Насколько перспективны железнодорожные и фуникулёрные накопители энергии?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Подобный накопитель можно сделать довольно компактным, токосъёмников в нём нет, а электрические машины стационарны и имеют большую мощность (читай: высокую эффективность).

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.