Китай построил гравитационную батарею, которая конкурирует с гидроэлектростанциями

Солнечный день в разгаре – панели на крышах производят больше электричества, чем нужно, а ветер гоняет турбины наперегонки. Однако наступает ночь или штиль, и энергосистема нуждается в запасах тока. Как сохранить избыток возобновляемой энергии, чтобы использовать его позже? По данным Международного энергетического агентства, к 2040 году производство "зеленого" электричества возрастет до более 25 000 ГВт-ч в год, что достаточно для обеспечения целой страны вроде Парагвая или Туниса. Но чтобы аккумулировать такие объемы, понадобится почти втрое больше хранилищ энергии, чем существует сейчас. От кратковременного резерва на 6 часов до сезонного буфера на 6 недель – все эти уровни накопления становятся критически важными в эру возобновляемой энергетики.

Может ли обычная сила тяжести стать ключом к этой проблеме? Инженеры по всему миру ищут инновационные способы накопления электричества, и один из них – гравитационная батарея. Принцип прост: использовать избыточную электроэнергию, чтобы поднять груз вверх, а когда потребуется ток – опустить его вниз, вернув энергию в сеть. Этот метод обещает долговечность и масштабируемость, но как он работает на практике? Давайте рассмотрим подробнее.

Прежде чем говорить о новых технологиях, стоит вспомнить ветерана в мире хранения энергии – гидроаккумуляцию. Уже более века электростанции-гиганты перекачивают воду в верхние бассейны, когда электричества много, и спускают ее обратно через турбины в часы пик. Это классический пример гравитационного накопления: вода, поднятая на высоту, сохраняет потенциальную энергию, которая превращается в электричество при спуске вниз. Хранилища на основе гидроэнергетики составляют более 95% мировых мощностей хранения - от небольших установок до грандиозных горных резервуаров, построенных еще в середине ХХ века.

Но несмотря на всю эффективность, гидроаккумуляция имеет весомые ограничения. Нужны особые условия: перепад высот (горы или холмы) и значительные запасы воды. Новые проекты гидроаккумуляции требуют лет на строительство и могут существенно вмешиваться в экосистему рек. К тому же не каждый регион имеет "лишнюю" гору с озером на вершине. Иными словами, водохранилища не везде построишь. Именно поэтому инженеры начали искать способ "создать дамбу без дамбы" – использовать силу тяжести, но без воды и гор.

Принцип действия гравитационного накопителя можно объяснить простой аналогией. Представьте кран или лифт, поднимающий тяжелый груз, когда электричества достаточно. Этот поднятый груз – будь то контейнер с грунтом или бетонный блок – потенциальная батарея. Когда же возникает дефицит тока, груз опускают вниз. Двигатели крана при этом работают как генераторы и вырабатывают электроэнергию, возвращая ее в сеть. Все, как в случае с водой в плотине, только роль воды выполняет твердая масса.

Гравитационная батарея состоит из нескольких основных компонентов: источника избыточной энергии (например, солнечной или ветровой), механизма подъема (краны, лифты или шкивы), тяжестей (массивные грузы) и генератора. Когда, скажем, в полдень солнечные панели дают больше киловатт, чем нужно потребителям, эта избыточная энергия питает электродвигатели, которые поднимают грузы на высоту. Энергия "запакована" в поднятые 100-тонные блоки или вагоны на вершине склона. Стоит наступить вечерней пиковой нагрузке – система отпускает груз вниз. Двигатели переходят в генераторный режим и вырабатывают электричество, разряжая эту своеобразную батарею.

КПД такой системы – то есть доля энергии, которую удается вернуть при спуске – уже сейчас сравним с гидроэнергетикой и химическими батареями. Прототипы демонстрируют круговой КПД около 75%, а в новых установках ожидают до 80%. Для сравнения, у литий-ионных батарей этот показатель 85-90%, а у гидроаккумуляторов – около 80%. То есть гравитационные хранилища не слишком уступают в эффективности.

