor не тільки більш ефективною, але й більш екологічною. Як додатковий бонус, це означає, що компанія також не повинна турбуватися про податки на викиди вуглецю, а отже, може працювати в будь-якій точці світу, не зазнаючи фінансових санкцій.

Іншим великим нововведенням є технологія видобутку Гідростора, яка дозволяє йому будувати свої об’єкти A-CAES практично будь-де – не лише над природними соляними печерами. Замість цього компанія копає шахту глибиною 400 метрів і фактично створює власну підземну печеру.

“Ми застосували техніку видобутку гірських порід, щоб ми могли будувати в будь-якому місці, де є досить якісна порода”, – сказав ВанВаллегем. “Таким чином, ми перейшли від 5-10 відсотків потенційних майданчиків до 80 відсотків потенційних майданчиків. І тепер у нас є те, що виглядає і відчувається як закачана гідроелектростанція. Насправді ми маємо дещо меншу площу та менші витрати, і тепер це може бути побудовано практично будь-де”, – сказав Ван-Валлегем.

Відсутність обмежень щодо місця розташування – не єдина перевага. Завдяки такому підходу “зроби сам, викопай власну печеру”, Hydro

“Він просто виштовхує воду з задньої частини в невеликий ставок, який знаходиться поруч з нашим заводом, – сказав ВанВаллегем, – І як тільки ви заповнюєте повітряну порожнину холодним повітрям під тиском, він піднімає воду на поверхню. Тож тепер ви сидите із зарядженою системою. Щоразу, коли мережа потребує енергії, відкривається клапан, і вага води, яку ми підняли на поверхню, тисне вниз, змушуючи повітря повертатися назад”. Таким чином, тиск повітря залишається постійним протягом усього періоду вивільнення, забезпечуючи тим самим стабільний і передбачуваний рівень електроенергії.

Зважаючи на все, це, звичайно, не ідеальний процес (ВанВаллегем каже, що він ефективний лише на 65 відсотків), але система Hydrostor полегшила багато больових точок, які історично переслідували CAES.

Під тиском

Тож чи є це вирішенням наших проблем зі зберіганням? Чи можемо ми бути спокійні, знаючи, що людство тепер має екологічно чисту систему зберігання енергії, яка відповідає його екологічно чистим системам виробництва енергії?

Не зовсім. Те, що компанія Hydrostor, здавалося б, розгадала код до стисненого повітря, ще не означає, що ми вийшли з лісу. Незалежно від того, наскільки інноваційною може бути технологія компанії, швидше за все, пройдуть десятиліття, перш ніж вона буде широко розгорнута.

Тим не менш, це, безумовно, важлива віха, яку варто відсвяткувати. Очікується, що в найближчому майбутньому вартість вітрової та сонячної енергії впаде нижче вартості вугілля та природного газу, що ще більше стимулюватиме її використання і, ймовірно, спричинить зростання використання відновлюваних джерел енергії. Коли це станеться, попит на мережеве зберігання енергії зросте разом з ним – і, на щастя, тепер у нас є ефективний та екологічно чистий метод зберігання, який може допомогти нам задовольнити цей попит.

“Ми знаємо, що ми все ще перебуваємо на початку шляху, – сказав ВанВаллегем. “Але ми також знаємо, що зміна клімату реальна. Це страшно, і це відбувається швидко, і нам потрібні рішення, які можна масштабувати. Тому ми будуємо великомасштабні проекти, які ми можемо побудувати швидко – і якомога більше. Ми вважаємо, що це ключ до успіху”.

Щоб переглянути решту епізодів “Усунення неполадок на Землі”, перейдіть на домашню сторінку серіалу.

Рекомендації редакторів

• Мета хоче зарядити Вікіпедію за допомогою оновлення ШІ
• Останній штрих: як вчені наділяють роботів тактильними відчуттями, подібними до людських
• 10 жінок-винахідниць, які назавжди змінили світ
• Нагороди Digital Trends’ Tech For Change CES 2022 Awards
• Техніка, яку не варто було купувати у 2021 році

Source: digitaltrends.com