По мнению исследователей, в высотных зданиях вскоре можно будет использовать гравитационные накопители энергии

Аккумулятор Trojan T105

Исследователи из Канады предложили использовать гравитационные накопители энергии в высотных зданиях в сочетании с фотоэлектрическими фасадами, небольшими ветряными турбинами и литий-ионными аккумуляторами. Их моделирование показало, что эта гибридная система может обеспечить стабильную стоимость энергии в диапазоне от 0,051 до 0,111 доллара за кВт⋅ч.

Исследователи из Университета Ватерлоо в Канаде разработали прочную гравитационную систему хранения энергии, которую можно использовать для хранения возобновляемой энергии в многоэтажных городских зданиях.

Система на основе канатной тали предназначена для работы в сочетании с фотоэлектрическими фасадами, установленными на южной, восточной и западной стенах, а также с небольшими ветряными турбинами на крыше и литий-ионными (Li-ion) аккумуляторами.

В предлагаемой конфигурации гравитационная система служит основным накопителем энергии, а аккумуляторы используются только для быстрого накопления энергии в часы значительного избытка или недостатка выработки. Система использует энергию, вырабатываемую фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами, для подъёма тяжёлого груза внутри шахты на этапе зарядки. Затем эта накопленная потенциальная энергия высвобождается для вращения электрогенератора на этапе разрядки.

Система состоит из мотор-генератора, подъёмных тросов, передаточных механизмов и стальных или бетонных блоков. Она работает аналогично обычным лифтам в городских зданиях и движется почти с той же скоростью.

«Эта конструкция технически осуществима, и недавно она была успешно опробована в коммерческих целях», — рассказал ведущий автор исследования Мухаммед А. Хассан журналу PV. «В частности, Gravitricity продемонстрировала прототип системы высотой 15 м и мощностью 250 кВт в гавани Лейт в Эдинбурге с двумя 25-тонными подвесными грузами и двумя генераторами, подключёнными к сети. С 2021 года эта же компания запустила два полномасштабных коммерческих проекта мощностью 4 МВт и 8 МВт.

Исследователи смоделировали систему на основе 625 типовых проектов зданий, учитывая такие факторы, как соотношение площади фасада к объёму, соотношение длины к ширине и соотношение высоты к площади основания. Они также использовали многоцелевой генетический алгоритм (MOGA) для оценки как усреднённой стоимости электроэнергии (LCOE), так и зависимости каждого здания от централизованного электроснабжения.

Анализ показал, что эта гибридная система может обеспечить уровень безубыточности от 0,051 до 0,111 доллара США за киловатт-час, а стоимость электроэнергии в сети — от 0,195 до 0,888 доллара США за киловатт-час. Эти результаты сопоставимы с показателями аналогичных интегрированных в здания систем возобновляемой энергетики, расположенных в Канаде и других регионах с ограниченными ресурсами возобновляемой энергии.

«В высотных зданиях с большой площадью этажей, как правило, достигается более низкая стоимость электроэнергии, но при этом выше стоимость электроэнергии в сети», — пояснили исследователи, отметив, что по мере увеличения энергопотребления здания должна увеличиваться и мощность гравитационной системы хранения.

Результаты моделирования также показали, что срок окупаемости гравитационной системы хранения может составлять от 9 до 17 лет, а с учётом дисконтирования — в большинстве случаев менее 25 лет.

«Это подтверждает его долгосрочную финансовую жизнеспособность», — сказал Хассан. Однако он подчеркнул, что отраслевой консенсус по-прежнему важен в нескольких аспектах, включая сложность эксплуатации, первоначальные затраты и необходимость демонстрировать круглосуточную надёжность в течение многих лет реальной эксплуатации.

«Несмотря на то, что механические принципы работы доказаны, проблема будет заключаться в масштабировании, обеспечении конкурентоспособных капитальных затрат и интеграции в энергосистему или промышленную среду. Таким образом, внедрение на рынке по-прежнему зависит от подтверждения того, что эти системы могут превзойти аккумуляторные, химические и другие гравитационные альтернативы по ожидаемому сроку службы, особенно в тех случаях, когда требуется подача энергии в течение нескольких часов или дней без снижения мощности», — добавил он.

«Независимый анализ показывает, что коммерческая зрелость с точки зрения рентабельности и массового внедрения на развитых рынках за пределами Китая, скорее всего, наступит в конце 2020-х годов, после получения данных за несколько лет эксплуатации существующих флагманов, — продолжил он. — В настоящее время наземные гравитационные хранилища коммерчески оправданны в первоначальных масштабах, но ещё не достигли массового внедрения с учётом дисконтирования объёма. Заключение долгосрочных контрактов и обеспечение надёжности в течение следующих трёх лет должны привести к полной коммерческой зрелости».

Система была представлена в статье “Оптимизация жизненного цикла гибридных систем возобновляемой энергетики с учетом геометрии здания с твердотельным накопителем энергии”, опубликованной в Applied Science.