Зберігайте електроенергію в шахтах!

"І якщо є в ці дні Святий Грааль, то це сховища електроенергії".

Деніел Єргін*

Сховища енергетичних ресурсів дедалі більш затребувані світовою економікою. Нині триває процес вибору основного напряму їх розвитку. Від цього вибору залежить і майбутнє шахтарських регіонів України.

Ринки енергосховищ - одна з найбільш затребуваних тем у сьогоднішньому світі. Сховища будують у Амстердамі, 3 і Лос-Анджелесі, в Західній Німеччині, Південній Кореї і Південній Австралії. Без них не можна уявити безперебійної роботи енергетики ні сьогодення, ні майбутнього. За оцінками агентства GTM Research, ринок сховищ енергії у США до 2020 р. виросте до 2,6 ГВт·год., тобто у 12 разів порівняно з 2016 р., а вартість ринку збільшиться до 3200 млн дол., або в десять разів.

Сховища електроенергії - це ті ж самі електростанції, але їх завдання полягає в тому, щоб накопичити ресурс за його надлишку та видати на ринок у години максимального споживання електроенергії. Їх тому і називають "пікові".

Ринки енергосховищ як вони є

Тема енергосховищ така експлуатована, що статтю-розіграш у квітневому номері журналу "Популярная механика" за 2013 р. "Гігантські плавучі акумулятори СРСР", опубліковану з підзаголовком "Забута технологія, яка мало не поставила світ на межу ядерної війни 50 років тому, здатна допомогти людству впоратися з енергетичною кризою", негайно було розміщено на сайтах кількох інтернет-видань.

Ринок енергосховищ технологічно розвивається так стрімко, що в фундаментальній Білій книзі Міжнародної електротехнічної комісії (Electrical Energy Storage / White Paper: IEC, 2010), виданій у 2010 р., немає навіть згадки про кріоенергетичні пристрої.

Тим часом перший у світі енергоблок на рідкому повітрі введено в експлуатацію вже у 2011 р. Проект Highview Power Storage було реалізовано на електростанції фірми Scottish & Southern Energy (SSE), розташованій у Слау (Slough) неподалік лондонського аеропорту Хітроу (Heathrow).

Акумуляторні батареї vs ГАЕС

За всього багатства технологій стереотипом сховища електричної енергії на даний час є велика хімічна "батарейка", і цьому чималою мірою сприяють успіхи компанії Tesla.

Коли в Південній Австралії вересневий шторм 2016-го залишив без світла 1,7 млн людей, влада штату відреагувала на blackout рішенням побудувати велике сховище електроенергії. Тендер виграла компанія Ілона Маска (Elon Reeve Musk). "Або об'єкт буде зведений за сто днів, до 1 грудня 2017 р., - заявив він у Twitter, - або проект не коштуватиме австралійській стороні ані цента". Чекати залишилося недовго, адже термін закінчення будівництва - 1 грудня 2017-го.

Насправді ринок енергетичних сховищ перетворився на арену концептуального протистояння - в Німеччині стартував проект переробки на гідроакумулюючу електростанцію глибокої вугільної шахти, який обіцяє стати тиражованим; у багатьох штатах США інтенсивно будуються акумуляторні системи потужністю 20 МВт і більше.

Гідравлічні акумулюючі електростанції (ГАЕС, PSHE - Pumped-storage hydroelectric) використовують перепади висот, щоб з допомогою електричних насосів надати воді необхідний запас потенційної енергії. Це єдиний тип сховищ енергетичних ресурсів, життєвий цикл якого перебуває в зоні масового промислового використання.

Сумарна потужність експлуатованих у світі гідроакумулюючих станцій перевищує 100 ГВт, близько 50 млн кВт розосереджено на 300 підземних енергоблоках. Але проект створення першої акумулюючої електростанції на базі останньої німецької кам'янновугільної шахти "Проспер-Ханіель" - особливий.

