Всем хороша ветроэнергетика, да ненадежна. Дозвониться до небесной канцелярии с мольбой сменить штиль на бурю в час, когда домохозяйки дружно врубают электрочайники и стиралки, еще никому не удалось. И энергетикам приходится просить ТЭЦ срочно подбросить в топки кокса, чтобы от перегрузок не задымили опорные подстанции

Занимательная термодинамика С ростом давления в резервуаре закачиваемый в него воздух нагревается. Выходя из замкнутого объема, воздух, напротив, резко охлаждается до арктических температур. В первом случае тепло нужно собрать или хотя бы рассеять, во втором воздух необходимо нагреть до того, как он соприкоснется с турбинами и вызовет обледенение. По способу утилизации тепла и нагревания воздуха установки CAES делятся на диабатические, адиабатические и изотермические.

Еще пять лет назад доля ветряных электростанций в общей генерации электричества составляла не более процента, и их вынужденный простой в периоды безветрия легко перекрывался традиционными пиковыми электростанциями-бустерами на природном газе. Но уже сегодня в Дании, Германии, Великобритании и США ветроэнергетика достигла такого уровня развития, что перебои в ее работе могут стать причиной блэк-аута целых регионов, а в некоторых случаях даже привести к техногенным катастрофам. На рубеже десятилетий всем стало ясно, что в цепочке «генерация-потребление» не хватает еще одного, промежуточного звена — энергетического буфера-накопителя.

Запас электричества нужен и «на всякий пожарный», и для плановой амортизации пиковых дневных нагрузок. К тому же энергетики частенько вынуждены отключать ветряки от силового кабеля, когда сети и так забиты энергией под горлышко, а ветерок крепчает. Непозволительная роскошь — вхолостую рубить лопастями воздух, когда каждый киловатт на рынке стоит немалых денег. С консервацией небольших порций энергии — от 0,5 до 10 МВт — на стадии «последней мили» успешно справляются стационарные электрохимические аккумуляторы, маховики и даже системы SMES на сверхпроводящих магнитах. А в какую тару можно утрамбовать сотню-другую мегаватт электричества? И в какой форме?

С давних пор для создания массивных запасов энергии использовалась гидроаккумуляция, основанная на взаимодействии двух водоемов, один из которых находится выше другого. В ночные периоды избыточной генерации и низких нагрузок на сеть вода закачивается из нижнего водоема (бьефа) в верхний при помощи насоса. Днем и вечером, когда электричество подскакивает в цене, вода сливается обратно, вращая по пути турбину.

Для ГАЭС требуются огромные искусственные бьефы с разницей высот до 400 м и системы сброса воды со скоростью потока до 850 м3/с. В настоящее время строительство крупных систем не ведется, а вот небольшие проекты по адаптации заброшенных шахт и прибрежных морских районов в качестве нижних бьефов активно разрабатываются в США, Японии и Европе. Крупнейшие в мире действующие ГАЭС — станция Бат-Каунти в Виргинии стоимостью $1,6 млрд, способная аккумулировать до 2,77 ГВт энергии, и китайский комплекс в Гуанчжоу на одном из притоков Жемчужной реки с верхним бьефом емкостью 2,4 ГВт.

Очевидно, что в схеме ГАЭС масса прорех, в которые буквально утекает хранящаяся в них энергия. Тем не менее их использование в качестве непробиваемых амортизаторов для больших энергосистем экономически оправдано.

