Насколько перспективны железнодорожные и фуникулёрные накопители энергии? "ГИС-Профи". 18 октября 2019

В 2010 г. в калифорнийской Санта-Барбаре появился любопытный стартап. Компания ARES (Advanced Rail Energy Storage) предложила рынку концепцию необычного гравитационного накопителя энергии (гравинака), ёмкость которого может измеряться десятками и сотнями мегаватт-часов. В отличие от привычных гидроаккумулирующих станций, перекачивающих воду между верхним и нижним бассейнами, система ARES поднимает и опускает твёрдые грузы, точнее, транспортирует их по наклонной железной дороге из низины на верх горы и наоборот.
ВСЁ ОЧЕНЬ ПРОСТО
Пока электропоезд везёт массивные бетонные блоки в гору, он потребляет энергию из электрической сети, а когда катится вниз - выдаёт энергию в сеть. Мощность регулируется числом прицепленных вагонов и весом помещённых в них грузов, количеством одновременно идущих составов и скоростью их движения. При зарядке гравинака локомотив-челнок, достигнув верхней станции, отцепляет вагоны с грузом и бежит вниз, чтобы захватить следующую партию. Когда все бетонные блоки перекочуют с нижней станции на верхнюю, система будет полностью заряжена. В такой конфигурации ёмкость определяется перепадом высот, количеством и длиной путей в конечных пунктах, размерами и грузоподъёмностью вагонов.

Демонстрационный прототип системы ARES в горах Техачапи
Предложенный компанией ARES подход хорош тем, что позволяет использовать отработанные десятилетиями системы железнодорожного электрического транспорта и давно выпускаемые промышленностью готовые компоненты. Его главный недостаток - для размещения накопителя необходима довольно обширная территория. Отметим, что в развитых странах практически все пригодные для постройки ГАЭС площадки (с сильным перепадом высот, с непроницаемыми горными породами и источниками воды поблизости) уже задействованы. А пустынные холмистые места, где можно под небольшим уклоном проложить несколько километров железной дороги, пока имеются.
ЭНЕРГОЧЕЛНОКИ
В 2010-2011 гг. специалисты компании ARES прорабатывали предложенную концепцию и оформляли патенты, а в 2012-м занимались вспомогательными технологиями и начали разрабатывать проект накопительной системы мощностью 50 МВт для шт. Невада.
В 2013-м была завершена демонстрационная узкоколейка в горах Техачапи (шт. Калифорния) и началась долгая сага по получению разрешений на строительство системы в Неваде.
Размотав ленту времени на пять лет вперёд, отметим, что в августе 2018 г. компания сообщила о том, что все формальности соблюдены и долгожданное разрешение на первый коммерческий проект получено. Накопитель, который строится по заказу энергокомпании Valley Electric Association для оказания услуг по балансировке электрической системы шт. Калифорния, будет размещён в пяти километрах от города Парамп.
Расчётная ёмкость накопителя 12,5 МВт·ч, потребляемая мощность - до 56,7 МВт, отдаваемая в сеть - до 44,1 МВт, энергопотребление на собственные нужды - 100 кВт, КПД в цикле "полный заряд - полный разряд" составляет 80%. Система сможет из режима ожидания переходить в режим наибыстрейшего заряда всего за 10 с, а в режим разряда - за 15 с. Такой динамике позавидует любая турбина. Накопитель будет подключен к сети через 75-мегаваттную трансформаторную подстанцию 230/25 кВ.
Семь железнодорожных составов суммарной массой 8420 т будут синхронно ходить по одному пути со средней скоростью 29 км/ч. Каждый состав включает два автоматически управляемых локомотива и семь грузовых вагонов. Их загрузка и разгрузка в данном проекте не предусматриваются. На локомотивах установлены DC-электродвигатели мощностью 3,9 МВт и инверторы. Для подключения к контактной сети 25 кВ имеются трёхфазные пантографы. Длина железнодорожного пути - без малого 9 км, средний наклон - 7°, разница высот между начальным и конечным пунктами - 600 м.
Компания рассчитывает, что система прослужит 40 лет, и отмечает, что в случае необходимости гравинак легко демонтировать, разобрав железнодорожные пути.
Стоит отметить, что концепция ARES хороша для больших накопителей, мощность которых превышает 100 МВт, иначе строительство электрифицированных железнодорожных путей и специальных локомотивов не окупится. Технико-экономические расчёты для проекта системы ARES мощностью 670 МВт и ёмкостью 5344 МВт·ч показывают, что удельные капитальные вложения составят 1350 долл./кВт, а каждый киловатт-час ёмкости обойдётся в 168 долл. Весьма неплохие характеристики обеспечиваются умопомрачительными масштабами системы: по рельсам должны бегать 140 четырёхвагонных поездов, которые будут перевозить с площадки на площадку 11 400 бетонных блоков весом 212 т каждый.
Конечно же подобные системы имеют климатические ограничения. Если железнодорожные пути завалит снегом, провода покроются льдом, а сильно нагруженные колёсные пары будут ломаться из-за низких температур, проект окажется несостоятельным.
"Подобные накопители привязаны к особенностям территории, - объясняет заместитель генерального директора компании "Энергозапас" Пётр Кропотин. - Это должен быть низкоуклонный скат. Наклон больше 8° брать нельзя, потому что колёса будут просто-напросто проскальзывать. Физику не обманешь: энергия накапливается за счёт изменения высоты, поэтому самый рациональный вариант - вертикальные подъём и спуск. И чем более пологий путь мы используем, тем меньший получаем КПД". Отметим, что как эксперт Пётр Кропотин в данном вопросе не должен быть беспристрастным, поскольку компания "Энергозапас" разрабатывает гравитационные аккумулирующие электростанции с вертикальным поднятием твёрдых грузов. Каждый кулик своё болото хвалит.
КОГЕНЕРАЦИЯ СЫРЬЯ
Тем не менее критик "по долгу службы" во многом прав. Недостатки подхода компании ARES отмечены верно, но их можно нивелировать в многофункциональной системе. Например, построить в низине цементный завод. К нему грузовыми электропоездами будет постоянно подвозиться сырьё, скажем, известняк, а отвозиться - готовый цемент в мешках и, возможно, какие-то отходы. Получится накопитель энергии, управляемый графиком следования поездов. Заряжаться гравинак будет при вывозе готовой продукции, а разряжаться - при завозе сырья.
Дальше - дело техники. Компьютерная программа должна управлять локомотивами таким образом, чтобы выдерживать нужный для энергетиков график работы аккумулятора и одновременно обеспечивать логистические потребности предприятия. Это вполне реально сделать, если предусмотреть некоторые запасы грузов всех видов.
Если затраты на содержание железнодорожных путей и электрических локомотивов хотя бы частично лягут на цементное производство, накопитель обойдётся дешевле в эксплуатации.
ФУНИКУЛЁРНЫЙ КОМПРОМИСС
Компания ARES пытается преодолеть ограничения собственного подхода другим способом. Для территорий, где нет земель с долгими плавными уклонами, разработана концепция ARES Ridgeline, напоминающая фуникулёр. В этом случае тоже применяется железная дорога, но её наклон гораздо круче, вплоть до 45°, а тяга передаётся с помощью стального каната. На вершине крутого холма размещаются моторы/генераторы с большими катушками на валах. В зависимости от фазы в работе накопителя (зарядка или разрядка) трос наматывается на катушки или сматывается с них, поднимая и опуская грузы по наклонной железной дороге.