Большие аккумуляторы, накапливающие электроэнергию, произвели революцию в электросетях и автомобильной промышленности. Теперь некоторые стартапы делают ставку на то, что «тепловые аккумуляторы» могут оказаться не менее революционной технологией

Среди кукурузных полей на востоке Южной Дакоты заработал аккумулятор нового типа, и некоторые компании делают ставку на то, что эта идея способна преобразить мировую энергетическую систему.

Большинство крупных аккумуляторов накапливают электричество и отдают его по мере необходимости. Они уже произвели революцию в электросетях и положили начало эпохе электромобилей. Однако эта аккумуляторная установка, построенная за последний год стартапом Antora Energy, накапливает огромное количество тепла при невероятно высоких температурах.

Для зарядки Antora использует избыточную электроэнергию близлежащих ветряных электростанций, которая в противном случае пропала бы впустую, и нагревает с её помощью углеродные блоки до 2400°C. Блоки остаются горячими на протяжении нескольких дней, отдавая тепло по мере необходимости для производства пара, который используется на соседнем заводе по выпуску биотоплива. Это позволяет отказаться от сжигания природного газа и угля.

Сегодня в мире существует лишь небольшое количество подобных крупных тепловых аккумуляторов. Однако, по словам экспертов, эта технология, также известная как тепловое аккумулирование энергии, обладает потенциалом для использования огромных объёмов недорогой чистой энергии.

«Мы хотим, чтобы это стало глобальным энергетическим решением, — сказал Джастин Бриггс, соучредитель и главный операционный директор компании Antora, базирующейся в Сан‑Хосе, штат Калифорния. — Мы хотим обеспечить возможность поставлять дешёвую и надёжную энергию в любой точке мира».

В последние годы интерес к хранению энергии резко вырос, отчасти благодаря быстрому развитию ветровой и солнечной энергетики. Хотя эти технологии позволяют производить электричество по низкой цене, их выработка непостоянна и часто приходится на периоды, когда электроэнергия не нужна, например на ветреные ночи. Это приводит к периодическому избытку дешёвой энергии, если только удастся придумать, как её использовать.

У накопления этой энергии в виде тепла есть свои преимущества.

Промышленным предприятиям и заводам требуется огромное количество тепла и пара для самых разных процессов, от жарки картофельных чипсов до выплавки железа из руды. Обычно для получения высоких температур они сжигают уголь или природный газ, выбрасывая при этом больше парниковых газов, вызывающих глобальное потепление, чем все автомобили мира вместе взятые. Тепловые аккумуляторы могут предложить более чистую альтернативу.

Появилось уже почти с десяток стартапов, предлагающих собственные решения для теплового аккумулирования энергии. Компания Rondo Energy из Аламида, штат Калифорния, использует раскалённые огнеупорные кирпичи. Другие компании применяют керамические кирпичи, дроблёные горные породы или грунт.

Впереди немало препятствий. Компаниям предстоит доказать, что они способны масштабировать свои технологии и что используемые материалы не будут разрушаться под воздействием экстремальных температур. Во многих регионах нормативные ограничения затрудняют использование тепловыми аккумуляторами дешёвой возобновляемой электроэнергии.

Тем не менее некоторые аналитики считают, что технология обладает значительным потенциалом, даже несмотря на то, что климатические проблемы отошли на второй план политической повестки. Война США против Ирана нарушила мировые поставки природного газа, заставив многие промышленные предприятия искать альтернативные источники энергии. Некоторые компании, занимающиеся тепловыми аккумуляторами, включая Antora и Rondo, рассматривают способы использования таких устройств для энергоснабжения центров обработки данных, поскольку технологические гиганты отчаянно ищут источники электроэнергии.

«Это невероятно перспективная технология, — сказал Джеффри Риссман, старший директор по вопросам промышленности в независимой исследовательской организации Energy Innovation. — Мне трудно представить себе будущее с чистой промышленностью и экологически чистой электросетью, в котором не нашлось бы места тепловому аккумулированию энергии».

Первые испытания

Неподалёку от Биг‑Стоун‑Сити, штат Южная Дакота, компания POET, один из крупнейших в мире производителей биотоплива, владеет заводом по производству этанола. Каждый день сюда с грохотом прибывают около 150 грузовиков, доставляющих тысячи бушелей кукурузы, которую измельчают, нагревают и перегоняют в топливо для автомобилей.

