Китай збудував гравітаційну батарею, яка конкурує з гідроелектростанціями

Сонячний день у розпалі – панелі на дахах виробляють більше електрики, ніж потрібно, а вітер ганяє турбіни наввипередки. Проте настає ніч або штиль, і енергосистема потребує запасів струму. Як зберегти надлишок відновлюваної енергії, щоб використати його пізніше?

За даними Міжнародного енергетичного агентства, до 2040 року виробництво “зеленої” електрики зросте до понад 25 000 ГВт·год на рік, що достатньо для забезпечення цілої країни на кшталт Парагваю чи Тунісу​. Але щоб акумулювати такі обсяги, знадобиться майже утричі більше сховищ енергії, ніж існує нині​. Від короткочасного резерву на 6 годин до сезонного буферу на 6 тижнів – усі ці рівні накопичення стають критично важливими в еру відновлюваної енергетики​.

Чи може звичайна сила тяжіння стати ключем до цієї проблеми? Інженери по всьому світу шукають інноваційні способи накопичення електрики, і один із них – гравітаційна батарея. Принцип простий: використати надлишкову електроенергію, щоб підняти вантаж угору, а коли потрібно струм – опустити його вниз, повернувши енергію в мережу​. Цей метод обіцяє довговічність та масштабованість, але як він працює на практиці? Давайте розглянемо детальніше.

Перш ніж говорити про нові технології, варто згадати ветерана у світі зберігання енергії – гідроакумуляцію. Уже понад століття електростанції-гіганти перекачують воду у верхні басейни, коли електрики забагато, і спускають її назад через турбіни у години пік​. Це класичний приклад гравітаційного накопичення: вода, піднята на висоту, зберігає потенціальну енергію, яка перетворюється на електрику при спуску вниз. Сховища на основі гідроенергетики становлять понад 95% світових потужностей зберігання – від невеликих установок до грандіозних гірських резервуарів, збудованих ще в середині ХХ століття​.

Та попри всю ефективність, гідроакумуляція має вагомі обмеження. Потрібні особливі умови: перепад висот (гори або пагорби) і значні запаси води. Нові проекти гідроакумуляції потребують років на будівництво та можуть суттєво втручатися в екосистему річок​. До того ж не кожен регіон має “зайву” гору з озером на вершині. Іншими словами, водосховища не скрізь збудуєш. Саме тому інженери почали шукати спосіб “створити дамбу без дамби” – використати силу тяжіння, але без води та гір​.

Принцип дії гравітаційного накопичувача можна пояснити простою аналогією. Уявіть кран або ліфт, що підіймає важкий вантаж, коли електрики вдосталь. Цей піднятий вантаж – чи то контейнер із ґрунтом, чи бетонний блок – потенційна батарея. Коли ж виникає дефіцит струму, вантаж опускають вниз. Двигуни крана при цьому працюють як генератори і виробляють електроенергію, повертаючи її в мережу. Все, як у випадку з водою в греблі, тільки роль води виконує тверда маса.

Гравітаційна батарея складається з декількох основних компонентів: джерела надлишкової енергії (наприклад, сонячної або вітрової), механізма підйому (крани, ліфти чи шківи), тягарів (масивні вантажі) і генератора. Коли, скажімо, опівдні сонячні панелі дають більше кіловат, ніж потрібно споживачам, ця надлишкова енергія живить електродвигуни, які піднімають вантажі на висоту. Енергія “запакована” у підняті 100-тонні блоки або вагони на вершині схилу. Варто настати вечірньому піковому навантаженню – система відпускає вантаж вниз. Двигуни переходять у генераторний режим і виробляють електрику, розряджаючи цю своєрідну батарею​.

ККД такої системи – тобто частка енергії, яку вдається повернути при спуску – вже нині порівняний із гідроенергетикою та хімічними батареями. Прототипи демонструють круговий ККД близько 75%, а в нових установках очікують до 80%. Для порівняння, у літій-іонних батарей цей показник 85–90%, а у гідроакумуляторів – близько 80%. Тобто гравітаційні сховища не надто поступаються в ефективності.