Энергетика с турбонаддувом

Альтернативный способ упаковки электричества предполагает получение ранее произведенной энергии прямо из воздуха. Разработка технологии пневмоаккумуляции CAES (Compressed Air Energy Storage) началась в Германии и США в 1947 году, и уже через год был запатентован метод хранения сжатого воздуха в искусственных подземных пустотах. Последующие 30 лет ученые отрабатывали методы формирования полостей в залежах каменной соли и известняка. В результате в 1978 году в немецком Хюнторфе был запущен в эксплуатацию первый в мире коммерческий пневмоаккумулятор емкостью 290 МВт. Его основа — две изолированные соляные каверны суммарным объемом 300000 м³, расположенные на глубине 600−800 м и соединенные с внешним компрессором-генератором фиберглассовыми трубами. Излишек энергии в сетях в ночное время раскручивает компрессоры, набивая подземные «баллоны» воздухом под давлением до 75 атм. В пиковые же периоды потребления воздух проделывает обратный путь в атмосферу, оставляя на каскаде турбогенераторов накопленные джоули. Таким же образом функционирует и вторая вмире CAES в американском Макинтоше мощностью 110 МВт, построенная в 1991 году на базе бывшего газохранилища.

В форме сжатого воздуха энергия с минимальными потерями может храниться в течение года и более. В сравнении с обычными пиковыми газовыми установками, используемыми для сглаживания графика потребления, CAES работают в два-три раза быстрее: с нуля до 100% мощности они раскручиваются всего за восемь-девять минут, а переход с 50% мощности до режима полного форсажа занимает менее 15 секунд. Кроме того, CAES очень надежны. За 30 лет эксплуатации станции в Хюнторфе единственной поломкой было частичное разрушение устья труб, а в Макинтоше все элементы системы работают без нареканий до сих пор. И если технология ГАЭС постепенно «мельчает» и переходит на «тактический» уровень, то пневмоаккумуляция в последние годы, наоборот, становится фаворитом большой альтернативной энергетики.

Технология CAES не так проста, как кажется поначалу. Во‑первых, для постройки пневмоаккумулятора необходимо найти вблизи генерирующих мощностей подходящие участки для формирования подземных полостей. Брошенные шахты также могут использоваться в качестве рабочих резервуаров. К примеру, известняковые горные выработки Нортон Майн в США в 2010 году были признаны учеными из Национальной лаборатории Sandia вполне пригодными для хранения 2 ГВт энергии.

После того как геологи, гидрологи и сейсмологи проведут тщательный анализ проекта и дадут добро на его реализацию, в работу вступают горняки. На глубину несколько сотен метров пробивают один или несколько шурфов, через которые подают химический раствор, превращающий соли или известняк в водянистую кашу. Насосы откачивают получившуюся массу на поверхность. Процесс продолжается до тех пор, пока полученная каверна не достигнет требуемых конфигурации и объема. Далее шурфы обсаживают трубами большого диаметра из стойких к коррозии материалов. На последнем этапе над хранилищем возводится силовой блок, состоящий из компрессора, расширителя, турбин высокого и низкого давления, генератора, системы управления и силовых кабелей.

Кроме того, в зависимости от типа CAES, в состав наземных сооружений могут входить ветка газопровода, тепловые аккумуляторы и теплообменники. А типов этих три: диабатический (к нему относятся упомянутые выше Хюнторф и Макинтош), адиабатический и изотермический.

Согревающая физика

Установки CAES различаются по технике использования огромного количества бросового тепла, выделяющегося в процессе быстрого сжатия воздуха до 70 атм и более. В диабатических системах при сжатии тепло отводится от форсунок компрессора и примитивно рассеивается в атмосфере, а на стадии расширения стремительно охлаждающийся до арктических температур воздух смешивается с природным газом. Полученная смесь сгорает, раскручивая турбины. Сгорание газа не только и не столько повышает давление в турбине, сколько защищает лопатки от обледенения. Несмотря на такую расточительность, по расходу теплоты на 1 кВт•ч вырабатываемого электричества тот же Макинтош вдвое выигрывает у одной из самых эффективных пиковых газовых электростанций General Electric серии 7FA 2x1.

