На глубине 600 метров, в темноте у побережья Калифорнии лежит огромная бетонная сфера. Она похожа на какой-то гриб, выращенный гигантской внеземной цивилизацией. Её стены могут выдержать давление в 77 раз больше атмосферного — так что она не боится даже шторма или землетрясения. От центра сферы к пляжу бежит большой провод, подключенный дальше к общей калифорнийской энергосети. Внутри сферы — не нефть, не газ, и не воздух. Она держит внутри морскую воду.

Целый ряд таких сфер — часть амбициозного проекта StEnSea (Stored Energy in the Sea) по балансированию энергетической системы целых государств. Здесь ученые решают главную проблему чистой энергии: как её хранить и распределять в те часы и дни, когда ветер перестаёт дуть, а Солнце закрыли тучи?

Гигантская батарея из бетона и воды

В доме на случай дождливых дней можно поставить Tesla Powerwall или что-то подобное. Такой аккумулятор, пусть и занимает достаточно много места, но может позволить вам пересидеть пару дней в отсутствие источника энергии. Но в масштабах целого города, а тем более — государства, это не работает. Здесь нужно сохранять энергию в чём-то по-настоящему гигантском.

В Британии такую проблему элегантно решили на электростанции Динорвиг (также известной как «Электрическая гора»). Это самый выгодный способ хранить энергию — через ГАЭС. По мере наличия избытков в национальной электросети, станция закачивает воду вверх в большое озеро. А если энергии начинает не хватать, скажем, в часы пик, когда люди возвращаются с работы, — озеро опустошается, вода по пути вниз крутит гигантские турбины, и всей стране снова начинает хватать электричества.

Самый большой аккумулятор в Британии — озеро

Проблема с этим одна: не все могут найти такое идеальное озеро посреди гор, чтобы качать в него воду. Нужен резервуар сверху, и резервуар снизу. Но проект StEnSea нашел способ создать похожие условия вообще в любом водоёме.

Концепция на удивление проста. На дне лежит полая бетонная сфера высотой с 5-этажный дом. Когда есть избыточная энергия — скажем, от близлежащей морской ветровой станции — она используется для откачки морской воды из сферы. Внутри создается состояние, похожее на вакуум. А потом, когда энергии не хватает, в сфере открывается клапан. Вода несётся обратно, причем чем глубже лежит сфера — тем с большей силой и скоростью. По ходу она вращает турбину, и та вырабатывает электричество. Процесс полностью обратим, и может повторяться сотни раз в год. Такую балансировку можно проводить хоть каждый день.

Идея проекта родилась в 2011 году у двух немецких профессоров-физиков, Хорста Шмидта-Бёкинга и Герхард Лютера. В 2017-м систему со сферой испытали в скромном масштабе — с 3-метровой сферой, размещенной в Боденском озере в Германии (вот научная работа, pdf). Этот небольшой пресноводный эксперимент сработал, и компания решила перейти к тестам в океанах. Их первый проект у побережья Лонг-Бич в Калифорнии хотят запустить до конца этого года. Хотя это всё еще тестовые образцы, они должны будут уже полноценно работать, регулируя энергосистему штата.

Каждая новая сфера будет около 10 метров в диаметре и весить по 400 тонн. Нехитрая конструкция сможет накапливать до 0,4 мегаватт-часов энергии, чего достаточно для питания обычного дома в течение двух-трех недель.

Половину денег (€3,4 млн) на проект дает немецкий Институт экономики энергетики и технологий энергетических систем им. Фраунгофера, другую половину — Департамент энергетики США (около $4 млн). Сама пилотная сфера оценивается в $2 млн, но при массовом производстве ученые ожидают снизить эту стоимость в несколько раз. К тому же предлагается делать с каждым разом всё более крупные сферы — уже заливаются образцы диаметром по 30 метров. Каждый из таких будет не сильно дороже, около $6 млн, но сможет хранить в ~37 раз больше энергии (что соответствует увеличению объема хранимой воды).

Ожидается, что уже до 2028 года удастся снизить стоимость хранения энергии до $200-$300 за 1 кВт⋅ч емкости. Это в 2-3 раза дешевле, чем литий-ионные батареи, как в Tesla Powercell, плюс — больший срок службы (до 50-60 лет), высокий КПД (75-80%) и большее количество циклов. Хранение через ГАЭС, как в Британии, всё-таки будет ещё в полтора раза дешевле, но это требует определенного ландшафта, и сразу больших вложений. Здесь же можно построить сферу за $6 млн, и создавать новые по мере увеличения спроса. Не нужно вкладывать миллиарды, надеясь, что они в итоге оправдают себя.

Превращение морского дна в аккумулятор

Окончательное видение тут крайне амбициозно: целые поля 30-метровых сфер, покрывающих морское дно. Отсутствие экологических рисков (всё-таки, это бетон, а не пластик). Не нужно спрашивать разрешения общества, люди не будут видеть этих сфер вокруг себя, не будут слышать какой-то лишний шум. Плюс — близость к местам производства возобновляемой энергии, тем же ветряным электростанциям. Можно «садить» сферы ровно там, где это имеет смысл. Любое море, океан, озеро, водохранилище (в идеале всё-таки не река) может стать огромным аккумулятором.

Элегантность технологии заключается в ее механической простоте и огромном давлении, которое обеспечивает сам океан. Подобный проект может быть реализован везде, где есть достаточная глубина (и чем глубже — тем лучше). Для реализации своих идей в Калифорнии немецкие профессоры используют в основном компании из США. Sperra, американский стартап, специализирующийся на 3D-печати бетона, строит сам шар в Лонг-Бич. А Pleuger Industries из Майами поставляет подводные насосы для двигателей, которые позволят откачивать морскую воду.

Анализы, проведенные Институтом им. Фраунгофера, говорят о том, что подобная технология может использоваться почти в любых условиях. От фьордов в Норвегии до береговых линий Японии, от восточного побережья США до португальского шельфа. В мире полно идеальных мест с глубиной 600-800 метров — где давления более чем достаточно для вращения турбин внутри сфер, но оно не настолько большое, чтобы случилась имплозия, как два года назад вышло с субмариной «Титан».

Глубинные энергосистемы

В числе главных преимуществ проекта — масштабируемость, высокий КПД (лишь немногим ниже, чем у традиционного гидроаккумулирующего хранилища) и большой срок службы (хотя турбины и генераторы всё равно потребуют замены примерно каждые пару десятилетий). Каждая отдельная сфера хранит относительно немного энергии, но их легко связать друг с другом так, что общая емкость будет во много раз превышать любую гидроэлектростанцию.

Одна сфера диаметром 30 метров обладает емкостью примерно 15 МВт⋅ч. Этого хватит примерно на 3-4 тысячи домов, если речь будет идти только о сглаживании вечернего пика. Несколько таких сфер хватит на средний город. К тому же сферы могут в теории выйти на самоокупаемость — занимаясь энергетическим арбитражем, то есть покупая энергию, пока она дешева, и храня её для продажи в те моменты, когда цены растут. Или же просто получая деньги за свои услуги стабилизации.

Капитальные затраты оцениваются примерно в $1500 за киловатт мощности, и до $200 за киловатт-час емкости хранения, что намного дешевле всех альтернатив, кроме крупных ГАЭС. Если тестовый запуск у побережья США в этом году пройдет успешно, можно с уверенностью говорить о том, что в морях разных стран в перспективе появится намного больше таких вот «подводных грибов». Учитывая, что мы уже отлично собираем энергию солнца и ветра, это будет неплохой способ расширить использование ресурсов океана.