Храните электроэнергию в шахтах!

"И если есть в эти дни Святой Грааль, то это хранилища электроэнергии".

Дэниел Ергин*

Хранилища энергетических ресурсов все более востребованы мировой экономикой. В настоящее время продолжается процесс выбора основного направления их развития. От этого выбора зависит и будущее шахтерских регионов Украины.

Рынки энергохранилищ - одна из самых востребованных тем в сегодняшнем мире. Хранилища строят в Амстердаме, 3 и Лос-Анджелесе, в Западной Германии, Южной Корее и Южной Австралии. Без них немыслима бесперебойная работа энергетики ни настоящего, ни будущего. По оценкам агентства GTM Research, рынок хранилищ энергии в США к 2020 г. вырастет до 2,6 ГВт·ч, то есть в 12 раз по сравнению с 2016-м, а стоимость рынка увеличится до 3,2 млрд долл., или в десять раз.

Хранилища электроэнергии - это те же электростанции, но их задача состоит в том, чтобы накопить ресурс при его избытке и выдать на рынок в часы максимального потребления электроэнергии. Их потому и называют "пиковые".

Рынки энергохранилищ как они есть

Тема энергохранилищ настолько эксплуатируема, что статья-розыгрыш в апрельском номере журнала "Популярная механика" за 2013 г. "Гигантские плавучие аккумуляторы СССР", опубликованная с подзаголовком "Забытая технология, чуть было не поставившая мир на грань ядерной войны 50 лет назад, способна помочь человечеству справиться с энергетическим кризисом", незамедлительно была размещена на сайтах нескольких интернет-изданий.

Рынок энергохранилищ технологически развивается настолько стремительно, что в фундаментальной Белой книге Международной электротехнической комиссии (Electrical Energy Storage/White Paper: IEC, 2010), изданной в 2010 г., нет даже упоминания о криоэнергетических устройствах.

Между тем первый в мире энергоблок на жидком воздухе был введен в эксплуатацию уже в 2011 г. Проект Highview Power Storage был реализован на электростанции фирмы Scottish&Southern Energy (SSE), расположенной в Слау (Slough) неподалеку от лондонского аэропорта Хитроу (Heathrow).

Аккумуляторные батареи vs ГАЭС

При всем богатстве технологий стереотипом хранилища электрической энергии в настоящее время является большая химическая "батарейка", чему в немалой степени способствуют успехи компании Tesla.

Когда в Южной Австралии сентябрьский шторм 2016 г. оставил без света 1,7 млн человек, власти штата отреагировали на blackout решением построить большое хранилище электроэнергии. Тендер выиграла компания Илона Маска (Elon Reeve Musk). "Или объект будет построен за сто дней, до 1 декабря 2017 г., - заявил он в Twitter, - или проект не будет стоить австралийской стороне ни цента". Ждать осталось недолго, ведь срок окончания строительства - 1 декабря 2017 г.

На самом деле рынок энергетических хранилищ превратился в арену концептуального противостояния - вГермании стартовал обещающий стать тиражируемым проект переделки в гидроаккумулирующую электростанцию глубокой угольной шахты; во многих штатах США интенсивно строятся аккумуляторные системы мощностью 20 МВт и более.

Гидравлические аккумулирующие электростанции (ГАЭС, PSHE - Pumped-storage hydroelectric) используют перепады высот, чтобы с помощью электрических насосов придать воде необходимый запас потенциальной энергии. Это единственный тип хранилищ энергетических ресурсов, жизненный цикл которого находится в зоне массового промышленного использования.

Суммарная мощность эксплуатируемых в мире гидроаккумулирующих станций превышает 100 ГВт, порядка 50 млн кВт рассредоточено на 300 подземных энергоблоках. Но проект создания первой аккумулирующей электростанции на базе последней германской каменноугольной шахты "Проспер-Ханиель" - особенный.