Важно, что емкость (сколько энергии хранится) и мощность (как быстро можно отдать энергию) в таких системах являются гибкими параметрами. Добавив больше грузов или увеличив высоту подъема, можно нарастить запас энергии (продолжительность отдачи тока). А количество кранов или лифтовых линий определяет, сколько мегаватт мощности можно выдавать одновременно. Такая масштабируемость – одна из сильных сторон гравитационных накопителей.

Одним из пионеров воплощения гравитационных батарей стала компания Energy Vault из Швейцарии. Ее соучредитель Роберт Пикони образно описывает технологию как отражение гидроаккумуляции, только вместо воды – твердые блоки. Первый демонстрационный комплекс EV1 они построили в 2020 году в швейцарском городке Арбедо-Кастионе: шесть кранов вокруг башни высотой 70 м поднимали и штабелировали огромные бетонные блоки. Когда система "заряжалась", краны складывали блоки стопкой; при "разрядке" – опускали вниз, генерируя ток. Этот опытный образец доказал, что концепция работает, но и выявил недостатки – в частности, громоздкая конструкция на открытом воздухе могла быть уязвимой к сильному ветру и непогоде.

Эволюция дизайна

Учтя критику, инженеры перешли к новой конструкции – EVx, гравитационной батарее в форме закрытой многоэтажной структуры. Фактически это большое здание-склад с шахтами лифтов, где тысячи блоков поднимаются и опускаются автономными подъемниками.

Первую коммерческую систему EVx запустили в 2023 году в городе Жудун (Rudong) в Китае – и она сразу установила рекорд. Эта грандиозная "батарея" выше Великой пирамиды в Гизе (то есть более 147 метров высотой) и вмещает более 3,5 тысяч бетонных блоков массой по 25 тонн каждый. Блоки отлиты из обычного грунта, вынутого при строительстве, но компания отмечает, что можно использовать и отходы - например, золу от угольных ТЭС или списанные композитные лопасти ветряков. Таким образом, гравитационное хранилище еще и дает вторую жизнь промышленным отходам.

Емкость китайской установки – 100 МВт-ч, то есть она может накопить 100 мегаватт-часов. Этого хватит, чтобы обеспечить электричеством около 35 тысяч домохозяйств в течение 2-3 часов. Максимальная мощность отдачи составляет 25 МВт – именно столько генерируют, опуская грузы одновременно из нескольких шахт. Energy Vault сообщила, что добилась кругового КПД 75% на опытном прототипе и ожидает достичь 80% на этой коммерческой системе. По эффективности такой показатель вполне на уровне гидроаккумуляции, подтверждая жизнеспособность технологии.

Планы на масштабирование

Успех первой установки вдохновил на дальнейшие проекты. Для Китая компания планирует построить целую сеть гравитационных хранилищ общей емкостью 4 ГВт-ч (то есть десятки подобных башен). Параллельно, в американском штате Техас завершается монтаж 18 МВт/36 МВт-ч гравитационного хранилища – первого в Западном мире. Этот объект строится совместно с энергокомпанией Enel и будет служить также учебным центром для отработки новых технологий накопления энергии. К тому же, в Южной Африке ведутся разработки по установке гравитационных батарей на базе старых шахт.

Одна из привлекательных черт гравитационных систем – их долговечность. Если литий-ионный аккумулятор теряет значительную часть емкости за 10-15 лет циклов, то бетонной глыбе с краном износ не грозит. Разработчики оценивают срок службы гравитационных батарей в 50-60 лет. Возможно, через несколько десятилетий придется заменить электродвигатели или системы управления, зато сами грузы и несущие конструкции прослужат многие десятилетия, накапливая энергию без деградации. Компания Energy Vault заявляет о минимум 35 годах эксплуатации для своих установок без потери параметров, а это в несколько раз превышает жизненный цикл химических батарей.

