Песочная батарея: там, где не справляется солнце
В Финляндии начала работу первая в мире промышленная песочная батарея. Высокотемпературный накопитель тепла от компании «Polar Night Energy» в мае этого года был введен в эксплуатацию на территории электростанции Ватаянкоски в городке Канкаанпяа в нескольких часах езды от Хельсинки.
Технология поможет решить одну из главных проблем зеленой энергетики — круглогодичное и надежное энергоснабжение пользователей. Тепло будет поступать в дома даже тогда, когда нет ни ветра, ни солнца. Это особенно актуально для морозной финской зимы.
Система хранения тепловой энергии организована вокруг большого теплоизолированного стального бака размером 4 м в ширину и 7 м в высоту. Резервуар содержит 100 т обычного песка, высушенного и очищенного, в том числе от огнеопасного мусора. Сюда поступает избыточное тепло от серверов данных станции Ватаянкоски, а также «зеленое» электричество, полученное от солнечных панелей и ветрогенераторов.
При помощи резистивного нагрева при прохождении через проводник электрическая энергия преобразуется в тепловую (аналогичный принцип работы у электрических каминов) и далее за счет теплообменника распространяется по резервуару, разогревая песок до температуры 500-600ºС.
Благодаря высокой теплоемкости и тугоплавкости песок может хранить тепло от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в течение нескольких месяцев, по заказу обеспечивая экологически чистое централизованное теплоснабжение города. Батарея будет нагревать воду для теплоцентрали, к которой подключены дома 35 тыс. жителей района. Предполагается, что аккумулятор мощностью 100 кВт и энергоёмкостью 8 МВт/ч начнет полноценно функционировать уже этой зимой, обогревая дома запасенной с осени энергией.
По заверениям разработчиков, песок гораздо дешевле литий-ионных или проточных аккумуляторов, гравитационных установок и установок на расплавах солей, которые сегодня используют для стабильной работы возобновляемой энергетики. Все оборудование простое и дешевое. Работает система автоматически, с минимальными затратами и КПД 99 %. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) в данный момент разрабатывает аналогичную песочную батарею. Однако финны первыми создали работающую коммерческую систему.
«Превращать электричество в тепло легко, но если в обратную сторону, то нужны турбины и более сложное оборудование», — отметил в одном из интервью Маркку Илонен, технический директор «Polar Night Energy».
«Каменный» век
Преобразовывать тепло обратно в электричество в схожих разработках научились немцы и датчане. В их установках воздушный поток от раскаленных камней теплоносителя нагревает воду, превращая ее в пар и вращая генератор. Первая подобная электротермическая станция была запущена компанией «Siemens» в 2019 году в Гамбурге. Она способна сохранять до 130 МВт/ч тепловой энергии в неделю. Бак заполнен не песком, а вулканической породой. «Добро пожаловать в новый каменный век», — гласит надпись на корпусе установки.
Экспериментальная система «GridScale» датской компании «Stiesdal» хранит тепло, преобразованное из электроэнергии ветровых генераторов, в цистернах, заполненных щебнем. В компании считают, что подобные конструкции особенно актуальны для островов с большим потенциалом для ВИЭ, где сегодня излишки энергии пропадают, поскольку вывезти их с острова без значительных капиталовложений в инфраструктуру пока невозможно.
Прогнозы на песке
Разработчики из финской «Polar Night Energy» также готовы развивать технологию дальше. Они считают, что их проект легко масштабировать. Большие емкости с песком могут сохранять до 20 ГВт/ч энергии, разогревая свое содержимое до 1000°C. Такие аккумуляторы можно создавать в заброшенных шахтах и других подземных резервуарах.
Инженеры проектируют систему, предназначенную для длительного хранения тепла в центре песочного цилиндра и имеющую краткосрочные повторяющиеся циклы нагрева ближе к его поверхности. Таким образом, слои песка будут иметь собственную температуру, а через них будут проходить трубы разного назначения.
В глобальной инициативе в области экологически чистой энергии и изменения климата «Миссия Инновации» подсчитали, что масштабное использование песчаных батарей «Polar Night Energy» поможет предотвратить до 283 млн тонн суммарных выбросов CO2 от углеводородной энергетики к 2030 году.
У ряда российских специалистов такие прогнозы вызывают сомнения.
«Если мы говорим об отечественных электростанциях, функционирующих в составе единой энергетической системы, то такие батареи интегрировать в них нецелесообразно», — считает заведующий физико-техническим отделением ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт» Ринат Такташев.
По его словам, такая установка по мощности и производительности несопоставима с ТЭЦ.
«Отечественная практика теплоснабжения показала, что вода, не одно десятилетие успешно использующаяся в качестве теплоносителя, обладает рядом ценнейших свойств, которых нет у песка. Вода является жидкостью, что позволяет транспортировать ее к потребителям, вода обладает большей теплоемкостью и др. Кроме того, сегодня уже существуют отлаженные технологии аккумулирования тепла в баках-аккумуляторах, установленных на ТЭЦ, к которым присоединены тепловые сети с открытым водоразбором. Вызывают вопросы доводы финских коллег о возможности запасти тепло осенью и расходовать его зимой», — отметил Ринат Такташев.
Безусловно, проект по эксплуатации первой промышленной песочной батареи интересен всему миру. За экспериментом следят и ученые, и практики от теплоэнергетического комплекса, и рядовые потребители. Запрос на развитие ВИЭ и накопление энергии от общества сейчас велик, и проекты, подобные тому, что сейчас реализуется в финском Канкаанпяа, в перспективе могут оказать влияние на развитие мирового энергетического комплекса.