Специфіку задає глибина споруди. Гірничі роботи на шахті, розташованій неподалік кордону з Нідерландами, у федеральній землі Північний Рейн-Вестфалія, сягнули позначки 600 м. Протяжність - близько 26 км, гірничі виробки на верхніх горизонтах шахти здатні вмістити близько 1 млн т шахтної води. Пропуск у заданий час водних потоків через турбіни на горизонти, що лежать нижче, забезпечує вироблення електроенергії потужністю до 200 МВт. На другу операцію циклу - підйом води - відводиться період профіциту енергетичних ресурсів, для чого створено шахтний водовідлив на електричних насосах.

Почасти це нагадує сізіфову працю, але втішає, що процес підйому і скочування "каменя" немарний і керований.

Енергетичні сховища на базі шахт приваблюють своєю компактністю, їм не потрібен ландшафт з перепадом висот, при цьому вони мають високу енергетичну ефективність. На боці хімічних акумуляторів - їх швидке здешевлення (до 14% для систем з більшою тривалістю роботи за 2016 р.), а також підтримка органів, що регулюють енергетику.

Це технічне протистояння. У жодному разі не з'ясовування національних інтересів Німеччини чи США. У шахтарському містечку Майнвілль (США, штат Нью-Йорк) місцева влада звернулася за схваленням федеральної влади з приводу будівництва ГАЕС на старій рудній шахті. А німецька енергетична компанія EWE заявила про готовність виконати протягом 2018–2023 рр. проект Brine4power ("Розсіл для енергії") у природних печерах, які раніше використовували для зберігання природного газу.

Brine4power компанії EWE - це аж ніяк не PowerWall компанії Tesla, але теж із розряду хімічних акумуляторів: дві ємності з протилежно зарядженими розчинами, розділені мембраною. Німецьке інноваційне дітище планують розмістити у двох соляних печерах об'ємом приблизно по 100 тис. кубометрів кожна в комуні Ємгум у Нижній Саксонії на північному заході Німеччини. Енергетичний потенціал сховища такий великий, що воно може упродовж години задовольняти потреби в електроенергії всього Берліна.

Орієнтовна вартість капітальних вкладень - 120 млн євро, що дорожче за облаштування сховища на базі існуючих промислових літієвих батарей, але дешевше в експлуатації з орієнтацією на 20-річний термін служби (від 10 до 20 тис. циклів заряду-розряду без зниження ефективності).

Чи є проекти-конкуренти?

Досі технічний аспект облаштування енергетичних сховищ не був таким біфуркаційним. Усе технологічне розмаїття акумуляторів від супермаховиків, водню, надпровідності та іншого, зрештою, зводилося до гідроакумулюючих станцій (ГАЕС). Теоретично і їм знаходилась альтернатива - пневмоакумулюючі електростанції (CAES - від Сompressed air energy storage). Але в усьому світі з використанням стисненого повітря працювали тільки дві електростанції: одна поблизу німецького Ханторфа (Huntorf), інша - біля американського Макінтоша (McIntosh, штат Алабама). Електрогенеруючі частини потужністю відповідно 290 і 110 МВт розташовані на денній поверхні, а високооборотні сховища стисненого повітря - на глибині 600–800 м.

Останніми роками практика створення CAES збагатилася ідеями Energy Bag, запропонованими групою вчених з Ноттінгемського університету (Велика Британія), про що DT.UA вже повідомляло. Використовувана в проекті занурена на морське дно оболонка конструкції NASA, наповнена повітрям, здатна накопичити 70 МВт·год., що еквівалентно заряду літієвого акумулятора вагою в 300 т і вартістю в десятки мільйонів доларів. Але недолік пневматичних пристроїв не було усунуто: повітря при стисканні сильно нагрівається, а при розширенні в турбіні сильно охолоджується, і це негативно позначається на к.к.д. установки.

