Исследователи из Португалии оценили варианты хранения энергии сжатым воздухом в глубинных пористых породах: в лучшем случае один резервуар обеспечит энергией небольшой город.
Хранить энергию под землёй может показаться научной фантастикой, но для геологов это далеко не новая практика. О ней известно ещё с 1970-х годов, когда в Германии провели первые эксперименты в соляных кавернах. Эта технология открывает целый спектр возможностей для возобновляемой энергетики и решения проблемы её хранения.
РЕКЛАМА
РЕКЛАМА
«Одна из проблем энергетического перехода в том, что у нас становится больше энергии из возобновляемых источников, но мы не можем её сохранить», - объясняет Euronews Рикарду Перейра, исследователь GeoBioTec факультета наук и технологий Нового университета Лиссабона. «Мы можем использовать этот избыток электроэнергии и временно хранить его в породах в недрах, на глубине 500, 1000, 2000 метров», - продолжает португальский учёный.
«Используя землю, породы как своего рода батарею, мы можем накапливать такие объёмы энергии, которых достаточно, чтобы питать небольшие города, и в этом главное преимущество этой технологии».
В случае пористых пород процесс заключается в том, что компрессоры сжатого воздуха работают за счёт избыточной электроэнергии, производимой, например, ветряными турбинами или солнечными панелями. Затем этот воздух, без водорода и CO2, то есть без риска взрыва, по скважине закачивается в глубокий пласт пористой породы.
Воздух заполняет пустоты между зёрнами породы, которые обычно заняты непригодной для питья солёной водой. Эта вода вытесняется, не загрязняя ничего, что используется для человеческого потребления. Воздух остаётся там под давлением, как «заряженная» батарея, и может использоваться по мере необходимости.
Когда в сети требуется энергия, сжатый воздух поднимается по скважине, расширяется, и эта энергия приводит в действие турбины на поверхности, которые вырабатывают электричество по принципу обычной электростанции, только без сжигания топлива.
Рикарду Перейра - один из португальских учёных, подготовивших исследование, целью которого было оценить, какой объём энергии можно было бы хранить с учётом особенностей различных горных пород.
«В этом исследовании мы оцениваем, сколько энергии реально можно было бы аккумулировать на разных глубинах с учётом геологических условий и различных физических или термодинамических параметров», - поясняет он Euronews. По его словам, в результате анализа были «разработаны разные сценарии», которые позволяют «оценить максимальное количество энергии, которое можно хранить на различных глубинах».
Энергия в резерве для целого города
Среди приоритетов Европейской комиссии в энергетике - увеличение мощности по хранению энергии, которое признаётся «незаменимым». Сейчас в Европе установлено около 55 гигаватт мощностей хранения. Цель - довести этот показатель до 200 гигаватт к 2030 году, чтобы снять сетевые ограничения, уменьшая риск блэкаутов и зависимость от импортируемого ископаемого топлива.
Именно этот дефицит гигаватт может частично покрыть хранение сжатого воздуха в пористых породах. В отличие от литий-ионных батарей, которые сейчас доминируют в этой гонке, эта технология рассчитана на длительное хранение энергии и использует природный ресурс, доступный в больших объёмах.
Исследование, выполненное в партнёрстве учёных Нового университета Лиссабона и Института Дом Луиш факультета наук Лиссабонского университета и опубликованное в журнале Geoenergy (источник на португальском языке), показало, что по рассмотренным сценариям «наиболее выгодным является единый адиабатно-изобарический резервуар, способный обеспечить плотность энергии до 156 кВт·ч/м³ и достичь ёмкости хранения до 1 ТВт·ч при максимальной глубине эксплуатации 3000 м».
«Разумеется, это максимально благоприятный сценарий, когда совпадают все оптимальные условия», - подчёркивает Рикарду Перейра, добавляя, что эти значения всё же «дают представление о максимальных масштабах и потенциале» такой системы.
«Между минимально оценённым значением и максимально возможным, тоже оценочным, существует целый спектр вариантов, но это исследование показывает, что один-единственный резервуар, а мы говорим о моделировании конкретного случая в наилучших условиях, с ёмкостью 1 ТВт·ч очень близок к потреблению некоторых средних по размеру городов Португалии».
«Black start»: удалось бы смягчить последствия блэкаута?
Помимо большой ёмкости, эта система работает по принципу так называемого «black start», то есть даёт возможность запускать электрическую систему без подключения к общей сети.
