В Швейцарии будут добывать энергию из воздуха?

Cолнце и ветер способны производить дополнительную энергию, не нашедшую немедленного спроса. Сейчас эта энергия просто пропадает. Keystone

Приняв решение в долгосрочной перспективе отказаться от атомной энергии, Швейцария активно ищет и внедряет технологии, которые позволяли бы получать электроэнергию из возобновляемых источников, не наносящих вред окружающей среде. Один из таких проектов реализуется сейчас в кантоне Тичино. В его основе лежит особая технология нагрева сжатого воздуха и его хранения в подземных герметичных резервуарах.

Современный мир прикладывает огромные усилия для того, чтобы в долгосрочной перспективе отказаться от тотальной зависимости от нефти и газа, которая не только более проблематична с политической точки зрения, но еще и является угрозой для окружающей среды. На помощь людям в решении этой проблемы приходят новейшие инновационные разработки. При этом вопрос выработки энергии — это только полдела. Другая, не менее важная проблематика связана с хранением выработанных излишков энергии.

И если с нефтью и газом все ясно, то как можно было бы запасать излишки энергии, вырабатываемые солнечными и ветряными электростанциями? Тот, кто первым ответит на этот вопрос и представит на рынок технологии как коммерчески рентабельные, так и технически относительно простые в ремонте и эксплуатации, тот и станет лидером «зеленой энергетической революции», набирающей сейчас темп по всему миру.

Гив Зангане (Giw Zanganeh), молодой инженер, недавно закончивший знаменитую Высшую техническую школу Цюриха (ETH Zürich), утверждает, что он и его коллеги нашли-таки решение этой проблемы. Да, говорят они, солнце и ветер светят и дуют соответственно не всегда и не каждый день, но при этом они в удачные дни способны производить дополнительную энергию, не нашедшую немедленного спроса. Сейчас она просто пропадает, потому что технологий, позволяющих накапливать избыточную энергию и потом использовать ее в периоды повышенного спроса, пока не существует.

«Принцип, который лежит в основе этой технологии весьма прост и ее можно объяснить буквально в двух словах», — объясняет Гив Зангане, глава проекта AlacaesВнешняя ссылка, запущенного при поддержке Федерального ведомства энергетики Швейцарии (Bundesamt für Energie). «Мы получаем избыток энергии и с ее помощью запускаем компрессор, который нагнетает в подземный резервуар сжатый воздух. В период повышенного спроса мы начинаем стравливать обратно воздух, который попутно вращает турбину, производящую электричество».

Используя старый тоннель

Для создания тестовой установки, построенной за 4 млн франков в соответствии с технологией Alacaes, был выбран заброшенный тоннельВнешняя ссылка, расположенный к северу от города Биаска (Biasca) в кантонеТичино. Еще недавно через него вывозили скальную породу, вынутую на строительстве недавно введенного в строй самого длинного на данный момент в мире железнодорожного Готардского базисного тоннеля. 

«Тоннель мы нашли в том же состоянии, в каком его оставили строители», — рассказывает Гив Зангане. Вместе с ним мы намерены сегодня заглянуть во глубину «тичинских руд» и посмотреть на то, как идет обкатка новой необычной технологии получения энергии буквально из воздуха. Мы проезжаем на автомобиле примерно 700 метров в полной темноте, затем на нашем пути возникают два крупногабаритных компрессора, которые используются для нагнетания воздуха в искусственный резервуар (пещеру). 

«Перед нами не просто какие-то компрессоры. Это совершенно новая технология», — подчёркивает инженер, у которого имеются иранские корни. Мы проходим чуть дальше и оказываемся у входа в резервуар для хранения воздуха. При необходимости он может быть герметично закрыт при помощи стального люка. На его фоне двери, защищающие атомные бункеры, могут показаться игрушечными, что неудивительно, ведь давление в этих резервуарах будет царить очень высокое, до 33 бар, что соответствует давлению воды на глубине 300 метров. «Работать в таких экстремальных условиях очень нелегко», — отмечает Гив Зангане.

В Швейцарии разрабатывает технологию накопления и хранения разогретого сжатого воздуха в горных непроницаемых резервуарах (пещерах). swissinfo.ch

Для контроля за работой всех систем и механизмов пришлось, например, устанавливать специальные телекамеры, которые обычно используются для работы под водой на больших и сверхбольших глубинах. Целью проводимых в настоящий момент тестов является изучение реакции горных пород на высокое давление. Проверяется степень водонепроницаемости скальных пород, а также вероятность возникновения вибраций. «В отличие от геотермальных установок риск возникновения землетрясений практически равен нулю, так как горная порода в нашем случае не подвергается перфорации», — говорит Гив Зангане.

Тепло камней

В самой технологии аккумулирования энергии на основе сжатого воздуха (Compressed Air Energy Storage, CAES,) нет ничего нового. Впервые она прошла апробацию в Западной Германии в 1978 году, а в широко использовать ее начали в Соединенных Штатах Америки в начале 1990-х гг. Однако пилотный проект, который сейчас реализуется в Бьяске, сделал качественно новый шаг вперед. По крайней мере, это утверждает Гив Зангане (Giw Zanganeh), который подчеркивает, что никто раньше не задумывался о том, что делать с теплом, возникающим в результате сжатия воздуха.