Істотно вплинути на розвиток ринку енергетичних сховищ і скласти конкуренцію хімічним акумуляторам у доступній для огляду перспективі дано, мабуть, CryoEnergy System на рідкому повітрі (азоті). Компанія Highview Enterprises Limited розпочала створення в британському Віндорі (Viridor) сховища з параметрами 5 МВт/15 МВт·год., що потребує близько 300 т рідкого повітря на добу.
Відносно невелика (близько 100 Вт·год./кг) щільність запасання енергії рідинноповітряними акумуляторами цілком порівнянна з характеристиками літій-іонних батарей (100–250 Вт·год./кг), але холодильники можна зводити де завгодно і з мінімальними витратами, а за необхідності - розбирати й перевозити з місця на місце. Можливий навіть варіант реалізації енергоблоків серії Highview за схемою так званої віртуальної труби - з доставкою рідкого повітря (азоту) від великого централізованого джерела на віддалений об'єкт. Але, за визнанням самих розробників, кріоенергетичні сховища програють у ефективності звичайним ГАЕС, та й сам процес отримання скрапленого газу енергоємний: 1–1,2 кВт·год./кг.

Очевидно, що гідроакумулюючі електростанції на базі шахт - це хай поки що не підтверджений досвідом, але визнаний у світі шлях розвитку енергетичних сховищ. Недарма прем'єр-міністр федеральної землі Північний Рейн-Вестфалія Ханнелоре Крафт (Hannelore Kraft) висловила глибоке задоволення з приводу того, що один із найбільших центрів вуглевидобутку і на майбутнє залишається великим гравцем на енергоринку Німеччини, до того ж зможе допомогти країні досягти намічених цілей у сфері альтернативної енергетики.

Нові технології дійсно дають шанс старим шахтам і старопромисловим шахтарським регіонам. Останні можуть перетворитися на енергетичні хаби, навіть міжнародного рівня. "Сьогодні кожен розуміє, що найважливішою частиною нашої енергетичної інфраструктури буде зберігання, - прокоментував ситуацію голова американської Albany Engineering Corp. Джеймс Беша (James A. Besha). - Можна вважати, що це такий собі банк. Якщо у когось є надлишки сонячної енергії, він може заплатити і залишити її на зберігання". А на Європейському континенті тільки в Україні та Польщі збереглася велика кількість діючих шахт. Глибокі і багаті на воду, з розвиненими водовідливними установками українські шахти - це, здавалося б, готові платформи ринку енергетичних сховищ. Ніж просто витрачати енергію і гроші на відкачування підземних вод, а на водовідливи припадає близько 20% у структурі енергетичних витрат вугільної галузі, краще використовувати їх для генерації енергетичних ресурсів.

Плюси і мінуси

Ринок сховищ електроенергії потрібен:

- вітчизняному оптовому енергоринку, оскільки країні катастрофічно бракує маневрових генеруючих потужностей;

- вітчизняній економіці як дохідний вид експортної діяльності, для розвитку науки і техніки, виробничої бази;

- вугледобувним підприємствам для диверсифікації діяльності з метою поправити економічне становище;

- державній вугільній промисловості як альтернатива ліквідації збиткових шахт, на що в бюджеті теж немає грошей;

- шахтарським регіонам як можливість зберегти існуючі та створити нові робочі місця, пожвавити регіональну економіку.

Ринок сховищ електроенергії - це, можливо, великий шанс для вугільної промисловості і шахтарських регіонів. Але не все так просто.

Будівництво гідравлічних акумулюючих електростанцій потребує вкладення великих коштів. З досвіду звичайних проектів, це від 1,5 до 4,3 тис. дол./кВт установленої потужності, або 250–430 дол./кВтбгод. виробленої енергії. Станції на базі вугільних (рудних) шахт - річ у собі. Коли про проект по шахті "Проспер-Ханіель" пишуть, що виробленої енергії буде достатньо для обслуговування протягом дня 400 тис. будинків, то це дуже невиразна характеристика, така ж невиразна, як і 110 тис. ощасливлених будинків у околицях американського Макінтоша.

Щоб скласти хоча б загальне уявлення про ефективність проекту, потрібно опрацювати компоновку і техніко-технологічне оснащення комплексу, після чого оцінити його інвестиційну привабливість.