Специфику задает глубина сооружения. Горные работы на шахте, находящейся неподалеку от границы с Нидерландами, в федеральной земле Северный Рейн-Вестфалия, достигли отметки 600 м. Протяженные, порядка 26 км, горные выработки на верхних горизонтах шахты способны вместить около 1 млн т шахтной воды. Перепуск в заданное время водных потоков через турбины на нижележащие горизонты обеспечивает выработку электроэнергии мощностью до 200 МВт. На вторую операцию цикла - подъем воды - отводится период профицита энергетических ресурсов, для чего служит шахтный водоотлив на электрических насосах.

Отчасти это напоминает сизифов труд, но утешает, что процесс подъема и скатывания "камня" небесполезен и управляем.

Энергетические хранилища на базе шахт привлекают своей компактностью и не требуют ландшафта с перепадом высот, при этом обладают высокой энергетической эффективностью. На стороне химических аккумуляторов - их быстрое удешевление (до 14% для систем с большей продолжительностью работы за 2016 г.), а также поддержка регулирующих энергетику органов.

Это техническое противостояние. Ни в коем случае не выяснение национальных интересов Германии или США. В шахтерском городке Майнвилль (США, штат Нью-Йорк) власти обратились за одобрением федеральных властей по поводу строительства ГАЭС на старой рудной шахте. А немецкая энергетическая компания EWE заявила о готовности выполнить в течение 2018–2023 гг. проект Brine4power ("Рассол для энергии") в природных пещерах, ранее используемых для хранения природного газа.

Brine4power компании EWE - это отнюдь не PowerWall компании Tesla, но тоже из разряда химических аккумуляторов: две емкости с противоположно заряженными растворами, разделенные мембраной. Германское инновационное детище планируют разместить в двух соляных пещерах объемом примерно по 100 тыс. кубометров каждая в коммуне Йемгум в Нижней Саксонии на северо-западе Германии. Энергетический потенциал хранилища настолько велик, что оно может в течение часа удовлетворять потребности в электроэнергии всего Берлина.

Ориентировочная стоимость капитальных вложений - 120 млн евро, что дороже обустройства хранилища на базе существующих промышленных литиевых батарей, но дешевле в эксплуатации с ориентацией на 20-летний срок службы (от 10 до 20 тыс. циклов заряда-разряда без снижения эффективности).

Есть ли проекты-конкуренты?

До сих пор техническая сторона обустройства энергетических хранилищ не была столь бифуркационной. Все технологическое множество аккумуляторов от супермаховиков, водорода, сверхпроводимости и прочего, в конце концов, сводилось к гидроаккумулирующим станциям (ГАЭС). Теоретически и им находилась альтернатива - пневмоаккумулирующие электростанции (CAES - от Сompressed air energy storage). Но во всем мире с использованием сжатого воздуха работали только две электростанции: одна вблизи немецкого Ханторфа (Huntorf), другая - возле американского Макинтоша (McIntosh, штат Алабама). Электрогенерирующие части мощностью соответственно
290 и 110 МВт расположены на дневной поверхности, а высокооборотные хранилища сжатого воздуха - на глубине 600–800 м.

В последние годы практика создания CAES обогатилась идеями Energy Bag, предложенными группой ученых из Ноттингемского университета (Великобритания), о чем ZN.UA уже сообщало. Используемая в проекте погруженная на морское дно оболочка конструкции NASA, наполненная воздухом, способна накопить 70 МВтбч, что эквивалентно заряду литиевого аккумулятора весом в 300 т и стоимостью в десятки миллионов долларов. Но недостаток пневматических устройств не был устранен: воздух при сжатии сильно нагревается, а при расширении в турбине сильно охлаждается, и это негативно сказывается на к.п.д. установки.

