Солнце, воздух и вода – наши энергоэффективные друзья.

Солнце днём, вода ночью: гидроаккумулятор в режиме запаса воды солнцем и ветром. Источник.

Индонезия – тропическая страна с обильным солнечным освещением на протяжении всего года. Исследования 2018 г. показали, что покрытия нужд страны в электричестве путём преобразования в него солнечной энергии, необходимо оборудовать панелями менее 1% площади. Однако спустя пару лет появились ещё более воодушевляющие данные. В 2020 Давид Фирнандо Силалахи, кандидат наук из Исследовательской школы электротехники, энергетики и материаловедения Австралийского национального университета, провёл изучение перспективности сценария, при котором Индонезия могла бы производить 100% необходимой ей электроэнергии из возобновляемых источников. Он тогда обнаружил, что реальный потенциал страны в этом вопросе превосходит все самые оптимистичные чаяния: на её территории из солнечного света можно производить 640 000 Терраватт-часов (ТВтч) электричества в год, а это – только представьте! – в 2300 раз больше, чем получилось в 2019 году.

Сейчас, вследствие не столь уж давнего переезда в страну большого числа заводов и фабрик мировых промышленных и индустриальных гигантов, обусловленный тогда ещё относительной дешевизной рабочей силы, Индонезия является одним из крупнейших в мире источников выбросов парниковых газов. Но она обязалась достичь к 2060 году углеродной нейтральности.

Однако рост производств вызвал не только масштабную электрификацию, но и повышение уровня жизни и, как следствие, рост населения и спроса на энергоресурсы аж в 30 раз – до 9000 ТВтч в год. И несмотря на успокаивающие прогнозы двухлетней давности, это быстрое увеличение энергозатрат вызывает опасения не только по поводу доступности ресурсов и энергетической безопасности населения, но также подвергается риску экологическая устойчивость региона вообще.

Да, предыдущие исследования показывают возможность обильного солнечного света удовлетворить энергетические потребности: монтаж миллиарда солнечных панелей позволит Индонезии получать около 190 000 ТВтч солнечной энергии в год. Кстати, по некоторым данным, это количество превышает мировое электропотребление в 2020 году.

Тем не менее, полагаясь на солнце, Индонезия должна подстраховаться на случай дефицитов, потому что оно не светит все время. Чтобы нивелировать перепады электроснабжения в ночное время и в дождливые периоды, потребуется снабдить энергосистему большим количеством накопителей.

К счастью, у региона есть перспективы природного решения этой проблемы: речь идёт о так называемых гидроаккумуляторах. Технология представляет собой накопление и хранение в неком насосном гидрохранилище энергии (pumped hydro energy storage – PHES).

Если, что называется, «на пальцах», то метод PHES позволяет направить избыток созданной солнечными панелями энергии (то есть её часть, превышающую нужды потребителей) на перекачку воды вверх по склону – в более высокий резервуар. Когда же выработка электроэнергии панелями падает (будь то по причине пасмурной погоды, ночи или аварии, катаклизма), система выпускает накопленный запас воды в нижний резервуар через турбину.

Учёные выяснили, что отличные участки для постройки резервуаров PHES доступны по всей стране, включая густонаселённые острова Ява, Бали и Суматра.

PHES вне реки

Для разработки внеречной системы необходимы два близко расположенных озера или водохранилища с перепадом высот около 600 метров. Водоёмы, каждый площадью около километра, нужно соединить туннелем, оборудованным турбонасосом.

В таком случае, в отличие от обычных моделей речных гидрозаборов, плотины уже не понадобятся, поскольку потоки будут проходить по соединяющим водохранилища туннелям. Для создания новых таких водных аккумуляторов можно использовать как старые места добычи полезных ископаемых, так и существующие озёра, водоёмы, водохранилища. Это означает, что внеречные системы PHES могут оказывать незначительное воздействие на окружающую среду и социальную сферу.

К плюсам технологии также стоит отнести тот факт, что площадь земли, необходимая для внеречного типа, относительно невелика. Обычной такой гидроэлектростанции на 150 гигаватт-часов потребуется около 8 гектаров земли на ГВтч, в то время как для речного проекта PHES в Верхнем Цисокане на Западной Яве с хранилищем всего лишь в 7 ГВтч необходима площадь затопления 340 га, что снижает КПД до 50 га на ГВтч энергии.

К тому же не стоит забывать, что внеречные системы PHES также могут снизить нашу зависимость от обычных аккумуляторных батарей. Ведь срок службы последних всего 10–15 лет, что не идёт ни в какое сравнение с полувековым или даже столетним ресурсом гидронасосных хранилищ. Это также повлияет на экологию путём прямого снижения уровня потребления дефицитных материалов вроде лития и кобальта.

Насколько велик потенциал?

Учёные насчитали 26 000 территорий, имеющих возможности обзавестись водоёмами для гидроэлектростанций. Это на самом деле намного больше, чем необходимо, так что список был сужен. Исследователи выбрали наиболее подходящих претендентов с самым высоким качеством хранения и самой низкой стоимостью при потенциале в 321 ТВтч.

В число победителей вошли Восточные регионы страны, обладающие наибольшим потенциалом при низких затратах. Это контрастирует с западной частью, которую, по прогнозам, в будущем ожидают значительные потребности в хранении энергии.

Теперь учёные хотят понять, нужно ли Индонезии построить прочные линии электропередач с востока на запад для недорогостоящей энергосистемы или же лучше, чтобы система работала независимо в каждом регионе страны.

Цена вопроса

Выводы однозначны: использование гидроаккумуляторов на сегодняшний день является самым дешёвым способом хранения солнечной энергии в течение ночи и занимает наибольшую долю на мировом рынке её хранения.

Смоделированная недавно гипотетическая станция на 150 ГВтч в Регентстве Вонособо в Центральной Яве с пропускной способностью 7,5 гигаватт – а это большая система хранения – могла работать на полной мощности в течение 20 часов. Участок имеет перепад высот между водохранилищами 741 метр, длину туннеля 4 км и требует всего 4 га затопляемых земель на ГВтч.

Капитальные затраты на разработку этого участка оцениваются в 9,4 миллиарда долларов США, включая стоимость первоначального заполнения водой и приобретения земли. Для сравнения: финансирование аккумуляторной батареи Tesla коммунального масштаба потребуют 60 миллиардов долларов США для той же мощности (150 ГВтч) – это 1,2 миллиона долларов США за 3 МВтч.

Недавняя правительственная оценка потенциала возобновляемых источников на территории Индонезии составляет 443 ГВт, из которых 208 приходятся на солнечные фотоэлектрические батареи, а 235 – на ветровую, гидро- и геотермальную, океаническую и биоэнергию вместе взятые. Институт реформы основных услуг (IESR) также предложил солнечный потенциал 7700 ГВт и потенциал энергии ветра 106 ГВт. Теперь же, зная потенциал PHES в своих прибрежных водах, правительство могло бы с уверенностью планировать развитие крупномасштабной генерации. Таким образом, переход энергетики к углеродной нейтральности является вполне реалистичной целью.

Этот опыт могут перенять и другие государства, что уже, конечно, вряд ли спасёт нас от повышения среднегодовой температуры на 1.5 градуса к пятидесятому году (мы больше не укладываемся в эти планы, и, видимо, даже в 2 градуса), но, тем не менее, поможет не усугубить климатические реалии в более поздние годы.

АРМК, по материаламMDPI, The Conversation.