При цьому слід пам'ятати, що відомча традиційність близька до консерватизму. Ніхто, наприклад, не аналізував шахтного фонду з позицій ефективного накопичення шахтних вод для генерації енергії в піковому режимі, не розробляв оптимальної структури підземного водовідливного господарства. Можна модернізувати окрему шахту з користю для неї, але можливий синергізм залучення групи близько розташованих шахт, що відчутний не лише на рівні регіону, в якому вони розташовані, а й для енергетики країни. Сховища електричної енергії - це інша парадигма господарювання та інша ідеологія розвитку шахт.

Для розробок у цьому напрямі необхідний консорціум, який об'єднає організації гірничого і електротехнічного профілю. А вітчизняні проектні та науково-дослідні інститути нині дуже збідніли на фахівців.

За всього наявного в Україні гірничого і енергетичного науково-технічного потенціалу з піднятої теми виявлено лише дві вузівські роботи. Стаття "Шахтні ГАЕС та шляхи підвищення ефективності їх роботи" в журналі "Вісник національного університету водного господарства та природокористування" за 2013 р. і монографія "Энергоэффективность работы главного водоотлива угольной шахты", видана Національним гірничим університетом у 2016 р. Щоправда, книжка не так зі сфери сховищ, як з області віртуальних електростанцій.

Віртуальні електростанції є інноваціями, що виникли на принципі "розумних мереж" (smart-grid), які об'єднують у енергетичну систему постачальників і споживачів електроенергії. Віртуальність таких електростанцій полягає в тому, що на дефіцит електроенергії у системі вони реагують не так збільшенням генерації ресурсів, як зменшенням їх споживання.

Отже, потрібен замовник, готовий викласти чималі кошти на розробку проекту з непередбачуваним результатом.

Усе це можна виправдати тим, що красива ідея створення ринку акумуляції енергії з використанням шахт вугільної та залізорудної галузей поки не знаходить підтримки ані серед вітчизняних можновладців, ані серед науковців. Хоча керівництво України має уявлення про важливість і доцільність таких сховищ.

У травні 2017 р. на зустрічі з корейською та шведською делегаціями, які висловили намір побудувати в Україні батарейні резервні сховища електроенергії, міністр енергетики та вугільної промисловості Ігор Насалик наголосив, що для української енергетики, яка має велику частку атомної генерації, енергосховища здатні відіграти ключову роль у забезпеченні поставок електроенергії в європейські країни. А раніше український прем'єр-міністр Володимир Гройсман так відгукнувся на заяву Маска щодо проекту в Австралії: "Україна дуже хоче стати випробувальним полігоном для інновацій. Давайте поговоримо про це докладніше".

Нині Інститут економіки промисловості НАН України з власної ініціативи готує науково-доповідну записку, покликану привернути увагу міністерства і корпорацій насамперед до шахт, що працюють в режимі водокачок, до тієї ж "Білицької", як до потенційних об'єктів реалізації ідеї енергетичного сховища.

Державна шахта "Білицька", орендована ТОВ "ДТЕК Добропіллявугілля", через відсутність розвіданих геологічних запасів з 2014 р. не веде діяльності з видобутку вугілля, її утримання обходиться в суму близько 90 млн грн на рік, в тому числі на утримання до 150 осіб, зайнятих відкачуванням води, дегазацією і моніторингом стану шахтних виробок. Нормальні годинні водоприпливи по шахті становлять 250 кубометрів на горизонті 250 м і 200 кубометрів - на горизонті 500 м. На верхньому рівні є дві гілки водозбірника об'ємом 900 і 1100 кубометрів, на нижньому - дві гілки об'ємом
500 кубометрів. Це даність.

Запитання: чи буде знайдено інвестиційні ресурси і, скоріше, чималі на інноваційний проект енергосховища, якщо господар (і держава, і ДТЕК) не знаходить коштів на тривіальну дорозвідку геологічних запасів, щоб відновити видобуток вугілля?

Сідло нижче собаки, а вище коня...

Чи кликати варягів? Може, такий проект зацікавить великі енергетичні корпорації міжнародного класу?

*Daniel Yergin on the next energy revolution.