Як забезпечити цілорічне стабільне електропостачання з відновлюваних джерел енергії під час зміни сезонів і мінливих погодних умов? Фінські інженери, здається, знайшли просту і дешеву відповідь - пісок.

За 270 км на північний захід від столиці Фінляндії Гельсінкі на електростанції Ватаянкоскі створили першу у світі піщану батарею комерційного масштабу. Батарея, схована у сталевому контейнері 7 метрів заввишки, містить 100 тонн будівельного піску низького сорту, дві труби теплопостачання та вентилятор.

Пісок перетворюється на батарею після того, як його нагрівають до 600C за допомогою електроенергії, виробленої вітряними турбінами та сонячними батареями.

Відновлювана енергія живить нагрівач, який підігріває повітря всередині піску. Всередині батареї гаряче повітря циркулює крізь теплообмінні труби в піску.

Товста ізоляція навколо піску утримує температуру всередині батареї на рівні 600C, навіть коли на вулиці мороз.

Заповнена батарея зберігає 8 МВт-год теплової енергії. Коли потреба в енергії зростає, батарея вивільняє близько 200 кВт енергії через теплообмінні труби. Цього достатньо, щоб забезпечити опаленням і гарячою водою приблизно 100 будинків і громадський басейн, доповнюючи електрику з мережі. Акумулятор заряджається вночі, коли ціни на електроенергію нижчі.
1px transparent line

За схожим принципом в Україні працюють гідроелектростанції, які вночі можуть закачувати більше води в сховища, а у години пік скидають її, виробляють більше електрики і балансують мережу.

Ця система не потребує технічного обслуговування, каже Вілле Ківіоя, провідний науковий співробітник Polar Night Energy, який стежить за роботою батареї онлайн.

Компанія використовує дешевий пісок низької якості, від якого відмовилися будівельники.

"Труби та пісок не зношуються. Вентилятор є єдиною рухомою частиною, і за потреби його можна легко замінити", - каже Ківіоя.

Пісок ефективно зберігає тепло протягом місяців і має тривалий термін служби: він може нагріватися і охолоджуватися скільки завгодно разів, пояснює фахівець.

Технологію розробили четверо молодих фінських інженерів, друзів дитинства: Томмі Еронен, Маркку Ільонен, Лійса Наскалі та Вілле Ківіоя. Усі четверо захоплювалися легкою атлетикою і зустрічались на змаганнях, коли були підлітками.

Коли їм виповнилося двадцять років, їхні інтереси перейшли від спорту до науки. А коротші та тепліші зими на півдні Фінляндії стали мотивацією боротися зі зміною клімату.

2016 року Еронен робив дослідження для магістерської роботи, присвячене воді. Одна стаття про традиційні фінські каміни, зроблені з каменю та піску, наштовхнула його на просту і геніальну ідею.

"Я замислився про те, що твердий матеріал має бути більш придатним для зберігання сонячної та вітрової енергії, ніж вода", - каже Еронен.

Разом з Юлененом він почав розробку прототипу піщаної батареї. Успішно випробувавши його в саду у діда Еронена поблизу Тампере, друзі покликали ще двох своїх товаришів дитинства і створили Polar Night Energy.

У липні вони встановили першу комерційну піщану батарею на електростанції Ватаянкоскі у Канкаанпяа.

Зберігання екологічної енергії

"Винахід спричинив шквал ажіотажу в усьому світі. "Мій телефон постійно дзвонить, і я маю тисячі непрочитаних електронних листів", - каже Еронен.

Батарея насамперед привернула увагу тим, що вона здатна компенсувати нерівномірне постачання енергії з відновлюваних джерел.

Стабільне зберігання сонячної та вітрової енергії є особливо важливим для скандинавських країн, які мають тривалу темряву та підвищену потребу в теплі взимку, але також багато сонячного світла влітку.

На тлі війни в Україні Фінляндія закликає ЄС збільшити виробництво відновлюваної енергії. "Єдиний вихід з енергетичної кризи - це інвестувати значні кошти у виробництво відновлюваної енергії без викидів", - заявила у вересні прем'єр-міністр Фінляндії Санна Марін.

Винахідники піщаної батареї сподіваються, що саме тут знадобиться їхнє рішення.

Але якою ефективною є піщана батарея у порівнянні з іншими, зокрема, літій-іонними батареями?

Одна велика проблема з літій-іонними акумуляторами, які ми використовуємо для живлення наших ноутбуків, телефонів і електромобілів, полягає в тому, що вони постійно розряджаються, навіть коли ними не користуються, каже Єва Понграч, дослідниця з Університету Оулу на півночі Фінляндії.

