Новый тип аккумуляторов набирает популярность благодаря способности сохранять сверхвысокую температуру

Крупные системы хранения электроэнергии преобразили электросети и автомобильную промышленность. Теперь стартапы рассчитывают, что не менее значительным прорывом станут «тепловые аккумуляторы»

Среди кукурузных полей на востоке Южной Дакоты начала работу установка для хранения энергии нового типа. Некоторые компании уверены, что лежащая в её основе идея способна изменить мировую энергетику.

Большинство крупных аккумуляторов запасают электричество и отдают его по мере необходимости. Они уже преобразили работу электросетей и открыли эпоху электромобилей. Установка стартапа Antora Energy, построенная за последний год, устроена иначе: она хранит огромное количество энергии в виде высокотемпературного тепла.

Для зарядки Antora использует избыточную электроэнергию близлежащих ветряных электростанций, которая иначе осталась бы невостребованной. С её помощью углеродные блоки нагревают до 2400 °C. Они сохраняют тепло несколько дней и по мере необходимости отдают его для выработки пара, который используется на соседнем заводе биотоплива. Это позволяет отказаться от сжигания природного газа и угля.

Пока в мире работает лишь несколько крупных тепловых аккумуляторов. Тем не менее эксперты считают, что технология теплового накопления энергии открывает возможности для использования огромных объёмов недорогой чистой электроэнергии.

«Мы хотим превратить это в глобальное энергетическое решение, — заявил Джастин Бриггс, соучредитель и главный операционный директор Antora из Сан-Хосе, штат Калифорния. — Наша цель — сделать дешёвую и надёжную энергию доступной в любой точке мира».

В последние годы интерес к хранению энергии заметно вырос, в том числе благодаря стремительному развитию ветровой и солнечной генерации. Эти источники дают недорогое электричество, но вырабатывают его неравномерно и нередко в то время, когда спрос невелик, например ветреной ночью. В результате периодически образуются излишки дешёвой энергии — при условии, что для них удастся найти применение.

Хранение такой энергии в виде тепла имеет ряд преимуществ.

Заводам требуется огромное количество тепла и пара для самых разных задач — от обжаривания картофельных чипсов до выплавки железа из руды. Как правило, высокие температуры получают за счёт сжигания угля или природного газа. При этом промышленность выбрасывает больше парниковых газов, вызывающих глобальное потепление, чем все автомобили мира вместе взятые. Тепловые аккумуляторы могут стать более чистой альтернативой.

На рынке уже появилось почти десять стартапов с собственными решениями для хранения тепловой энергии. Rondo Energy из Аламида, штат Калифорния, применяет раскалённые огнеупорные кирпичи. Другие компании используют керамические кирпичи, дроблёную породу или грунт.

Однако технология сталкивается с серьёзными препятствиями. Разработчикам ещё предстоит доказать, что их решения можно масштабировать, а материалы выдержат экстремальные температуры без разрушения. Во многих регионах нормативные ограничения мешают тепловым аккумуляторам использовать дешёвую возобновляемую электроэнергию.

Несмотря на то что вопросы климата отошли на второй план политической повестки, некоторые аналитики видят в технологии значительный потенциал. Война США против Ирана нарушила мировые поставки природного газа и побудила многие промышленные предприятия искать альтернативные источники энергии. Разработчики тепловых аккумуляторов, в том числе Antora и Rondo, также изучают возможность энергоснабжения центров обработки данных: технологические гиганты остро нуждаются в новых источниках электричества.

«У этой технологии огромные перспективы, — считает Джеффри Риссман, старший директор по вопросам промышленности независимой исследовательской организации Energy Innovation. — Мне сложно представить будущее с чистой промышленностью и экологичной электросетью, в котором не нашлось бы места для теплового хранения энергии».

Первые испытания

Один из крупнейших мировых производителей биотоплива, компания POET, владеет заводом этанола неподалёку от Биг-Стоун-Сити в Южной Дакоте. Ежедневно сюда прибывают около 150 грузовиков с тысячами бушелей кукурузы. Зерно измельчают, нагревают и перегоняют, получая автомобильное топливо.