Идея с башнями и кранами – не единственный способ приручить гравитацию. Различные стартапы и ученые предлагают свои версии "гравитационных батарей" – иногда очень креативные. Вот несколько примеров таких концепций:

• Подземные шахты. Глубинные заброшенные угольные шахты могут стать огромными природными "батареями". Достаточно поместить в ствол шахты массивный груз на подъемнике: при избытке энергии он поднимается, а когда нужен ток – опускается вниз. Исследования показывают, что в 1500 старых шахтах мира можно теоретически хранить до 70 ТВт-ч энергии – этого хватило бы, чтобы обеспечить электричеством весь мир на целый день. Преимущество подземного метода – уже готовая инфраструктура (пути, шахтные стволы, электросети), поэтому затраты на установку относительно невелики. Британская компания Gravitricity успешно протестировала подобный подъемник с 50-тонным весом, а теперь ищет шахты для полномасштабных систем.

• Гигантский поршень в скале. Звучит фантастически, но инженеры предлагали вдавливать гигантский цилиндрический камень в грунт и нагнетать под него воду. Когда есть лишнее электричество – насос закачивает воду, выталкивая каменный "поршень" вверх (зарядка). Когда нужен ток – вода спускается, и многотонный камень под давлением воды опускается вниз, вращая турбины (разрядка). Такая система смогла бы накапливать гигантские объемы энергии, но пока это лишь теория, ни одного действующего прототипа нет. Одну из таких идей разрабатывала немецкая фирма Heindl Energy, однако до стадии строительства дело не дошло.
• Вагоны на склонах. Еще один вариант гравитационного хранилища – заезд тяжелых поездов вверх и вниз по холмам. Представьте десяток вагонеток с бетонными глыбами, которые тянет электровоз на вершину когда есть лишняя энергия, а при дефиците – вагоны спускаются вниз, вращая двигатели в режиме генератора. Такую технологию испытывали в США (проект Advanced Rail Energy Storage – ARES). Хотя прототип доказал работоспособность, никакой коммерческой реализации пока нет. Впрочем, идею не оставляют: компании вроде упомянутой Energy World предлагают новые проекты, напоминающие лыжный подъемник с грузами вместо людей. Разработчики утверждают, что система канатной дороги с вагонетками может быть даже эффективнее автономных башенных батарей.
• Лифты в небоскребах. Городские высотки каждый вечер простаивают со своими грузовыми лифтами - так почему бы не использовать эти шахты как аккумулятор? Исследователи из IIASA (Австрия) предложили концепцию Lift Energy Storage Technology (LEST): роботы-погрузчики помещают тяжелые балласты в лифт, поднимают их на верхние этажи когда электричество дешевое, а в часы пик опускают вниз, вырабатывая ток генераторами на лифтовых кабинах. По оценкам ученых, внедрение такого в высотных зданиях мира может дать суммарно до 30 ГВт-ч дополнительных резервов энергии. Пока это лишь идея на бумаге, но некоторые компании уже рассматривают пилотные проекты установки гравитационных систем в недействующих лифтовых шахтах небоскребов. Кто знает, возможно, офисные здания будущего днем будут зарабатывать, поднимая бетонные блоки в лифтах во время обеденного перерыва.

Как видим, фантазия инженеров безгранична: от горных склонов до городских небоскребов – везде, где есть разница высот, можно потенциально накапливать энергию. Самая главная задача – найти решение, которое будет экономически целесообразным, безопасным и надежным в длительной эксплуатации.

Как и любая технология, гравитационное хранение энергии имеет свои преимущества и вызовы. Рассмотрим их подробнее:

• Долгий срок службы и минимальная деградация. В отличие от химических батарей, гравитационные накопители не стареют от циклов заряда-разряда. Бетонному блоку или стальному вагону не вредит тысячекратное поднятие, тогда как аккумулятор постепенно теряет емкость. Срок эксплуатации таких систем исчисляется десятилетиями – 50 и более лет работы. Это означает более низкую стоимость владения за жизненный цикл проекта, ведь инвестиция "отрабатывает" себя очень долго. По оценке BloombergNEF, уровень затрат на хранение в течение полного цикла жизни у гравитационных батарей может быть ниже, чем у литий-ионных именно благодаря долговечности.
• Низкие эксплуатационные расходы и безопасность. Гравитационной батарее не нужен кондиционированный ангар или система пожаротушения для чувствительных реактивных химикатов – она по сути механическая. Обслуживание сводится к периодической проверке двигателей, тросов и тормозов. Нет риска возгорания или взрыва, как в перегретых аккумуляторах. К тому же эко-ответственность таких хранилищ высока: в их составе нет редких металлов или токсичных материалов, которые потом надо утилизировать. Наоборот, для изготовления тягарей часто используют вторичное сырье (шахтный шлам, золу, отходы строительства), превращая мусор в полезный продукт. Вместо горного рудника лития – обычный грунт или песок как "зарядный элемент".
• Длительное накопление энергии. Гравитационные системы оптимально подходят для долговременного хранения, от 6-8 часов до нескольких суток. Они выгодно отличаются от литий-ионных батарей, у которых с увеличением длительности резко растет стоимость (требуется все больше батарейных модулей). В гравитационной же батарее добавление часов емкости относительно дешевле: больший резервуар или больше блоков стоит меньше, чем эквивалентное количество аккумуляторов. Там, где нужно накапливать энергию изо дня в день (например, для энергосистем с высокой долей ВИЭ), гравитационные хранилища могут быть экономически выгодными. За пределами Китая (где батареи дешевле) уже сейчас некоторые долговременные технологии опережают литий-ион по стоимости на >8-часовых интервалах.

Впрочем, существуют и недостатки, которые сдерживают массовое внедрение гравитационных накопителей сегодня:

• Низкая энергетическая плотность. "Бетонная" батарея требует значительно большей инфраструктуры, чтобы сохранить то же количество энергии, что и литиевая", – подчеркивает эксперт BNEF Эвелина Стойко. Действительно, поднять на 100 метров груз весом 1 тонну - это всего лишь 0,27 кВт-ч энергии. Для мегаватт-часов нужны тысячи тонн и десятки метров высоты. Например, китайская гравитационная башня Energy Vault (100 МВт-ч) занимает целую площадку и сотни колонн, тогда как 100 МВт-ч литий-ионных батарей поместятся в пару складов. Из-за этой разреженности энергии начальные капитальные затраты на гравитационные хранилища высоки: много материала, бетона, стальных конструкций. По данным BNEF, средняя стоимость таких систем пока превышает показатели альтернативных технологий долговременного хранения.
• Ограниченное быстродействие и гибкость. Литий-ионные батареи славятся тем, что могут мгновенно отдавать мощность, реагируя на колебания частоты или цен на рынке за доли секунды. Это позволяет операторам зарабатывать на пиковых ценах буквально ежеминутно. Гравитационная же батарея физически инерционнее: нужно несколько минут, чтобы запустить процесс опускания десятков грузов и выйти на полную мощность. <Быстро "вспыхнуть" на рынке балансирующих услуг она не сможет. Как следствие, прибыли от краткосрочных колебаний цен для таких хранилищ ниже, что продлевает срок окупаемости. Гравитационные накопители скорее рассчитаны на планомерную зарядку/разрядку (например, заряд днем - отдача вечером), а не на мгновенные резервы.
• География и масштаб. Хоть гравитационные батареи и "отвязывают" гидроаккумуляцию от географии, им все равно нужны специальные условия. Для башен – достаточно места и прочный грунт под фундаментом 100-метрового сооружения; для шахт – наличие глубокой вертикальной шахты; для систем на склонах – соответствующий рельеф. В плотных городах возвести огромную башню может быть сложно (хотя идея с небоскребами может изменить это). В то же время, в отдаленных пустынях или степях, где много ВИЭ, гравитационные системы вполне реализуемы. Однако их не сделаешь портативными или массовыми: каждый проект уникален инженерно, тогда как батарейные модули можно штамповать и развозить куда угодно.