"У піщаних батареях немає хімічної реакції, тому в них не відбувається такий процес старіння", - каже вона.

Літієві батареї не підходять для великомасштабних накопичувачів, каже Юлонг Дін, директор Бірмінгемського центру зберігання енергії у Великій Британії, додаючи, що вони також за своєю природою легкозаймисті.

Крім того, є екологічні проблеми. Вироблення кожної тонни очищеного літію спричинює викиди від трьох до дев'яти тонн CO2.

Утім, і винахід Polar Night Energy також має свої обмеження.

"Пісочна батарея зберігає в п'ять-десять разів менше енергії [на одиницю об'єму], ніж традиційна хімічна батарея", - каже Ден Гладуін з кафедри електроніки та електротехніки Університету Шеффілда у Великій Британії.

Команда Polar Night Energy визнає це, але стверджує, що піщана батарея є набагато більш економічно ефективним рішенням. Команда підрахувала, що їхній акумулятор у вісім-десять разів дешевший, ніж літієвий акумулятор, який зберігає таку саму кількість енергії.

Виробництво 8 МВт-год енергії за допомогою піщаної батареї Kankaanpää коштує близько 200 000 доларів США, а літій-іонна батарея, що накопичує 8 МВт-год енергії, коштуватиме щонайменше 1 600 000 доларів.

За словами Еронена, ефективність перетворення тепла в електрику зараз становить лише 30%. Але він не вважає це великою проблемою.

Для збільшення генерації електроенергії від батареї наступним кроком стане додавання турбіни, яка перетворюватиме тепло назад у мережу. "Через пару років ми матимемо таку робочу систему", - каже Еронен.

Polar Night Energy перебуває в процесі підписання контракту на будівництво другої батареї для іншої компанії централізованого теплопостачання у Фінляндії.

"Це буде значно більша система: 2 МВт теплової потужності та 500 МВт·год накопичувальної ємності. Це в 10 разів більше, ніж у нас у Канкаанпяа", - каже Еронен.

"Батарея має набагато більший потенціал крім опалення будинків, - каже керівник проєкту компанії Лійса Наскалі. - Її можна буде використовувати в усіх промислових процесах, які потребують високої температури: пекарні, пральні, металургійні заводи".

Еронен каже, що до 2023 року Polar Night Energy прагне стати "справді глобальною компанією, яка будує піщані батареї по всьому світу". Величезний бум вітроенергетики - до 2025 року енергія вітру покриватиме 25% споживання електроенергії у Фінляндії - сприятиме цьому, але попереду ще "багато роботи".

Для виходу на міжнародний ринок Polar Night Energy розглядає можливість заміни піску іншими гранульованими, негорючими матеріалами у тих місцях, де піску не вистачає.

"Ідея полягає в тому, щоб озирнутися навколо та знайти відповідний матеріал на місці: ми можемо, наприклад, застосувати побічні продукти промислових процесів і перевірити, чи підійдуть вони нам", - каже Еронен.

Найбільшою проблемою для розширення є небажання компаній і муніципалітетів інвестувати в нові технології.

"У Фінляндії компанії централізованого теплопостачання зобов'язані постачати тепло, і вони змушені платити штрафи, якщо не виконують цих зобов'язань. Ось чому вони досить обережно ставляться до великих інвестицій у нову технологію", - каже Наскалі.

"Деяким галузям промисловості потрібне дуже гаряче повітря, наприклад, 300C, щоб щось висушити. Зараз ми розглядаємо можливість співпраці з промисловими компаніями в районі Канкаанпяа, які використовують електроенергію для виробництва тепла. Наявність піщаної батареї, яку вони можуть заряджати протягом ночі, захистіть їх від коливань цін", - каже керівний директор компанії Пекка Пассі.

Вказуючи на екстремальні температури, посуху та лісові пожежі, які охоплюють світ, молоді фінські інженери кажуть, що ми не маємо часу чекати переходу на нові технології. "Ми маємо ухвалювати сміливі рішення прямо зараз, щоб уникнути кліматичної кризи", - каже Ківіоя.

"Ми, вчені та інженери, відчуваємо значний тиск через зміни клімату, - каже він. - Я перетворюю цей тиск на натхнення, як було у спорті".

Еронен каже, що "створення компанії схоже на змагання у спорті: ти хочеш перемагати".

2018 року на енергетичну конференцію в Гельсінкі він приїхав разом з Юлененом на велосипедах, здолавши 170 км з їхнього рідного міста Тампере.

"Усі інші учасники прибули машиною або літаком. Це змусило нас замислитися: "Ми дійсно повинні змінити ситуацію".