Журавли - привычное украшение практически любого города, но один в швейцарском городе Тичино, недалеко от границы с Италией, выделялся бы где угодно: у него шесть рукавов. Эта 110-метровая морская звезда не предназначена для строительства. Он призван доказать, что возобновляемую энергию можно накапливать, поднимая тяжелые грузы, и направлять, выпуская их.

Energy Vault , швейцарская компания, построившая эту структуру, уже начала программу испытаний, которая приведет к ее первому коммерческому развертыванию в 2021 году. По крайней мере, один конкурент, Gravitricity , в Шотландии, приближается к той же точке. И есть по крайней мере две компании с похожими идеями, New Energy Let's Go и Gravity Power , которые ищут финансирование для продвижения вперед.

Безусловно, почти все действующие в настоящее время в мире хранилища энергии, которые могут вырабатывать в общей сложности 174 гигаватт, полагаются на силу тяжести. Насосные гидроаккумуляторы , в которых вода перекачивается на более высокую высоту, а затем возвращается через турбину для выработки электроэнергии, долгое время доминировали в сфере хранения энергии. Но для гидроаккумуляции требуется очень специфическая география - два больших резервуара с водой на высоте с вертикальным разделением, которое велико, но не слишком велико. Так что создавать новые сайты сложно.

Energy Vault, Gravity Power и их конкуренты стремятся использовать один и тот же базовый принцип - поднимать массу и позволять ей упасть - при создании хранилища энергии, которое может поместиться практически в любом месте. В то же время они надеются получить лучшие батареи - новую любимицу возобновляемых источников энергии - за счет более низких долгосрочных затрат и меньшего количества проблем, связанных с окружающей средой.

В действии башни Energy Vault постоянно складываются и разложены по 35-тонным кирпичам, уложенным концентрическими кольцами. Кирпичи во внутреннем кольце, например, могут быть сложены в стопку для хранения 35 мегаватт-часов энергии. Затем шесть рычагов системы будут систематически разбирать ее, опуская кирпичи, чтобы построить внешнее кольцо и при этом выделять энергию.

Эта игра с Jenga, в которой хранится джоуль, может быть сложной. Чтобы поддерживать постоянную мощность, один блок должен ускоряться, а другой - замедляться. «Вот почему мы используем шесть рук», - объясняет Роберт Пикони, генеральный директор и соучредитель компании.

Более того, система управления должна компенсировать порывы ветра, отклонение крана при подъеме и укладке кирпичей, удлинение кабеля, эффекты маятника и многое другое, - говорит он.

Пикони видит несколько преимуществ перед батареями. Преимущество №1 - экологическое. Вместо химически активных и трудно перерабатываемых литий-ионных батарей, основными расходами Energy Vault являются сами кирпичи, которые можно изготовить на месте, используя имеющуюся грязь и отходы, смешанные с новым полимером от цементного гиганта Cemex из Мексики. . 

Еще одним преимуществом, по словам Пикони, являются более низкие эксплуатационные расходы, которые, по расчетам компании, примерно вдвое меньше, чем у аккумуляторной установки с эквивалентной емкостью. Батарейные хранилища должны постоянно заменять элементы по мере их разрушения. Но это не относится к инфраструктуре Energy Vault.

Стартап достаточно уверен в своих цифрах, чтобы утверждать, что в 2021 году будет запущено несколько коммерческих установок. По словам Пикони, в 2019 году Energy Vault привлекла 110 миллионов долларов США на строительство демонстрационного блока в Тичино и подготовку к «строительству на нескольких континентах».

Иллюстрация энергетической шахты.
Иллюстрация: гравитация
Энергетическая шахта: подъем и опускание груза в сотни метрических тонн в заброшенной шахте глубиной в километр, как показано на рендере этого художника, может быстро накапливать и доставлять энергию.
По сравнению с усилиями Energy Vault, схема накопления энергии Gravitricity кажется простой. Вместо шестирующего крана, перемещающего блоки, Gravitricity планирует поднимать и опускать один или несколько гораздо более тяжелых грузов вверх и вниз по заброшенным шахтным стволам глубиной в километр.

Эти огромные массы, каждая от 500 до 5000 метрических тонн, должны перемещаться всего лишь со скоростью несколько сантиметров в секунду для получения выходной мощности мегаваттного уровня. Использование единого веса подходит для приложений, которым требуется высокая мощность быстро и на короткое время, например, для устранения посекундных колебаний в сети и поддержания частоты сети, объясняет Крис Йенделл, менеджер по развитию проектов Gravitricity. По его словам, системы с несколькими весами больше подходят для хранения большего количества энергии и выработки в течение более длительных периодов времени. 

Доказательство мгновенного отклика - основная задача демонстратора концепции мощностью 250 киловатт, который Gravitricity строит в Шотландии. Его 50-тонный вес будет подвешен на высоте 7 метров на решетчатой ​​башне. Тестирование должно начаться в первом квартале 2021 года. «Мы ожидаем, что сможем достичь полной генерации менее чем за одну секунду после получения сигнала», - говорит Йенделл.

Компания также будет разрабатывать участки для полномасштабного прототипа в 2021 году. «В настоящее время мы поддерживаем связь с владельцами шахт в Европе и Южной Африке, [и мы] определенно заинтересованы в Соединенных Штатах», - говорит Йенделл. Такая полномасштабная система будет запущена в 2023 году.

Иллюстрация того, как работает идея Gravity Power. 
Иллюстрация: Gravity Power
Сила поршня: в схеме силы тяжести поршень с массой в миллионы метрических тонн поднимается давлением воды для хранения энергии. Когда поршень падает, вода проходит через генератор для выработки электричества.
Gravity Power и ее конкурент New Energy Let's Go, которая приобрела свою технологию у обанкротившейся Heindl Energy , также ищут подземные хранилища энергии, но их больше вдохновляет гидроаккумулятор. Вместо того, чтобы накапливать энергию в резервуарах на разной высоте, они закачивают воду под землю, чтобы поднять чрезвычайно тяжелый поршень. Когда поршень падает, вода проходит через турбину для выработки электроэнергии.

«Резервуары - это ахиллесова пята гидроцилиндров, - говорит Джим Фиск, основатель компании. «Вся цель Гравитационной электростанции - устранить необходимость в резервуарах. [Наши установки] позволяют нам размещать гидроаккумулирующие мощности и накопители на равнине от 3 до 5 акров [1-2 га] ».

По оценкам Фиске, на заводе мощностью 400 мегаватт с 16 часами хранения (или 6,4 гигаватт-часов энергии) поршень будет более 8 миллионов метрических тонн. Это может показаться нелепым, но это вполне соответствует грузоподъемности современных насосов и ограничениям строительных процессов, - говорит он. 

Хотя эти компании ожидают, что такие подземные хранилища будут более экономичными, чем установки батарей, они все равно будут дорогими. Но страны, обеспокоенные изменением климата, могут быть готовы платить за такие варианты хранения, когда осознают серьезность кризиса.