«Сжатый воздух реагирует практически мгновенно, поэтому такую установку можно включать и отключать почти моментально», - объясняет исследователь. Это позволяет стабилизировать электросеть, что особенно полезно в ситуациях вроде иберийского блэкаута. «Возможно, если бы такие системы уже работали в 2025 году, удалось бы избежать части этих проблем», - считает Рикарду Перейра.
«Разумеется, масштабы того блэкаута были гораздо шире, и это не стало бы чудесным рецептом для решения подобной ситуации, (...) но это помогло бы управлять мощностью в сети».
По словам исследователя, сейчас ведётся работа по определению зон и географических условий в Португалии, где можно было бы внедрять такие проекты, однако уже полученные результаты позволяют сделать ясные выводы, которые помогают этому картированию.
«Именно это - один из действительно новаторских моментов исследования: оно показывает, что чем глубже расположен наш резервуар в пористых породах, тем больше энергии удаётся высвободить», - отмечает Рикарду Перейра. Таким образом, по его словам, можно «сопоставить это с потреблением в некоторых прибрежных населённых пунктах, прежде всего в более индустриализированных городах, и оценить, как это может повлиять на декарбонизацию целых регионов и на повышение их энергетической независимости от ископаемого топлива».
Среди территорий с наибольшим потенциалом называются Лиссабон и Алмада, оба города с высокой плотностью населения и развитой промышленностью.
Главный барьер - законодательство
Пока что в Португалии эта технология существует лишь на бумаге. По оценке учёного, до её практического применения остаётся от пяти до десяти лет, с учётом всех необходимых этапов: геологические исследования, бурение скважин, пилотный проект и ввод в эксплуатацию.
«Нужно провести целый комплекс исследований, начиная с детального изучения геологии недр в выбранном районе. Каждый проект сам по себе - технический вызов, поэтому даже предварительные исследования занимают значительное время», - поясняет он.
По словам Рикарду Перейры, с точки зрения экономической целесообразности хранение энергии с помощью сжатого воздуха выглядит «очень выгодным» решением, особенно если сравнивать затраты с другими технологиями, например с зелёным водородом, «который пока что очень дорог».
По его данным, Китай - один из основных инвесторов в подобные проекты, там уже реализуется и планируется несколько таких систем. В Европе наибольший прогресс у Германии, где разрабатывается ряд проектов, хотя серьёзных результатов пока немного, в том числе потому, что «на проектирование таких технологий, на всю инженерию и запуск в работу уходят годы».
В Португалии главным препятствием остаётся не экономика, а регулирование.
«Насколько мне известно, на сегодняшний день в Португалии нет специального законодательства, которое позволяло бы реализовывать такие проекты. Всё, что находится под нашими ногами, принадлежит государству, то есть всем нам, поэтому для подобных технологий нужна отдельная нормативная база, так же как она уже существует для хранения CO2», - отмечает исследователь.
«Даже если бы нашлась смелая компания, готовая инвестировать в исследования, затем в пилотный проект и, в конечном счёте, в промышленную установку, без закона это невозможно. (...) Сейчас существует реальный барьер, который не позволяет португальским компаниям даже начать сколько-нибудь основательное исследование».
По словам Рикарду Перейры, Португалии ещё предстоит детально оценить, как эта технология повлияет на энергопотребление в национальном масштабе. «Можно представить, что если в каком-то районе мы сможем сократить потребление природного газа ночью на 5, 10 или 15 процентов, какой эффект это даст на местном или даже национальном уровне», - говорит он, подчёркивая, что страна располагает обширной геологической зоной с большим потенциалом.
«Если посмотреть на геологию, то на первом этапе мы говорим о полосе от Лиссабона до Авейру - это так называемый Лузитанский бассейн, где залегают породы, потенциально пригодные для использования как резервуары. Это огромная территория и одновременно одна из самых индустриализированных в стране, где широко развита ветровая, солнечная и даже гидроэнергетика, то есть есть достаточно энергии, чтобы питать такой процесс».
С учётом уже выполненных исследований, с точки зрения экологической устойчивости Рикарду Перейра считает, что «эта методика вполне жизнеспособна». По его мнению, она может стать решением для энергосистемы, и при выполнении ряда условий «возможно, через десять лет, если всё пойдёт хорошо, у нас уже будут работающие установки на сжатом воздухе, которые помогут управлять сетью и уменьшать проблемы с энергетикой доступным образом и по приемлемой цене».