Подземные ГАЭС: недостающий элемент для глобальной декарбонизации?

Глобальный переход к возобновляемым источникам энергии, таким как солнце и ветер, ставит перед мировой энергетикой новую фундаментальную задачу – обеспечение стабильности электросетей. В отличие от традиционных электростанций, работающих на ископаемом топливе, выработка «зеленой» энергии носит переменный характер и зависит от погодных условий. Это создает риски дисбаланса между производством и потреблением, требуя создания масштабных систем хранения энергии для компенсации пиков и спадов генерации.

Исторически энергетические системы, основанные на ископаемом топливе, обладали огромными запасами первичных ресурсов. Например, стратегические нефтяные резервы США и газовые хранилища ЕС эквивалентны более чем миллиону гигаватт-часов (ГВт·ч) энергии каждый. На этом фоне текущие мировые мощности по хранению электроэнергии, составляющие около 2000 ГВт·ч, выглядят незначительными. Подавляющая часть этого объема – около 80% – приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

По мере роста доли возобновляемых источников в энергосистеме потребность в длительном хранении энергии (LDES) будет стремительно увеличиваться. По разным оценкам, к 2040-2050 годам миру потребуется от 85 000 до 200 000 ГВт·ч емкости хранения, что эквивалентно строительству десятков тысяч крупных энергетических объектов. Опыт Калифорнии, которая при наличии 16 ГВт накопителей вынуждена регулярно ограничивать выработку солнечных и ветровых станций, подтверждает остроту этой проблемы.

Существует несколько технологий хранения энергии, каждая со своими особенностями. Литий-ионные аккумуляторы эффективны для краткосрочного хранения (до 4-8 часов), но имеют ограниченный срок службы, а добыча сырья для них создает экологические проблемы. Хранение водорода перспективно для долгосрочного резервирования, однако его цикл «электричество-водород-электричество» отличается низкой эффективностью, что делает его нерентабельным для ежедневного использования. Традиционные ГАЭС, использующие перепад высот между двумя водохранилищами, являются проверенным и надежным решением, но их строительство ограничено специфическими географическими условиями в горных районах и часто сталкивается с экологическими возражениями.

В качестве альтернативы в новом докладе, подготовленном инженером-гидроэнергетиком Майком Мак-Уильямсом, предлагается концепция подземных гидроаккумулирующих станций, которые можно строить практически в любом месте, независимо от рельефа. Принцип работы таких станций схож с традиционными ГАЭС, но роль нижнего резервуара выполняют специально созданные подземные каверны на большой глубине. В качестве примера такого подхода приводится проект подземной гидроаккумулирующей станции компании Zero Terrain в эстонском городе Палдиски. Проект уже получил все необходимые разрешения и готов к строительству. Его проектная мощность составляет 500 МВт с начальной продолжительностью хранения 8 часов, которая может быть увеличена до 20-40 часов. В докладе также описан вариант глубокого залегания станции с использованием шахт глубиной 1400 метров, что обеспечивает большую эффективность, снижает потребление воды и делает технологию пригодной для использования в регионах с дефицитом водных ресурсов.

Модульная конструкция позволяет размещать такие объекты рядом с крупными промышленными потребителями или узлами электросети, сокращая потери при передаче энергии. Современные технологии бурения, заимствованные из горнодобывающей промышленности, позволяют безопасно создавать шахты и резервуары на глубине до 1400 метров и более. При увеличении глубины и, соответственно, напора воды, требуемый объем резервуаров уменьшается, что делает проекты более компактными и экономичными. Такие станции могут обеспечивать хранение энергии в течение 20 часов и более.

Подземные ГАЭС способны предоставлять энергосистеме широкий спектр услуг, помимо простого накопления энергии. Они могут работать в режиме синхронного компенсатора для стабилизации напряжения и частоты в сети, обеспечивать «черный старт» – запуск энергосистемы после полного отключения, а также быстро реагировать на изменения нагрузки, наращивая мощность за десятки секунд. Это делает их универсальным инструментом для операторов сетей, который часто называют «лучшим другом оператора сети».

Создаваемая геологическая инфраструктура может иметь и другое экономическое применение. Подземные пространства с контролируемым микроклиматом и стабильным энергоснабжением идеально подходят для размещения центров обработки данных, защищенных хранилищ или высокотехнологичных сельскохозяйственных комплексов. Кроме того, выработанная при строительстве порода может использоваться в качестве ценного строительного материала, а огромные резервуары воды служить стратегическим запасом на случай засухи.

Для успешной реализации подобных капиталоемких проектов необходимы изменения в регуляторной политике. Существующие рыночные модели, ориентированные на краткосрочную выгоду, не всегда способствуют строительству инфраструктуры, рассчитанной на десятилетия эксплуатации. Автор доклада отмечает, что для обеспечения долгосрочной надежности энергосистем может потребоваться возврат к более централизованному планированию, где государство или системный оператор определяет параметры необходимых объектов, а частный сектор участвует в их строительстве и финансировании.

Таким образом, подземные гидроаккумулирующие станции представляют собой масштабируемое и технологически проработанное решение для одной из ключевых проблем «зеленого» энергетического перехода. Их широкое внедрение может позволить не только обеспечить стабильность энергосистем с высокой долей ВИЭ, но и снизить общую стоимость электроэнергии, создавая основу для устойчивого экономического развития.