Гравитационните батерии – ПАВЕЦ на новото време

Хибридната система за съхранение на енергия на Energy Vault използва съществуващата инфраструктура, модулно гравитационно съхранение и литиево-йонни батерии
(снимка: Energy Vault)

В една швейцарска долина необичаен многораменен кран вдига два 35-тонни бетонни блока високо във въздуха. Блоковете деликатно се издигат нагоре по синята стоманена рамка на крана, където висят, окачени от двете страни на 66-метрово хоризонтално рамо. Има общо три рамена. Всяко от тях съдържа кабели, лебедки и куки за захващане, необходими за издигане на друг чифт бетонни блокове в небето. Въпреки че кулата е висока 75 метра, тя лесно се слива с гористите склонове на Лепонтинските Алпи в южна Швейцария.

Тридесет метра. Тридесет и пет. Четиридесет. Бетонните блокове бавно се издигат нагоре от двигатели, задвижвани с електричество от швейцарската електрическа мрежа. За няколко секунди те увисват в топлия септемврийски въздух. След това стоманените кабели, държащи блоковете, започват да се развиват. Блоковете започват бавно спускане. Скоро те ще се присъединят към няколко дузини подобни блокове, подредени в подножието на кулата.

Това е моментът, за който е проектиран този сложен апарат. Докато всеки блок се спуска, той задвижва генератори, които произвеждат електричество. То преминава през дебелите кабели, минаващи отстрани на крана, и отива към електрическата мрежа. За 30 секунди, докато блоковете се спускат, всеки генерира около един мегават електричество.

Тази кула е прототип от швейцарската Energy Vault – една от множеството стартиращи компании, намиращи нови начини за използване на гравитацията за генериране и съхранение на електричество.

Крещяща нужда от съхранение на енергия

Технологията започва да привлича все повече внимание, защото след бума на възобновяемите източници сега се осъзнава крещящата нужда тази енергия, произведена от соларни вятърни паркове, да се „трупа“ някъде.

Тази нужда ще става още по-критична, тъй като повече части от живота ни се електрифицират – особено отоплението и транспорта, които ще бъдат трудни за декарбонизиране по друг начин. Цялата тази електрификация се очаква да удвои производството на електроенергия до 2050 г. според Международната агенция за атомна енергия. Но без лесен начин да съхраняваме големи количества енергия и след това да я освобождаваме, когато имаме нужда от нея, може никога да не отменим зависимостта си от мръсни, замърсяващи електроцентрали, работещи с изкопаеми горива.

Затова става интересно гравитационното съхранение на енергия. Привържениците на технологията твърдят, че гравитацията осигурява чисто решение на проблема със съхранението. Вместо да разчитат на литиево-йонни батерии, които се разграждат с времето и изискват редкоземни метали, които трябва да бъдат изкопани от земята, фирми като тази казват, че гравитационните системи могат да осигурят евтино, изобилно и дълготрайно съхранение на енергия.

Както при ПАВЕЦ

По същество крановете с бетонните блокове не са много по-различно решение от ПАВЕЦ. При ПАВЕЦ се случва общо-взето същото, но с вода. Когато има излишък от електроенергия, водата се качва от по-ниско разположен язовир към по-високо разположен посредством помпи. Когато има нужда от повее електричество в мрежата, водата от горния язовир се пуска през турбини към долния язовир. Тя генерира електричество при спускането си. И така безкрайно – при излишък водата се изпомпва нагоре, при недостиг – водата се пуска през турбините.

Същото прави и кранът. При при излишък издига бетонните блокове нагоре, при недостиг – спуска надолу и завърта генератор.

Пълноразмерната версия на кулата може да съдържа 7000 блока. Може да осигури достатъчно електричество за захранване на няколко хиляди домове за осем часа.

При ПАВЕЦ са необходими две неща – вода и голяма денивелация. Швейцария разполага с вода двата ресурса в изобилие. В страната се намира едно т най-старите ПАВЕЦ в света. Построено през 1907 г., помпеното водно съоръжение Engeweiher работи в същия район, където е кулата на Energy Vault. Engeweiher сега се счита за едно от най-красивите места в страната и в света. Там много хора ходят за отдих, особено от близкия град Шафхаузен.

Простотата на помпената хидроцентрала всъщност е в основата на идеята за кулата. Това било отправна точка за Бил Грос, сериен предприемач. „Винаги съм искал да измисля начин да направя това, което си мислех, че е изкуствен язовир. Как можем да вземем свойствата на един язовир, които са толкова страхотни, но да го построим където си поискаме?“, казва той.

Предизвикателства

Въпреки че все още се изграждат нови помпени водни централи, технологията има някои големи недостатъци. Новите проекти отнемат години за планиране. Но най-вече – те могат да се изграждат само на места, където височината и водата са в изобилие. А няма ли начин подобно хранилище да може да бъде построено навсякъде, дори ако няма реки, или пък ако няма планини? Предприемачът работи по своята идея от 2009 г. насам.