Существенно повлиять на развитие рынка энергетических хранилищ и составить конкуренцию химическим аккумуляторам в обозримой перспективе дано, пожалуй, CryoEnergy System на жидком воздухе (азоте). Компания Highview Enterprises Limited приступила к созданию в британском Виндоре (Viridor) хранилища с параметрами 5 МВт/15 МВт·ч, требующего порядка 300 т жидкого воздуха в сутки. Относительно небольшая (около 100 Вт·ч/кг) плотность запасания энергии жидковоздушными аккумуляторами вполне сопоставима с характеристиками литий-ионных батарей (100–250 Вт·ч/кг), но холодильники можно возводить где угодно и с минимальными затратами, а при необходимости - разбирать и перевозить с места на место. Возможен даже вариант реализации энергоблоков серии Highview по схеме так называемой виртуальной трубы - с доставкой жидкого воздуха (азота) от крупного централизованного источника на удаленный объект. Но, по признанию самих разработчиков, криоэнергетические хранилища проигрывают в эффективности обычным ГАЭС, да и сам процесс получения сжиженного газа относительно энергоемок: 1–1,2 кВт·ч/кг.

Очевидно, что гидроаккумулирующие электростанции на базе шахт - это пусть пока не подтвержденный опытом, но признанный в мире путь развития энергетических хранилищ. Не зря премьер-министр федеральной земли Северный Рейн-Вестфалия Ханнелоре Крафт (Hannelore Kraft) выразила глубокое удовлетворение по поводу того, что один из крупнейших центров угледобычи и на будущее остается крупным игроком на энергорынке Германии, к тому же сможет помочь стране добиться намеченных целей в сфере альтернативной энергетики.

Новые технологии действительно дают шанс старым шахтам и старопромышленным шахтерским регионам. Последние могут превратиться в энергетические хабы, и даже международного уровня. "Сегодня каждый понимает, что важнейшей частью нашей энергетической инфраструктуры будет хранение, - прокомментировал ситуацию глава американской Albany Engineering Corp. Деймс Беша (James A. Besha). - Можно считать, что это некий банк. Если у кого-то есть излишки солнечной энергии, он может заплатить и оставить ее на хранение". А на Европейском континенте только в Украине и Польше сохранилось столь большое количество действующих шахт. Глубокие и водообильные, с развитыми водоотливными установками украинские шахты - это, казалось бы, готовые платформы рынка энергетических хранилищ. Чем просто тратить энергию и деньги на откачку подземных вод, а водоотливы занимают порядка 20% в структуре энергетических издержек угольной отрасли, лучше использовать их для генерации энергетических ресурсов.

Плюсы и минусы

Рынок хранилищ электроэнергии нужен:

- отечественному оптовому энергорынку, поскольку стране катастрофически не хватает маневровых генерирующих мощностей;

- отечественной экономике в качестве доходного вида экспортной деятельности, для развития науки и техники, производственной базы;

- угледобывающим предприятиям для диверсификации деятельности с целью поправить экономическое положение;

- государственной угольной промышленности как альтернатива ликвидации убыточных шахт, на что в бюджете тоже нет денег;

- шахтерским регионам как возможность сохранения существующих и создания новых рабочих мест, оживления региональной экономики.

Рынок хранилищ электроэнергии - это, возможно, большой шанс для угольной промышленности и шахтерских регионов. Но не все так просто.

Строительство гидравлических аккумулирующих электростанций требует вложения больших денежных средств. По опыту обычных проектов, это от 1500 до 4300 долл./кВт установленной мощности, или 250–430 долл./кВт·ч вырабатываемой энергии. Станции на базе угольных (рудных) шахт - вещь в себе. Когда о проекте по шахте "Проспер-Ханиель" пишут, что выработанной энергии будет достаточно для обслуживания в течение дня
400 тыс. домов, то это очень невнятная характеристика, настолько же невнятная, как и 110 тыс. осчастливленных домов в окрестностях американского Макинтоша.

Чтобы составить хотя бы общее представление об эффективности проекта, нужно проработать компоновку и технико-технологическое оснащение комплекса, после чего оценить его инвестиционную привлекательность.

