Копилка киловатт-часов. Как дома учатся хранить энергию
Копенгагенская международная школа на 1200 учеников. Фасад здания состоит из солнечных панелей, которые обеспечивают более половины годового энергопотребления школы
Фраза «дом хранит тепло» перестала быть уютным образом из рекламы утеплителя. Сегодня это вполне реальные киловатт-часы, которые можно направить на обогрев, зарядку электромобиля или даже продать соседям. Как устроены дома-аккумуляторы, разбирался «Новый проспект».
В Германии и Швейцарии дома давно подключают к умным сетям, где излишки энергии от солнечных панелей уходят в общий аккумулятор или к соседям. В Японии целые кварталы проектируют так, чтобы при аварии они могли работать автономно несколько дней. Всё это уже стало привычным стандартом зеленого строительства. Но одной сети мало: сама энергия ведет себя слишком капризно.
Возобновляемая энергетика, увы, непостоянна: солнце светит днем, а спрос растет вечером, ветер дует порывами, а электрочайники включаются строго по расписанию сериалов. В итоге сеть то задыхается от избытка, то пустует в самый пик нагрузки. Без надежного способа хранения такая система напоминает холодильник без морозилки: продукты есть, но долго не протянут.
Классическая модель «электростанция — провода — потребитель» в этих условиях буксует. Строить новые подстанции и линии — дорого, медленно и тяжело. Логичнее хранить энергию прямо там, где она нужна, — в домах и кварталах. Так сеть разгружается, а система становится устойчивее к перебоям.
Немного расчетов
Еще 10 лет назад домашний аккумулятор считался игрушкой для состоятельных любителей солнечных панелей. Сегодня это рынок с миллиардными инвестициями. По прогнозу BloombergNEF, исследовательского подразделения по чистой энергетике, к 2030 году мировая емкость накопителей вырастет более чем в 15 раз по сравнению с 2021-м и превысит 400 ГВт·ч. Международное энергетическое агентство (IEA) дает два сценария: в умеренном миру понадобится около 600 ГВт мощностей хранения, а в амбициозном — уже до 1,5 тыс. ГВт, из которых примерно 1,2 тыс. придутся на батареи.
Иными словами, архитектура внезапно оказалась втянутой в энергетический бизнес. Дом теперь становится не только местом для сна и завтрака, но и узлом глобальной сети — и вполне себе киловатт-часовой копилкой.
Материалы заряжают
Если раньше кирпич и бетон ассоциировались исключительно с домостроением, то сегодня они уже претендуют на роль батарей. Эта мысль кажется шуткой, пока не узнаешь о патентах и лабораторных образцах.
В Массачусетском технологическом институте (MIT) создали суперконденсатор из цемента, углеродной пыли и воды — максимально простых материалов. Такой бетон сохраняет прочность, но при добавлении электролита начинает вести себя как батарейка. Пока речь идет о крошечных образцах, способных зажечь светодиод, но сама перспектива — фундамент дома, который хранит энергию от солнечных панелей, — звучит смело.
В Швеции, в университете Чалмерса, пошли дальше и собрали прототип бетонной батареи: в смесь добавили углеродные волокна и металлическую сетку (анод из железа, катод из никеля). В испытаниях такой бетон выдает около 7 ватт-часов на квадратный метр. Телефон он не зарядит, но уже может питать сенсоры и лампочки. Идея «дом как батарейка» здесь перестает быть фантастикой и обретает реальные очертания.
Пока кирпичи и бетон только учатся хранить энергию в лабораториях, в городах Европы уже строят дома и школы, где стены регулируют тепло, а фасады превращаются в солнечные батареи.
Энергичная школа
Фазопереходные материалы — звучит мудрено, но по сути это умные вставки в стены, которые днем запасают лишнее тепло, а вечером отдают его обратно. В немецком Фрайбурге такие панели монтируют прямо в перегородки: летом они помогают удерживать прохладу без кондиционера, а зимой экономят на отоплении. В Швеции эту технологию испытывают в студенческих общежитиях, где каждое снижение счета за электричество становится весомым аргументом.
Солнечные фасады и крыши уже стали чем-то вроде обязательной опции для зеленого дома. В Нидерландах и Швейцарии целые здания обшивают тонкими панелями, которые выглядят как обычное темное стекло, но приносят киловатт-часы в придачу.
А в Копенгагене школа Copenhagen International School в новом районе Нордхавн получает больше половины своей годовой электроэнергии прямо со стен. Фасад облицован примерно 12 тыс. солнечных панелей общей площадью свыше 6 тыс. м². Это один из крупнейших подобных проектов в мире и наглядный пример того, что архитектура может быть не только красивой, но и энергогенерирующей.
Водород — в массы
Иногда энергию пробуют хранить не в бетоне и не в тепле, а в газе. В Японии после «Фукусимы» началась программа: сотни тысяч домов получили топливные элементы, работающие на водороде. Пока чаще используется обычный газ, но постепенно его заменяют зеленым — произведенным с помощью возобновляемых источников энергии.
Параллельно строят целые «водородные кварталы»: в Кавасаки и Йокогаме тестируются микрорайоны, где летом панели направляют лишнюю энергию в электролизеры, а зимой жители отапливаются и получают электричество уже из хранимого водорода.
В Европе водород пока остается скорее экспериментом. Один из заметных проектов — H2District под Франкфуртом: солнечные панели, электролизеры и баки с водородом снабжают теплом и электричеством несколько жилых кварталов. В Нидерландах, в поселении Hoogeveen, старые газовые сети переоборудуют под водород, чтобы дома могли отапливаться без выбросов.
Пока это дорого и не массово, но перспективы есть.
Датские эксперименты
Представьте гигантский термос под землей: летом он заряжается солнцем, а зимой делится теплом с целым городом. Это не метафора, а реальность Дании — страны, где централизованное отопление охватывает большинство жителей и где государство охотно вкладывается в эксперименты с возобновляемой энергетикой.
Под Копенгагеном, в районе Хее-Тоструп, работает один из крупнейших «тепловых банков» в Европе: резервуар объемом 70 тыс. м³, хранящий около 3,3 тыс. МВт·ч тепла. Летом его заряжают солнечные коллекторы, а зимой он обогревает целый квартал. В Марстале, на небольшом острове Эро, похожая система объемом 75 тыс. м³ покрывает до 55% годовых потребностей в отоплении. А в Бредструпе тепло запасают прямо в грунте: десятки скважин образуют сезонную батарею, которая обеспечивает около пятой части отопления для местных жителей.
Скепсис и риски
У таких технологий пока хватает слабых мест. Во-первых, долговечность. Бетонная батарея стоит десятилетиями, но ее электрические свойства со временем деградируют, и никто не знает, что будет через 20 лет работы. Кирпичи-аккумуляторы пока умеют зажечь разве что лампочку, а не снабдить энергией стиральную машину.
Во-вторых, экономика. Литий-ионные батареи за 10 лет подешевели на 80%, и конкурировать с ними сложно. «Суперконденсатор в фундаменте» звучит красиво, но сколько он будет стоить и кто даст гарантию — пока вопрос.
В-третьих, безопасность. Любой аккумулятор — это риск перегрева и пожара. Чем крупнее хранилище, тем серьезнее требования к сертификации. Даже привычные (в некоторых странах) домашние батареи вроде Tesla Powerwall не раз становились предметом расследований после возгораний, а что уж говорить о «заряжающемся бетоне».
И, наконец, бюрократия. Чтобы новая технология попала в строительные нормы, ей нужно пройти длинный путь — от испытаний до сертификации. Для кирпичей-батареек и тепловых бассейнов этот путь только начинается.