Технологията има своите предизвикателства. Едно от тях е как да се вдигат и подрежда блоковете автономно. Една голяма система за съхранение ще изисква хиляди блокове. Това означава, че те трябва много прецизно да се подреждат, с точност до милиметър.

Друго предизвикателство е, че има нужда от компенсиране на вятъра и ефекта на махалото, причинени от тежка тежест, люлееща се в края на кабела. На демонстрационната кула в Арбедо-Кастионе количките, които държат кабелите, които повдигат тухлите, се движат напред-назад, за да компенсират това движение.

Огромно предизвикателство е гъвкавостта. Управлението на електрическа мрежа е тежък акт, при който производството на електроенергия трябва да бъде внимателно балансирано с търсенето по всяко време. Системата винаги е на ръба на опасно излизане от равновесие. Генерирайте твърде много електричество и мрежата се разпада. Генерирайте твърде малко електричество и, добре, мрежата пада.

Точно това се случи в Тексас през февруари 2021 г., когато една от най-студените зимни бури от десетилетия засегна щата. Тексасците се надпреварваха да увеличат отоплението си и да се защитят от ниските температури. Тъй като търсенето нарасна и предлагането спадна рязко в ранните часове на 15 февруари, персоналът в контролната зала на Съвета за електрическа надеждност на Тексас се обади на комуналните служби, като ги помоли да спрат тока на своите клиенти. Милиони тексасци останаха без електричество дни наред. Някои починаха от хипотермия в собствените си домове, докато чакаха захранването да се върне.

Мрежите с висок процент вятърна и слънчева енергия са податливи на внезапни промени в доставките на електроенергия. Когато небето потъмнее или ветровете утихнат, това производство на електроенергия просто изчезва от мрежата, оставяйки комуналните дружества да запълнят празнината. Сега те го правят, използвайки изкопаеми горива.

Обратната ситуация също създава проблеми. Излишъкът на електроенергия от ВЕИ може да е голям. И се характеризира с изместване спрямо потреблението – слънцето грее най-много по обяд, а хората имат нужда от ток в домовете си най-много вечерно време (хората се прибират от работа, пускат климатика и пускат телевизора). Ютилити фирмите се застраховат срещу това колебание чрез газови електроцентрали.

На ръба на експоненциален ръст

Всичко това налага нуждата от съхранение. Много съхранение. Като преобразувате електрическата енергия в различна форма на енергия – химическа енергия в литиево-йонна батерия или гравитационна потенциална енергия в една от висящите тухли на Energy Vault – можете да задържите тази енергия и да я разгърнете точно когато имате нужда от нея. По този начин извличате повече стойност от възобновяемите източници на енергия и намалявате нуждата от резервно захранване от електроцентрали, работещи с изкопаеми горива.

Според Bloomberg New Energy Finance, съхранението на енергия е на ръба на експоненциален ръст: Неговият доклад за 2019 г. прогнозира 122-кратно увеличение на съхранението до 2040 г., което изисква до половин трилион паунда нови инвестиции.

Един по-различен подход

Базираната в Единбург стартираща компания за съхранение на енергия Gravitricity прилага същото, но по друг начин: пускане на тежестите в неизползвани шахти на минни шахти, вместо да строи кули. По този начин фирмата намалява цената на конструкцията за местене на тежките блокове.

През април 2021 г. Gravitricity започна тестове на 15-метрова демонстрационна система, сглобена в Лийт, Шотландия, но първата комерсиална система на компанията може да се окаже в Чехия, където политиците се стремят да намерят нова употреба за бъдещите, изведени от експлоатация, въглищни мини. Друго потенциално местоположение е Южна Африка, която има много собствени мини плюс допълнителните проблеми на нестабилната електрическа мрежа и честите прекъсвания на тока.

Gravitricity е насочена към различна част от енергийния пазар от Energy Vault: осигурява кратки импулси електричество в критични моменти, за да предпази скъпата енергийна инфраструктура от повреда. Електрическите мрежи са проектирани да работят при определена честота; Европейските мрежи работят на 50 херца, докато в САЩ са на 60 херца. Фирмата казва, че системите ѝ могат да реагират на промени в честотата за по-малко от секунда и че комбинирането на системата с други технологии може да съкрати това време за реакция още повече. Тази услуга, наречена честотна характеристика, е толкова важна, че операторите на енергийни мрежи плащат висока премия за компаниите, които могат да отговорят с времето за части от секундата.

Дошло ли е времето на гравитационно съхранение на енергия? Както при други технологии на ранен етап, доставчиците трябва да намерят фин баланс в начина, по който се представят: достатъчно пробивна технология, за да привлече инвеститори, търсещи следващото голямо нещо, но достатъчно надеждна и евтина, че комуналните компании да обмислят да го направят част от своята енергийна инфраструктура.