В адиабатических установках, ни одна из которых на сегодняшний день еще не построена «в железе», теплоноситель через сложную систему теплообменников «закачивается» в хранилище-термос и используется для прогрева воздуха на выходе. Дополнительный нагрев при помощи газа требуется минимальный или вообще не нужен. Разумеется, даже с учетом неизбежных потерь части тепловой энергии при длительных сроках хранения термический КПД адиабатических CAES должен быть значительно выше, чем у диабатических: 70% и более против 54−55%.

Изотермические установки, как и адиабатические, пока существуют только в виде математических моделей и макетов. Исходя из названия, воздух в таких системах при сжатии почти не нагревается, а при расширении почти не охлаждается. Следовательно, термоподготовки воздуха перед подачей его на лопатки турбин в данной схеме не требуется. Добиться этого на практике можно лишь при очень медленном сжатии и расширении. Поэтому изотермические хранилища большой емкости с достаточными скоростями заряда и разряда будут строиться из множества «медленных» модулей. Строительство первой такой установки начнется уже в этом году в Техасе.

Подводные монгольфьеры

Впрочем, многие эксперты, в частности Симус Гарви, физик из британского университета Ноттингем, полагают, что искать наиболее эффективные решения для станций CAES следует не под землей, а под водой. Профессор Гарви — давний фанат альтернативной энергетики. В 2010 году он стал знаменитостью, взбудоражив научный мир оригинальной идеей гигантских ветряков мощностью 20 МВт с диаметром ротора 230 м. Вместо традиционной трехлопастной схемы Гарви предложил использовать восемь лопастей, причем внутри каждой из них имеется вертикальный цилиндр со свободно перемещающимся под действием силы тяжести поршнем. Падая со 100-метровой высоты под действием гравитации, поршни весом около тонны каждый будут поочередно закачивать небольшие порции воздуха в пневмоаккумулятор.

По мнению Гарви и его коллег, оптимальная среда для размещения энергохранилищ CAES — морское дно на глубинах порядка 600 м вблизи крупных ветровых ферм. При этом сами емкости должны быть эластичными- этакие воздушные шарики размером с автобус, заякоренные на дне при помощи тросов из сверхпрочного волокна Vectran и бетонных глыб. Благо такие конструкции, проверенные экстремальными космическими нагрузками, уже имеются. В 2006 и 2007 годах на орбиту были запущены два спутника NASA серии Genesis, оснащенные надувными элементами Thin Red Line из армированной полиэфирными волокнами бутиловой смолы. Структурную прочность им придавал гибкий каркас, сплетенный из тончайшей стальной нити и арамида. Точно такие же облюбовал и Гарви.

В промышленных подводных аккумуляторах (а Гарви абсолютно убежден, что к 2020 году ветроэнергетика Британии будет обладать пневмобуфером емкостью 200 ГВт) будут использоваться каскады шаров «водоизмещением» 6 и более тысяч кубов каждый. При этом энергетикам удастся еще и сэкономить! По стоимости 1кВт технология Гарви выигрывает уГАЭС в пять-десять раз, у продвинутой электрохимии — в 100−200, а у экзотических сверхпроводящих магнитов — в 1000 раз.

Разумеется, подводное хранилище будущего просто обязано бережно использовать каждый джоуль энергии. Во время зарядки баллонов тепло будет адсорбироваться специальным плавучим «термосом», состоящим из множества изолированных прослоек: во внешние закачивается морская вода, средние заполняются пемзой с пропиткой из минеральных масел, а внутренние, самые «нагруженные» — высокотемпературным соляным расплавом. Таким образом, в режиме разряда расширяющийся воздух сможет прогреваться до 450 °C на тепловой энергии, запасенной при сжатии. Этого вполне достаточно, чтобы не использовать газ или мазут для эффективной работы турбины.

По расчетам Гарви, его установка способна возвратить в сеть не менее 85% электричества, выработанного впрок ветряками. В настоящее время в Университете Ноттингема ведется тестирование основных компонентов системы. И если все пройдет удачно, то Стрибог будет окончательно разжалован из всемогущего божества в рядовые поставщики дешевой энергии для наших чайников и стиралок.