Зачем немецкие инженеры опустили бетонный шар на дно озера

В ноябре 2016 года в Боденское озеро опустили полый бетонный шар диаметром три метра. На глубине около ста метров он должен был работать как накопитель энергии. Причём заряженным считался пустой шар: сначала из него откачивали воду, а затем впускали её обратно через турбину, чтобы получить электричество.

Так немецкие инженеры испытывали систему StEnSea. Она нужна, чтобы сохранять избыток электричества, которое электростанции вырабатывают в часы невысокого потребления, и отдавать его в сеть позже. В обычных гидроаккумулирующих станциях для этого используют два водохранилища на разной высоте, а здесь решили обойтись ёмкостью на дне.

Как вода возвращает электричество

Обычная гидроаккумулирующая станция при избытке электричества поднимает воду насосами в верхнее водохранилище. Когда энергия снова нужна, воду выпускают вниз через турбины. На подъём воды станция заранее тратит электричество, зато выработать его снова можно тогда, когда оно понадобится — например, вечером, когда люди возвращаются домой и включают бытовую технику.

В системе StEnSea роль верхнего водохранилища выполняет само озеро или море, а нижнего — полость внутри шара. Для зарядки электрический насос выкачивает из неё воду наружу, преодолевая давление окружающей воды. Затем клапан закрывают. Снаружи на оболочку давит вода, а внутри остаётся место, которое она сможет заполнить при следующей разрядке.

Когда требуется электричество, клапан открывают. Вода устремляется в шар через турбину и вращает соединённый с ней генератор. По мере наполнения свободного места становится всё меньше, а когда резервуар заполнен, поток прекращается и выработка останавливается. Для следующего цикла воду снова нужно выкачать.

Чем глубже расположен шар, тем сильнее вода давит на него снаружи и тем больше работы она может совершить, проходя через турбину. Увеличение внутреннего объёма тоже повышает запас энергии: через турбину пройдёт больше воды. Поэтому для крупного накопителя нужны одновременно большой резервуар и достаточная глубина.

Насос, турбина, генератор и электрическое оборудование работают с потерями, поэтому при разрядке возвращается меньше электричества, чем было затрачено на зарядку. Такой запас нужен, например, когда сильный ветер позволяет ветрякам вырабатывать много энергии, а потребление в сети невелико. Вместо того чтобы ограничивать выработку, часть электричества можно сохранить до вечера или до ослабления ветра.

Зачем накопителю бетонная оболочка

Разместить резервуар на глубине непросто: вода давит на него со всех сторон. Пока шар заполнен, давление внутри и снаружи почти уравновешено. При откачке воды нагрузка на стенки возрастает. Стенки должны выдерживать эту нагрузку и не пропускать воду. Если оболочка даст течь, вода попадёт внутрь в обход турбины, и запас энергии уменьшится.

У сферической оболочки давление распределяется по всей поверхности. Большие плоские стенки при такой нагрузке пришлось бы дополнительно укреплять, чтобы они не прогибались. Бетон позволяет изготовить массивную оболочку из сравнительно доступного материала. Но огромную полую сферу всё равно нужно точно отлить, проверить, перевезти и опустить на основание. В озёрном опыте использовали шар наружным диаметром около трёх метров и массой примерно двадцать тонн.

Оборудование разместили в отдельном съёмном блоке. Насосно-турбинный узел, клапан и управляющее оборудование можно поднять для обслуживания, оставив тяжёлую оболочку на дне. Для морского накопителя это особенно важно: насос, клапаны и электронику удобнее ремонтировать в мастерской на берегу, чем на глубине в несколько сотен метров.

Обычной гидроаккумулирующей станции нужны подходящий рельеф, два резервуара и участок земли. Подводный вариант позволяет искать место у побережья, в том числе рядом с морскими ветропарками. Однако одной глубины недостаточно: важны уклон дна, возможность проложить кабель, расстояние до берега и условия для монтажа тяжёлых конструкций.

Что удалось проверить в озере

Боденское озеро выбрали для проверки уменьшенного образца. В конце 2016 года установка прошла четырёхнедельные испытания, а в марте 2017-го шар подняли со дна. Исследователи проверили, как установка откачивает воду и вырабатывает электричество при заполнении, и сравнили результаты с расчётами. До этого компоненты и систему управления испытывали на суше.

Трёхметровый шар был моделью масштаба один к десяти. Для полноразмерной системы разработчики рассматривают сферы диаметром около тридцати метров на глубине в несколько сотен метров. В такой резервуар помещается гораздо больше воды, чем в озёрный образец, поэтому он может запасти больше энергии. Но большую оболочку сложнее изготовить и проверить на прочность, а для её перевозки и установки потребуется тяжёлая морская техника.

Чтобы сравнить стоимость такого накопителя с батареями или обычной гидроаккумулирующей станцией, нужно знать, сколько он прослужит и во что обойдётся его обслуживание. Одного короткого испытания для этого недостаточно. В итоговые расходы придётся включить и подъём оборудования для ремонта, и замену изношенных деталей, и работу судов, которые будут обслуживать накопитель.

По опубликованным в 2026 году планам разработчиков, следующий, более крупный морской опыт у побережья Калифорнии намечен на конец года. После небольшого озёрного образца инженерам предстоит проверить установку в море и накопить опыт её эксплуатации. Испытания в Боденском озере уже подтвердили сам принцип: откачивая воду из подводной ёмкости, можно запасти энергию, а затем получить часть обратно, впустив воду через турбину.