Важливо, що ємність (скільки енергії зберігається) і потужність (як швидко можна віддати енергію) в таких системах є гнучкими параметрами. Додавши більше вантажів або збільшивши висоту підйому, можна наростити запас енергії (тривалість віддачі струму). А кількість кранів чи ліфтових ліній визначає, скільки мегават потужності можна видавати одночасно. Така масштабованість – одна з сильних сторін гравітаційних накопичувачів.

Одним із піонерів утілення гравітаційних батарей стала компанія Energy Vault зі Швейцарії. Її співзасновник Роберт Піконі образно описує технологію як віддзеркалення гідроакумуляції, тільки замість води – тверді блоки. Перший демонстраційний комплекс EV1 вони збудували у 2020 році в швейцарському містечку Арбедо-Кастіоне: шість кранів навколо вежі висотою 70 м підіймали та штабелювали величезні бетонні блоки​. Коли система “заряджалась”, крани складали блоки стосом; при “розрядці” – опускали вниз, генеруючи струм. Цей дослідний зразок довів, що концепція працює, але й виявив недоліки – зокрема, громіздка конструкція на відкритому повітрі могла бути вразливою до сильного вітру та негоди​.

Еволюція дизайну

Врахувавши критику, інженери перейшли до нової конструкції – EVx, гравітаційної батареї в формі закритої багатоповерхової структури. Фактично це великий будинок-склад із шахтами ліфтів, де тисячі блоків піднімаються та опускаються автономними підйомниками​.

Першу комерційну систему EVx запустили 2023 року в місті Жудун (Rudong) в Китаї – і вона одразу встановила рекорд. Ця грандіозна “батарея” вища за Велику піраміду в Гізі (тобто понад 147 метрів заввишки) та вміщує більше 3,5 тисяч бетонних блоків масою по 25 тонн кожен​. Блоки відлиті зі звичайного ґрунту, вийнятого при будівництві, але компанія зазначає, що можна використовувати і відходи – наприклад, золу від вугільних ТЕС чи списані композитні лопаті вітряків​. Таким чином, гравітаційне сховище ще й дає друге життя промисловим відходам.

Ємність китайської установки – 100 МВт·год, тобто вона може накопичити 100 мегават-годин. Цього вистачить, щоб забезпечити електрикою близько 35 тисяч домогосподарств протягом 2–3 годин​. Максимальна потужність віддачі становить 25 МВт​ – саме стільки генерують, опускаючи вантажі одночасно з кількох шахт. Energy Vault повідомила, що домоглася кругового ККД 75% на дослідному прототипі й очікує досягти 80% на цій комерційній системі​. За ефективністю такий показник цілком на рівні гідроакумуляції, підтверджуючи життєздатність технології.

Плани на масштабування

Успіх першої установки надихнув на подальші проєкти. Для Китаю компанія планує побудувати цілу мережу гравітаційних сховищ загальною ємністю 4 ГВт·год (тобто десятки подібних веж)​. Паралельно, в американському штаті Техас завершується монтаж 18 МВт/36 МВт·год гравітаційного сховища – першого у Західному світі​. Цей об’єкт будується спільно з енергокомпанією Enel і слугуватиме також навчальним центром для відпрацювання нових технологій накопичення енергії. До того ж, у Південній Африці ведуться розробки зі встановлення гравітаційних батарей на базі старих шахт​.

Одна з привабливих рис гравітаційних систем – їх довговічність. Якщо літій-іонний акумулятор втрачає значну частину ємності за 10–15 років циклів, то бетонній брилі з краном знос не загрожує. Розробники оцінюють строк служби гравітаційних батарей у 50–60 років​. Можливо, за кілька десятиліть доведеться замінити електродвигуни чи системи управління, зате самі вантажі й несучі конструкції прослужать багато десятиліть, накопичуючи енергію без деградації. Компанія Energy Vault заявляє про мінімум 35 років експлуатації для своїх установок без втрати параметрів​, а це в кілька разів перевищує життєвий цикл хімічних батарей.