При этом следует помнить, что ведомственная традиционность сродни консерватизму. Никто, например, не анализировал шахтный фонд с позиций эффективного накопления шахтных вод для генерации энергии в пиковом режиме, не разрабатывал оптимальную структуру подземного водоотливного хозяйства. Можно модернизировать отдельную шахту с пользой для нее, но возможен синергизм вовлечения группы близкорасположенных шахт, ощутимый не только на уровне региона, в котором они находятся, но и для энергетики страны. Хранилища электрической энергии - это иная парадигма хозяйствования и другая идеология развития шахт.

Для разработок в данном направлении необходим консорциум, объединяющий организации горного и электротехнического профиля. А отечественные проектные и научно-исследовательские институты ныне сильно оскудели специалистами.

При всем имеющемся в Украине горном и энергетическом научно-техническом потенциале по поднятой теме обнаружены лишь две вузовские работы. Статья "Шахтні ГАЕС і шляхи підвищення ефективності їх роботи" в журнале "Вісник Національного університету водного господарства та природокористування" за 2013 г. и монография "Энергоэффективность работы главного водоотлива угольной шахты", изданная Национальным горным университетом в 2016 г. Правда, книга не столько из сферы хранилищ, сколько из области виртуальных электростанций.

Виртуальные электростанции представляют собой инновации, возникшие на принципе "умных сетей" (smart-grid), объединяющих в энергетическую систему поставщиков и потребителей электроэнергии. Виртуальность таких электростанций заключается в том, что на дефицит электроэнергии в системе они реагируют не столько увеличением генерации ресурсов, сколько уменьшением их потребления.

Следовательно, нужен заказчик, готовый выложить немалые средства на разработку проекта с непредсказуемым результатом.

Все это можно оправдать тем, что красивая идея создания рынка аккумуляции энергии с использованием шахт угольной и железорудной отраслей пока не находит поддержки ни среди отечественных власть имущих, ни среди ученых. Хотя руководство Украины имеет представление о важности и целесообразности таких хранилищ.

В мае 2017 г. на встрече с корейской и шведской делегациями, выразившими намерение построить в Украине батарейные резервные хранилища электроэнергии, министр энергетики и угольной промышленности Игорь Насалик подчеркнул, что для украинской энергетики, имеющей большую долю атомной генерации, энергохранилища способны сыграть ключевую роль в обеспечении поставок электроэнергии в европейские страны. А ранее украинский премьер-министр Владимир Гройсман так отозвался на заявление Маска по проекту в Австралии: "Украина очень хочет стать испытательным полигоном для инноваций. Давайте поговорим об этом подробнее".

В настоящее время Институт экономики промышленности НАН Украины по своей инициативе готовит научно-докладную записку, призванную обратить внимание министерства и корпораций прежде всего на шахты, работающие в режиме водокачек, на ту же "Белицкую", как на потенциальные объекты реализации идеи энергетического хранилища.

Государственная шахта "Белицкая", арендуемая ООО "ДТЭК Добропольеуголь", из-за отсутствия разведанных геологических запасов с 2014 г. не ведет деятельность по добыче угля, ее содержание обходится в сумму около 90 млн грн в год, в том числе на содержание до 150 человек, занятых откачкой воды, дегазацией и мониторингом состояния шахтных выработок. Нормальные часовые водопритоки по шахте составляют 250 кубометров на горизонте 250 м и 200 кубометров - на горизонте 500 м. На верхнем уровне есть две ветви водосборника объемом 900 и 1100 кубометров, на нижнем - две ветви объемом 500 кубометров. Это данность.

Вопрос: будут ли найдены инвестиционные ресурсы и, скорее, немалые на инновационный проект энергохранилища, если хозяин (и государство, и ДТЭК) не находит средств на тривиальную доразведку геологических запасов, чтобы возобновить добычу угля?

Седло ниже собаки, а выше лошади…

Или звать варягов? Может, такой проект заинтересует крупные энергетические корпорации международного класса?

*Daniel Yergin on the next energy revolution.