Итак, сейчас литий-ионные накопители доминируют из-за стремительного падения цен и отточенной производственной базы (во многом благодаря электромобилям). Гравитационные же технологии – пока ранние игроки, более дорогие и менее гибкие. Но в нишах, где требуется большое долговременное хранилище и десятилетия работы, "притяжение" может взять свое.

На 2024-2025 годы гравитационное хранение энергии только делает первые шаги. Масштаб и низкая цена литий-ионных батарей пока непревзойденные – рынок систем накопления стремительно растет именно благодаря батареям, которые дешевеют с каждым годом производства. Однако это не означает, что гравитационные батареи не найдут своего места. Ведь они предназначены для другого сегмента: длительного резервирования (6+ часов) и выравнивания работы энергосистем с большой долей возобновляемых источников. В тех сценариях, где батареи на основе лития становятся слишком дорогими или непродолжительными (например, хранить энергию круглосуточно или помесячно), механические хранилища могут оказаться оптимальными.

Для раскрытия потенциала гравитационных технологий требуется время и инвестиции. Эксперты прогнозируют, что долговременные накопители (LDES – long-duration energy storage) в следующем десятилетии будут получать все больше внимания, ведь декарбонизация требует решений для балансировки энергии в масштабе суток и недель. Чтобы конкурировать, гравитационным стартапам надо доказать надежность систем в поле и снизить затраты серийным производством. Успешный запуск первых коммерческих объектов (как EVx в Китае и США) – важный шаг. Далее – масштабирование и обучение на опыте: как удешевить конструкции, оптимизировать автоматизацию, найти лучшие места для установки.

Государственная политика также может дать толчок. Например, правительства могут инвестировать в демонстрационные проекты на месте закрытых шахт или горных рудников – это и развитие регионов, и польза для энергетики. Уже сейчас в США выделяются средства на инновационные хранилища на территориях бывших добывающих предприятий. Если несколько таких проектов покажут успешные результаты, частный капитал охотнее будет инвестировать в технологию, не боясь рисков.

Конкуренция технологий. Кроме гравитационных, за рынок долговременного хранения соревнуются и другие решения: водородное топливо, ванадиевые проточные батареи, высокотемпературные тепловые аккумуляторы, сжатый воздух и т.д. Скорее всего, не будет одного универсального победителя – разные ниши закроют разные технологии. Гравитационные батареи могут стать одним из важных элементов этого "зоопарка" решений. Они особенно привлекательны там, где есть неиспользованные ресурсы (глубокая шахта, карьер, высокое сооружение) и потребность в длинных циклах. В таких условиях гравитация способна быть самой дешевой: не надо строить дамбу или импортировать литий, достаточно инженерной мысли и силы притяжения планеты.

Гравитационные накопители энергии превращают древнюю силу – притяжение Земли – в инновационный инструмент для энергетики будущего. Поднимая тяжести вверх и спуская их вниз, человечество фактически создает "каменные батареи", сохраняющие летнее солнце для вечерних нужд или запасающие энергию ветра на время штиля. Эта технология еще молода и проходит проверку на экономичность и надежность. Вряд ли в ближайшие годы мы увидим, как гравитационные батареи повсеместно заменяют литий-ионные – последние пока уверенно лидируют. Но и не стоит недооценивать "тяжелый вес": гравитационное хранение может занять свою важную нишу в глобальной энергосистеме, обеспечивая долговременный резерв чистой энергии.

Представьте себе через несколько десятилетий ландшафт зеленой энергетики: рядом с полями солнечных панелей и рядами ветряков возвышаются башни гравитационных хранилищ, а глубоко под землей в бывших шахтах молча поднимаются и опускаются многотонные грузы, гарантируя нам свет и тепло независимо от капризов природы. Сила гравитации, которая миллиарды лет держит планеты на орбитах, может стать одним из решений, которые будут держать нашу сеть в балансе. И это – захватывающий пример того, как инженерная мысль способна обернуть фундаментальные законы физики на благо устойчивого будущего.