Процесс перегонки требует постоянной подачи пара температурой около 177°С. На протяжении многих лет компания сжигала огромное количество природного газа, которого ежедневно хватило бы для энергоснабжения десятков тысяч домов, в трёх гигантских котлах для получения необходимого тепла. Она также использовала отработанный пар соседней угольной электростанции.

Теперь ситуация быстро меняется.

Ясным сентябрьским днём рабочие завершали монтаж теплового аккумулятора Antora, расположенного через дорогу от завода по производству этанола. Установка начала подавать на предприятие горячий пар ещё в начале этого года.

Южная Дакота хорошо подходит для испытания технологии, поскольку здесь временами возникает избыток дешёвой электроэнергии. Ветряные турбины производят 60 процентов электроэнергии штата, но нередко ограничения пропускной способности линий электропередачи не позволяют передать её потребителям. В ветреные периоды оптовые цены на электричество могут опускаться почти до нуля, и операторам энергосетей иногда приходится отключать ненужные турбины.

В диспетчерской сотрудники Antora следят за состоянием местной электросети. Когда цены снижаются до достаточно низкого уровня, аккумуляторы начинают заряжаться. Когда цены растут, зарядка прекращается. Это ключевой фактор экономической эффективности технологии.

«Мы потребляем электричество тогда, когда его много, когда оно дешёвое и никому больше не нужно, — сказал Бриггс, основавший компанию вместе с партнёрами в 2018 году. — Мы хотели гарантировать, что никогда не будем создавать дополнительную нагрузку на электросеть».

Электроэнергия питает большие резистивные нагреватели, похожие на те, что используются в тостерах. Они нагревают сотни углеродных блоков, размещённых в стальных модулях размером с грузовые контейнеры. При высоких температурах углеродные блоки раскаляются добела, передавая энергию циркулирующему теплоносителю, который используется для производства пара.

Аккумулятор Antora заряжается быстрее, чем отдаёт тепло, и после полной зарядки способен обеспечивать непрерывную подачу пара на протяжении 100 часов, даже во время длительного затишья в ветровой генерации.

Компания POET пока довольна результатами и планирует отключать свои газовые котлы почти круглый год. По словам представителей компании, стоимость пара, получаемого от Antora, сопоставима с затратами на покупку природного газа. POET получает и дополнительное преимущество: сокращая выбросы парниковых газов, компания получает право на более крупную федеральную налоговую льготу для производителей низкоуглеродного биотоплива.

«У нас сложилось хорошее партнёрство, — сказал Джефф Лаутт, президент и главный операционный директор компании. — Настолько хорошее, что мы готовы повторить этот опыт на другом предприятии, если это будет целесообразно».

Хотя тепловое аккумулирование энергии может приносить пользу климату, технология получила поддержку обеих основных политических партий США. Когда проект Antora начал работать, губернатор‑республиканец и сенаторы от Южной Дакоты высоко оценили его. Многим консерваторам нравится идея круглосуточного энергоснабжения, основанного на материалах местного производства. Углеродные блоки можно изготавливать из побочных продуктов нефтяной и угольной промышленности, и, в отличие от многих других типов аккумуляторов, они не зависят от китайских компонентов.

«Это больше, чем нишевая технология, — сказал Питер Лейк, до недавнего времени занимавший должность старшего директора по электроэнергетике в Национальном совете по энергетическому доминированию администрации Трампа. — В ней есть элегантность и простота».

Недавно Antora объявила о заключении соглашения на поставку теплового аккумулятора ещё одному заводу по производству этанола в Канзасе, принадлежащему компании Pratt Energy. Однако, по словам Бриггса, аккумуляторы могут обеспечивать теплом широкий спектр производственных процессов, от получения бумажной массы до изготовления цемента, а не только производства биотоплива.

«Практически в каждой крупной отрасли промышленности есть подобная паровая система, к которой можно просто подключиться», — сказал он.

Потребность в тепле

Конкурирующие проекты появляются один за другим.