Для перегонки необходима постоянная подача пара температурой около 177 °C. Долгие годы предприятие получало тепло в трёх огромных котлах, сжигая каждый день столько природного газа, сколько потребовалось бы для энергоснабжения десятков тысяч домов. Кроме того, завод использовал отработанный пар соседней угольной электростанции.

Теперь положение быстро меняется.

В один из ясных сентябрьских дней рабочие завершали установку теплового аккумулятора Antora через дорогу от завода этанола. Подавать горячий пар предприятию система начала ещё в начале года.

Южная Дакота хорошо подходит для таких испытаний: здесь периодически возникает избыток дешёвой электроэнергии. Ветряные турбины вырабатывают 60 процентов электричества штата, но ограничения линий электропередачи нередко мешают доставить его потребителям. В ветреную погоду оптовые цены могут падать почти до нуля, а сетевым операторам иногда приходится отключать турбины, чья выработка не востребована.

Из диспетчерской сотрудники Antora наблюдают за состоянием местной электросети. Когда цена опускается достаточно низко, аккумуляторы начинают заряжаться; когда она растёт, зарядка останавливается. Именно это во многом определяет экономическую привлекательность технологии.

«Мы берём электричество, когда его много, оно стоит дёшево и больше никому не требуется, — объяснил Бриггс, основавший компанию вместе с партнёрами в 2018 году. — Для нас было важно не создавать дополнительную нагрузку на сеть».

Электроэнергия поступает на крупные резистивные нагреватели, похожие на элементы тостера. Они разогревают сотни углеродных блоков, помещённых в стальные модули размером с грузовой контейнер. При высокой температуре блоки раскаляются добела и передают энергию циркулирующему теплоносителю, который затем используют для производства пара.

Аккумулятор Antora накапливает энергию быстрее, чем расходует её в виде тепла. Полного заряда хватает на непрерывную подачу пара в течение 100 часов, даже если ветровая генерация надолго снижается.

В POET пока довольны результатами и рассчитывают отключать газовые котлы на большую часть года. По словам представителей компании, пар от Antora обходится примерно столько же, сколько покупка природного газа. Есть и дополнительная выгода: сокращение выбросов парниковых газов позволяет POET претендовать на более крупную федеральную налоговую льготу для производителей низкоуглеродного биотоплива.

«У нас сложилось успешное партнёрство, — отметил президент и главный операционный директор POET Джефф Лаутт. — Мы готовы повторить этот опыт на другом предприятии, если это окажется целесообразным».

Хотя тепловое хранение энергии может помочь климату, его поддерживают представители обеих основных политических партий США. После запуска проекта Antora губернатор-республиканец и сенаторы от Южной Дакоты высоко оценили инициативу. Многим консерваторам близка идея круглосуточного энергоснабжения с использованием материалов местного производства. Углеродные блоки можно делать из побочных продуктов нефтяной и угольной промышленности, причём, в отличие от многих других аккумуляторных систем, они не зависят от китайских компонентов.

«Это не просто нишевая технология, — сказал Питер Лейк, до недавнего времени занимавший пост старшего директора по электроэнергетике в Национальном совете по энергетическому доминированию администрации Трампа. — Её отличают простота и элегантность».

Недавно Antora сообщила о соглашении на поставку теплового аккумулятора ещё одному заводу этанола в Канзасе, принадлежащему Pratt Energy. При этом, по словам Бриггса, такие системы подходят не только для производства биотоплива: они способны обеспечивать теплом множество процессов, от изготовления бумажной массы до выпуска цемента.

«Почти в каждой крупной отрасли есть паровые системы, к которым можно подключиться», — отметил он.

Потребность в тепле

Конкурирующие проекты появляются один за другим.

