Перед США как одним из мировых лидеров в использовании альтернативных источников энергии вскоре может встать новая проблема. Ученым предстоит придумать, как сохранять излишки энергии, когда светит солнце и дует ветер, чтобы использовать ее ночью или в безветренную погоду.
В США лидером по производству солнечной энергии является Калифорния. Именно поэтому в декабре 2013 года комиссия штата по вопросам энергетики постановила приобрести к концу 2014 года огромные электрические аккумуляторы мощностью 200 МВт,
а к 2020 году их мощность должна составить 1,325 ГВт.
Установка таких батарей размером с 18-колесный грузовик должна решить проблему выравнивания энергопотребления в часы пик и ночью. Однако химические аккумуляторы имеют свои недостатки: подобные батареи будут стоить миллиарды долларов, да и рассчитаны они на ограниченное количество циклов зарядки-разрядки.
Проблема сохранения излишков энергии не нова. Распространенным способом ее решения является строительство гидроаккумулирующих электростанций, одна из которых, Загорская ГАЭС, находится в Подмосковье.
Используя излишки электроэнергии, ее турбины закачивают воду в верхний бассейн в часы низкого энергопотребления и спускают воду, отдавая энергию в сеть в часы пик.
Простой, но оригинальный способ накопления энергии предложила калифорнийская компания Advanced Rail Energy Storage (ARES). Используя аналогичный ГАЭС принцип, ученые намерены утилизировать излишки электроэнергии не при помощи воды, а при помощи железнодорожных вагонов.
Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз,
и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.
«Идея была такова: как можно передвигать массу при помощи гравитации? — пояснил руководитель ARES Джеймс Келли. — Это привело нас к технологии столетней давности – электрической железной дороге, к которой мы добавили современную цифровую систему управления, чтобы автоматизировать работу дороги».
В настоящее время инженеры создали рабочий прототип такой дороги в горах Тахачапи. Подобные системы способны запасать гораздо больше энергии, чем химические аккумуляторы и механические маховики, а их строительство обходится в два раза дешевле, чем строительство ГАЭС. Инженеры ARES предлагают массовое строительство таких объектов, способных давать 3 ГВт мощности и запасать до 24 ГВтч.
Для этого требуется главное — оборудованные железной дорогой длинные пологие склоны.
«Мы не используем воду, не используем топливо, не производим выбросы, не используем опасные и загрязняющие вещества», — говорит Келли.
Масштабируя существующий проект, ученые планируют построить опытную накопительную систему с несколькими путями длиной до 12 км. Используя излишки энергии, локомотивы будут поднимать груз камней и цемента весом 230 тонн на гору и спускаться вниз за новым составом. Главным преимуществом подобной системы является высокий КПД превращения электрической энергии в потенциальную энергию вагонов и наоборот.
По словам создателей, в настоящее время этот показатель составляет 85%, при этом по мере совершенствования системы его можно увеличить.
Эксперименты показали, что для строительства подобных систем идеально подходят пологие склоны с уклоном 6–8%, по которым вагоны катятся с постоянной скоростью до 30 км/ч. Штат Невада с его холмистым ландшафтом и другие подобные места в мире идеально подходит для устройства таких конструкций. Посмотреть ролик с действующим макетом железной дороги можно на сайте компании.