Компания Rondo Energy, один из главных конкурентов Antora, использует возобновляемую энергию для нагрева огнеупорных кирпичей до температуры 1500°С. Стартап уже поставляет пар на завод по производству биотоплива в Калифорнии и цементный завод в Таиланде. В рамках будущего проекта компания будет использовать солнечную энергию, вырабатываемую в дневное время, для теплоснабжения пивоваренного завода в Португалии, принадлежащего Heineken.

Эрик Трушевич, генеральный директор Rondo, говорит, что тепловое аккумулирование энергии становится всё более привлекательным с финансовой точки зрения благодаря снижению стоимости возобновляемой энергии и недавним перебоям на рынках нефти и газа, вызванным войнами на Украине и Ближнем Востоке.

«В целом мы придерживаемся принципа не пытаться продавать нашу технологию там, где она не оказывается существенно дешевле ископаемого топлива, — сказал Трушевич. — Пять лет назад таких мест было немного. Теперь это очень большая часть мира».

Чтобы конкурировать с природным газом, аккумуляторы должны быть чрезвычайно дешёвыми. Antora намерена ускорить производство, изготавливая модули на заводе и доставляя их грузовиками непосредственно на площадки проектов для быстрого монтажа. По словам компании, установка в Южной Дакоте, одна из крупнейших аккумуляторных систем на планете, была построена менее чем за год.

«Теперь нам предстоит доказать, что мы способны делать это в глобальном масштабе», — сказал Бриггс.

Согласно одному из недавних исследований Национальной лаборатории Скалистых гор, тепловое аккумулирование энергии потенциально может оказаться экономически выгоднее природного газа во многих регионах и со временем обеспечить до трети потребностей американской промышленности в тепле, если стоимость аккумуляторов продолжит снижаться.

Это имело бы большое значение для борьбы с изменением климата, поскольку на промышленное производство тепла приходится около 10 процентов выбросов парниковых газов, вызывающих глобальное потепление, что больше, чем на автомобили или самолёты.

«До сих пор промышленному теплу уделялось не так много внимания, — сказала Мелисса Халтинг, директор по декарбонизации промышленности в некоммерческой организации Center for Climate and Energy Solutions. — Тепловые аккумуляторы способны на самом деле изменить правила игры».

Однако исследование выявило и серьёзную проблему.

Во многих районах страны тепловым аккумуляторам трудно заряжаться только в периоды избытка дешёвой электроэнергии, поскольку местные правила не предусматривают изменения розничных тарифов по часам. В Южной Дакоте Antora потратила много времени на переговоры о новой тарифной системе с местной энергетической компанией Otter Tail Power. Но пересмотр правил в сотнях различных коммунальных компаний и энергосистем может потребовать времени.

«Нам предстоит преодолеть инерцию, — сказал Мэтт Шуэргер, бывший член Комиссии по коммунальным предприятиям Миннесоты. — Как это часто бывает с новыми технологиями, многие из этих правил были написаны ещё до появления тепловых аккумуляторов».

Ажиотаж вокруг центров обработки данных

В последнее время некоторые инвесторы начали изучать возможность использования тепловых аккумуляторов для энергоснабжения центров обработки данных, необходимых для работы искусственного интеллекта и потребляющих огромное количество энергии.

Технологические компании стремятся получить электричество из любых доступных источников, особенно таких, как природный газ, которые способны обеспечивать непрерывную выработку энергии. Однако очереди на поставку газовых генераторов могут растягиваться на годы.

Antora и Rondo утверждают, что могут использовать пар от тепловых аккумуляторов для приведения в действие простых паровых турбин, которые легче приобрести и которые способны обеспечивать стабильную подачу электричества центрам обработки данных. Это звучит неэффективно: сначала превращать электричество в тепло, а затем обратно в электричество. Однако аналитики считают, что такой подход может иметь смысл, если аккумуляторы можно быстро установить.

В июле Antora привлекла 550 миллионов долларов инвестиций, причём некоторые инвесторы компании заявили, что возможность энергоснабжения центров обработки данных представляет для них особый интерес.

«Промышленное тепло открывает большие возможности, но возможности центров обработки данных просто огромны, — сказал Джо Фат, партнёр и руководитель направления роста в инвестиционной компании Eclipse, которая была одним из ведущих участников раунда финансирования Antora. — Я думаю, со временем именно это направление, скорее всего, станет главным двигателем роста».