Rondo Energy, один из основных соперников Antora, применяет возобновляемую электроэнергию для нагрева огнеупорных кирпичей до 1500 °C. Стартап уже поставляет пар на завод биотоплива в Калифорнии и цементное предприятие в Таиланде. В рамках будущего проекта компания планирует использовать солнечную энергию, полученную днём, для теплоснабжения принадлежащего Heineken пивоваренного завода в Португалии.

Генеральный директор Rondo Эрик Трушевич отмечает, что тепловое накопление становится финансово привлекательнее благодаря удешевлению возобновляемой энергии и недавним перебоям на нефтегазовых рынках, вызванным войнами на Украине и Ближнем Востоке.

«В целом мы не стремимся продавать технологию там, где она не даёт существенной экономии по сравнению с ископаемым топливом, — сказал Трушевич. — Пять лет назад таких рынков было немного. Сейчас к ним относится очень большая часть мира».

Чтобы конкурировать с природным газом, аккумуляторы должны стоить очень дёшево. Antora рассчитывает ускорить их выпуск: модули будут производить на заводе, а затем доставлять грузовиками на площадки для быстрого монтажа. По данным компании, установка в Южной Дакоте, одна из крупнейших аккумуляторных систем в мире, была построена менее чем за год.

«Теперь нам нужно доказать, что мы можем делать это в глобальном масштабе», — сказал Бриггс.

Согласно недавнему исследованию Национальной лаборатории Скалистых гор, во многих регионах тепловое хранение энергии потенциально может быть выгоднее природного газа. Если аккумуляторы продолжат дешеветь, со временем они смогут покрывать до трети потребности промышленности США в тепле.

Это стало бы важным шагом в борьбе с изменением климата: на производство промышленного тепла приходится около 10 процентов глобальных выбросов парниковых газов — больше, чем на автомобили или самолёты.

«До сих пор промышленному теплу уделяли сравнительно мало внимания, — сказала Мелисса Халтинг, директор по декарбонизации промышленности некоммерческой организации Center for Climate and Energy Solutions. — Тепловые аккумуляторы действительно способны изменить ситуацию».

Вместе с тем исследование выявило серьёзную проблему.

Во многих частях страны тепловым аккумуляторам трудно заряжаться исключительно в часы избытка дешёвой электроэнергии: местные правила не предусматривают почасового изменения розничных тарифов. В Южной Дакоте Antora потратила немало времени на переговоры с местной энергокомпанией Otter Tail Power о новой системе тарифов. Изменение правил в сотнях коммунальных компаний и энергосистем может занять много времени.

«Нам предстоит преодолеть инерцию, — отметил Мэтт Шуэргер, бывший член Комиссии по коммунальным предприятиям Миннесоты. — Как это часто бывает с новыми технологиями, многие действующие правила появились задолго до тепловых аккумуляторов».

Интерес центров обработки данных

В последнее время некоторые инвесторы заинтересовались возможностью применять тепловые аккумуляторы для энергоснабжения центров обработки данных, необходимых для работы искусственного интеллекта и потребляющих огромное количество энергии.

Технологические компании ищут электричество из любых доступных источников, особенно способных обеспечивать непрерывную выработку, таких как природный газ. Но ожидание поставки газовых генераторов может растянуться на годы.

В Antora и Rondo утверждают, что пар от тепловых аккумуляторов способен приводить в движение простые паровые турбины. Их легче приобрести, и они могут обеспечивать центры обработки данных стабильной подачей электричества. Превращать электричество сначала в тепло, а затем снова в электричество кажется неэффективным. Однако аналитики полагают, что такой подход может быть оправдан, если аккумуляторы удастся быстро установить.

В июле Antora привлекла 550 миллионов долларов инвестиций. Некоторые участники финансирования заявили, что особенно заинтересованы в применении технологии для энергоснабжения центров обработки данных.

«Промышленное тепло открывает большие возможности, но рынок центров обработки данных просто огромен, — сказал Джо Фат, партнёр и руководитель направления роста инвестиционной компании Eclipse, одного из ведущих участников раунда финансирования Antora. — Думаю, со временем именно это направление, скорее всего, станет главным двигателем роста».

 

Источник