Ідея з баштами та кранами – не єдиний спосіб приручити гравітацію. Різні стартапи і науковці пропонують свої версії “гравітаційних батарей” – інколи дуже креативні. Ось кілька прикладів таких концепцій:

• Підземні шахти. Глибинні покинуті вугільні шахти можуть стати величезними природними “батареями”. Достатньо помістити в ствол шахти масивний вантаж на підйомнику: за надлишку енергії він підіймається, а коли треба струм – опускається вниз. Дослідження показують, що у 1500 старих шахтах світу можна теоретично зберігати до 70 ТВт·год енергії – цього вистачило б, щоб забезпечити електрикою весь світ на цілий день. Перевага підземного методу – вже готова інфраструктура (шляхи, шахтні стволи, електромережі), тож витрати на установку відносно невеликі​. Британська компанія Gravitricity успішно протестувала подібний підйомник із 50-тонною вагою, а тепер шукає шахти для повномасштабних систем.

• Гігантський поршень у скелі. Звучить фантастично, але інженери пропонували втопити велетенський циліндричний камінь у ґрунт і нагнітати під нього воду. Коли є зайва електрика – насос закачує воду, виштовхуючи кам’яний “поршень” вверх (зарядка). Коли потрібен струм – вода спускається, і багатотонний камінь під тиском води опускається вниз, обертаючи турбіни (розрядка). Така система змогла б накопичувати гігантські об’єми енергії, але поки що це лише теорія, жодного діючого прототипу немає​. Одну з таких ідей розробляла німецька фірма Heindl Energy, проте до стадії будівництва справа не дійшла.
• Вагони на схилах. Ще один варіант гравітаційного сховища – заїзд важких поїздів угору та вниз по пагорбах. Уявіть десяток вагонеток із бетонними брилами, які тягне електровоз на вершину коли є зайва енергія, а при дефіциті – вагони спускаються вниз, обертаючи двигуни в режимі генератора. Таку технологію випробовували в США (проект Advanced Rail Energy Storage – ARES). Хоча прототип довів працездатність, жодної комерційної реалізації поки немає​. Втім, ідею не полишають: компанії на кшталт згаданої Energy World пропонують нові проекти, що нагадують лижний підйомник з вантажами замість людей​. Розробники стверджують, що система канатної дороги з вагонетками може бути навіть ефективнішою за автономні баштові батареї.
• Ліфти в хмарочосах. Міські висотки щовечора простоюють зі своїми вантажними ліфтами – то чому б не використати ці шахти як акумулятор? Дослідники з IIASA (Австрія) запропонували концепцію Lift Energy Storage Technology (LEST): роботи-навантажувачі поміщають важкі баласти до ліфта, піднімають їх на верхні поверхи коли електрика дешева, а в години пік опускають вниз, виробляючи струм генераторами на ліфтових кабінах​. За оцінками вчених, впровадження такого у висотних будівлях світу може дати сумарно до 30 ГВт·год додаткових резервів енергії. Поки що це лише ідея на папері, але деякі компанії вже розглядають пілотні проекти встановлення гравітаційних систем у недіючих ліфтових шахтах хмарочосів​. Хтозна, можливо, офісні будівлі майбутнього вдень зароблятимуть, піднімаючи бетонні блоки у ліфтах під час обідньої перерви.

Як бачимо, фантазія інженерів безмежна: від гірських схилів до міських небоскребів – скрізь, де є різниця висот, можна потенційно накопичувати енергію. Найголовніше завдання – знайти рішення, яке буде економічно доцільним, безпечним і надійним у тривалій експлуатації.

Як і будь-яка технологія, гравітаційне зберігання енергії має свої переваги та виклики. Розглянемо їх докладніше:

• Довгий строк служби та мінімальна деградація. На відміну від хімічних батарей, гравітаційні накопичувачі не старіють від циклів заряду-розряду. Бетонному блоку чи сталевому вагону не шкодить тисячократне підняття, тоді як акумулятор поступово втрачає ємність. Термін експлуатації таких систем обчислюється десятиліттями – 50 і більше років роботи​. Це означає нижчу вартість володіння за життєвий цикл проекту​, адже інвестиція “відпрацьовує” себе дуже довго. За оцінкою BloombergNEF, рівень витрат на зберігання протягом повного циклу життя у гравітаційних батарей може бути нижчим, ніж у літій-іонних саме завдяки довговічності​.
• Низькі експлуатаційні витрати та безпека. Гравітаційній батареї не потрібен кондиційований ангар чи система пожежогасіння для чутливих реактивних хімікатів – вона по суті механічна. Обслуговування зводиться до періодичної перевірки двигунів, тросів та гальм. Немає ризику загоряння чи вибуху, як у акумуляторах, що перегрілися. До того ж еко-відповідальність таких сховищ висока: у їх складі немає рідкісних металів чи токсичних матеріалів, які потім треба утилізувати. Навпаки, для виготовлення тягарів часто використовують вторинну сировину (шахтний шлам, золу, відходи будівництва)​, перетворюючи сміття на корисний продукт. Замість гірської копальні літію – звичайний ґрунт або пісок як “зарядний елемент”.
• Тривале накопичення енергії. Гравітаційні системи оптимально підходять для довготривалого зберігання, від 6–8 годин до кількох діб. Вони вигідно відрізняються від літій-іонних батарей, у яких із збільшенням тривалості різко росте вартість (потрібно все більше батарейних модулів). У гравітаційній же батареї додавання годин ємності відносно дешевше: більший резервуар чи більше блоків коштує менше, ніж еквівалентна кількість акумуляторів​. Там, де потрібно накопичувати енергію з дня на день (наприклад, для енергосистем з високою часткою ВДЕ), гравітаційні сховища можуть бути економічно вигіднішими. За межами Китаю (де батареї дешевші) уже зараз деякі довготривалі технології випереджають літій-іон за вартістю на >8-годинних інтервалах​.

Втім, існують і недоліки, які стримують масове впровадження гравітаційних накопичувачів сьогодні:

• Низька енергетична щільність. “Бетонна” батарея потребує значно більшої інфраструктури, щоб зберегти ту саму кількість енергії, що й літієва”, – підкреслює експертка BNEF Евеліна Стойко​. Дійсно, підійняти на 100 метрів вантаж вагою 1 тонну – це лише 0,27 кВт·год енергії. Для мегават-годин потрібні тисячі тонн і десятки метрів висоти. Наприклад, китайська гравітаційна башта Energy Vault (100 МВт·год) займає цілий майданчик та сотні колон, тоді як 100 МВт·год літій-іонних батарей помістяться у пару складів. Через цю розрідженість енергії початкові капітальні витрати на гравітаційні сховища високі: багато матеріалу, бетону, сталевих конструкцій​. За даними BNEF, середня вартість таких систем поки перевищує показники альтернативних технологій довготривалого зберігання​.
• Обмежена швидкодія і гнучкість. Літій-іонні батареї славляться тим, що можуть миттєво віддавати потужність, реагуючи на коливання частоти чи цін на ринку за частки секунди. Це дозволяє операторам заробляти на пікових цінах буквально щохвилини. Гравітаційна ж батарея фізично інерційніша: потрібно кілька хвилин, щоб запустити процес опускання десятків вантажів і вийти на повну потужність. Швидко “спалахнути” на ринку балансуючих послуг вона не зможе. Як наслідок, прибутки від короткострокових коливань цін для таких сховищ нижчі, що подовжує строк окупності. Гравітаційні накопичувачі скоріше розраховані на планомірне заряджання/розряджання (напр., заряд вдень – віддача ввечері), а не на миттєві резерви.
• Географія та масштаб. Хоч гравітаційні батареї і “відв’язують” гідроакумуляцію від географії, їм все одно потрібні спеціальні умови. Для башт – достатньо місця й міцний ґрунт під фундаментом 100-метрової споруди; для шахт – наявність глибокої вертикальної шахти; для систем на схилах – відповідний рельєф. У щільних містах звести величезну вежу може бути складно (хоча ідея з хмарочосами може змінити це). Водночас, у віддалених пустелях чи степах, де багато ВДЕ, гравітаційні системи цілком реалізовувані. Проте їх не зробиш портативними чи масовими: кожен проект унікальний інженерно, тоді як батарейні модулі можна штампувати і розвозити куди завгодно.