Для того, чтобы понять, в чем тут дело, достаточно обладать знаниями по физике в объеме школьной программы. В самом деле, когда воздух сжимается, то его температура возрастает и может достигать +550°C. Хранить под землёй такой воздух небезопасно. В Германии и США это тепло постепенно рассеивается, не принося никакой пользы. Поэтому в свое время Гив Зангане задумался о том, как можно было бы использовать и этот энергетический потенциал. В итоге в основу проекта Alacaes была положена система сохранения этой энергии на основе разогрева специальных каменных гранул.

«Закачиваемый воздух поступает нагретым до 500-600 градусов Цельсия, однако хранить воздух такой температуры было бы небезопасно, поэтому для начала его надо охладить. Происходит это при помощи воздушного теплоаккумулятора, в котором в качестве рабочего тела используются специальные гранулы из природного камня. Поток воздуха разогревает гранулы, воздух подвергается сжатию и уже охлажденным накапливается в подземном резервуаре», — рассказывает Гив Зангане.

«В случае необходимости охлажденный сжатый воздух может быть направлен обратно через воздушный теплоаккумулятор. Забирая тепловую энергию из каменных гранул, воздух разогревается и приводит в движение турбину, которая и производит электроэнергию. Благодаря этому коэффициент полезного действия в нашем проекте можно увеличить до 72% по сравнению с 45-50%, которые обеспечивают ныне существующие аналогичные технологии», — подчеркивает Гив Зангане. «По такому показателю, как КПД, мы уже практически приближаемся к ГЭС, но при этом мы обходимся дешевле, кроме того, мы более экологичны, потому что нам не нужно строить плотины и водохранилища».

Перспективная технология

«Использование сжатого воздуха не только экологично, оно сможет стать в будущем важным фактором, обеспечивающим стабильное функционирование европейского энергетического рынка. Подобная потребность в будущем будет только увеличиваться», — объясняет нам Маурицио Барбато (Maurizio Barbato), профессор Института инновационного развития при Высшей технической школе итальянской Швейцарии (SUPSI).

«На сегодняшний день такая технология пока еще нуждается в серьезной доработке», — уточняет М. Барбато, который внимательно следит за экспериментом в Бьяске, осуществляющемся в рамках Программы поддержки инновационных проектов швейцарского венчурного Национального фонда (SNF, PNR70). По его мнению, горные породы, в частности, по своим физическим свойствам не гарантируют возможность поддерживать на одном и том же уровне температуру воздуха на выходе из резервуаров, а это является необходимым условием для обеспечения стабильного функционирования энергетических турбин.

«В настоящее время совместно с Высшими техническими школами Цюриха (ETH Zürich) и Лозанны (EPFL) мы изучаем возможности усовершенствования данной системы», — поясняет М. Барбато. Софи Хауссенер (Sophie Haussener) научный сотрудник Инженерной Лаборатории возобновляемых источников энергии при Высшей технической школе Лозанны (EPFL) подчеркивает, что технология Alacaes и в самом деле очень интересна и перспективна. Однако она считает, что значительным ее минусом является относительно небольшое количество энергии, которое может быть аккумулированно на единицу объема воздуха. Пока по этому показателю данная технология в 5-10 раз отстает от обычной аккумуляторной батареи».

Европейский аккумулятор

Большим потенциалом такие технологии могли бы, в теории, обладать на севере Европы, где сейчас опережающими темпами развивается ветровая энергетика. «В идеале воздушный „мега-аккумулятор“ должен находиться в непосредственной близости от ветровых электростанций. Но для объектов, расположенных на равнине, как, например, на севере Германии, обеспечить такую близость довольно сложно.

В этом случае нам пришлось бы устанавливать оборудование на глубине в сотни метров или же строить дорогостоящие сооружения на поверхности. В Швейцарии же горы уже есть, есть в них даже бункеры, которые уже используются с целями, например, хранения информации. Таким образом Швейцария вполне могла бы взять на себя и здесь тоже лидирующую роль».

Гив Зангане скептически относится к тоннелям и старым военным бункерам. Они, как правило, слишком малы, а вытянутая форма туннеля является в данном случае не самой подходящей с точки зрения минимизации потерь энергии. Здесь больше подходят пространства в форме куба или сферы, имеющие оптимальное соотношение площади поверхности к объему. «Подземный куб с длиной ребра в 48 метров позволял бы накапливать и хранить 500 МВт/ч энергии, что хватило бы всему городу Лугано [а это около 70 тыс. жителей] на 12 часов», — подчеркивает он.

«Если итоговые результаты проекта Alacaes дадут хорошие результаты, то Швейцария вполне может рассчитывать в будущем на звание самого настоящего аккумулятора Европы, вносящего неоценимый вклад в стабильное функционирование европейской электросети, выравнивания суточные и сезонные колебания в области соотношения спроса и предложения электрической энергии», — резюмирует Гив Зангане.

А как Вы экономите электричество? Есть ли у Вас идеи, которые могли бы стать вкладом в энергетическую революцию? Поделитесь с нами своим опытом!

Перевод с итальянского: Юлия Ильина