Отже, нині літій-іонні накопичувачі домінують через стрімке падіння цін і відточену виробничу базу (значною мірою завдяки електромобілям)​. Гравітаційні ж технології – поки що ранні гравці, дорожчі та менш гнучкі. Але у нішах, де потрібне велике довготривале сховище і десятиліття роботи, “тяжіння” може взяти своє.

На 2024–2025 роки гравітаційне зберігання енергії лише робить перші кроки. Масштаб і низька ціна літій-іонних батарей наразі неперевершені​ – ринок систем накопичення стрімко зростає саме завдяки батареям, які дешевшають з кожним роком виробництва. Проте це не означає, що гравітаційні батареї не знайдуть свого місця. Адже вони призначені для іншого сегменту: тривалого резервування (6+ годин) та вирівнювання роботи енергосистем з великою часткою відновлюваних джерел​. В тих сценаріях, де батареї на основі літію стають надто дорогими або нетривкими (наприклад, зберігати енергію цілодобово чи помісячно), механічні сховища можуть виявитися оптимальними.

Для розкриття потенціалу гравітаційних технологій потрібен час та інвестиції. Експерти прогнозують, що довготривалі накопичувачі (LDES – long-duration energy storage) у наступному десятилітті отримуватимуть все більше уваги, адже декарбонізація вимагає рішень для балансування енергії в масштабі діб і тижнів​. Щоб конкурувати, гравітаційним стартапам треба довести надійність систем у полі та знизити витрати серійним виробництвом. Успішний запуск перших комерційних об’єктів (як EVx у Китаї та США) – важливий крок. Далі – масштабування і навчання на досвіді: як здешевити конструкції, оптимізувати автоматизацію, знайти найліпші місця для встановлення.

Державна політика також може дати поштовх. Наприклад, уряди можуть інвестувати у демонстраційні проекти на місці закритих шахт чи гірських рудників – це і розвиток регіонів, і користь для енергетики. Вже зараз у США виділяються кошти на інноваційні сховища на територіях колишніх видобувних підприємств​. Якщо декілька таких проектів покажуть успішні результати, приватний капітал охочіше інвестуватиме в технологію, не боячись ризиків.

Конкуренція технологій. Окрім гравітаційних, за ринок довготривалого зберігання змагаються й інші рішення: водневе паливо, ванадієві проточні батареї, високотемпературні теплові акумулятори, стиснене повітря тощо. Швидше за все, не буде одного універсального переможця – різні ніші закриють різні технології. Гравітаційні батареї можуть стати одним із важливих елементів цього “зоопарку” рішень. Вони особливо привабливі там, де є невикористані ресурси (глибока шахта, кар’єр, висока споруда) і потреба в довгих циклах. У таких умовах гравітація здатна бути найдешевшою: не треба будувати дамбу чи імпортувати літій, достатньо інженерної думки і сили тяжіння планети.

Гравітаційні накопичувачі енергії перетворюють древню силу – тяжіння Землі – на інноваційний інструмент для енергетики майбутнього. Піднімаючи важки вгору і спускаючи їх вниз, людство фактично створює “кам’яні батареї”, що зберігають літнє сонце для вечірніх потреб чи запасають енергію вітру на час штилю. Ця технологія ще молодa і проходить перевірку на економічність та надійність. Навряд чи в найближчі роки ми побачимо, як гравітаційні батареї повсюдно замінюють літій-іонні – останні поки впевнено лідирують. Але й не варто недооцінювати “важку вагу”: гравітаційне зберігання може зайняти свою важливу нішу у глобальній енергосистемі, забезпечуючи довготривалий резерв чистої енергії.

Уявіть собі через кілька десятиліть ландшафт зеленої енергетики: поруч із полями сонячних панелей та рядами вітряків височіють башти гравітаційних сховищ, а глибоко під землею в колишніх шахтах мовчки підіймаються і опускаються багатотонні вантажі, гарантуючи нам світло і тепло незалежно від примх природи. Сила гравітації, що мільярди років тримає планети на орбітах, може стати одним із рішень, які триматимуть нашу мережу в балансі. І це – захопливий приклад того, як інженерна думка здатна обернути фундаментальні закони фізики на благо сталого майбутнього.