Старые шахты — мусор? Энергетики с вами поспорят. Они переделывают катакомбы в исполинские водяные аккумуляторы

Тысячи заброшенных угольных шахт в США обычно вспоминают в одном контексте - опасные пустоты под землёй, проседающие породы, кислая шахтная вода и вечные споры о том, кто должен платить за консервацию. В Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) предложили взглянуть на подобные места иначе. Исследовательская группа подготовила модели, которые помогают оценить, подходит ли конкретная шахта для подземного накопителя энергии промышленного масштаба.

Речь идёт о гидроаккумулирующих электростанциях, по-английски pumped storage hydropower (PSH). Принцип простой - при избытке дешёвой электроэнергии воду перекачивают из нижнего резервуара в верхний, а в часы пикового спроса воду выпускают обратно вниз через турбины, чтобы выработать электричество. Такой способ хранения подходит для долгой отдачи мощности, когда энергосистеме нужны не минуты, а часы.

В США гидроаккумулирование даёт больше 90% всей ёмкости крупных накопителей на уровне энергосистемы. Развивать такие станции мешает не техника, а рельеф. Классической схеме нужны два водохранилища с заметной разницей высот, поэтому подходящие площадки чаще находятся в горах или на холмах. Ровные регионы для подобных проектов подходят хуже.

Подход ORNL предлагает использовать глубину вместо перепада рельефа. В качестве нижнего резервуара можно задействовать глубокие стволы и выработки заброшенных шахт, не строя новое водохранилище в долине. Верхний резервуар в таком варианте остаётся на поверхности, а нужный перепад высот даёт глубина шахты. Разработчики рассчитывают на два практических эффекта. Первый - гидроаккумулирование становится возможным там, где нет гор. Второй - готовые тоннели и стволы уменьшают объём стройки, снижают затраты и помогают быстрее запускать проекты.

Главная сложность в том, что шахта - не пустая полость, а химически активная и конструктивно сложная среда. В породе и на стенках остаются минералы, которые могут реагировать с водой, усиливать коррозию и ускорять износ оборудования. Риски связаны и с устойчивостью выработок: быстрый поток воды под высоким давлением создаёт нагрузки, из-за которых стенки могут трескаться, а отдельные участки - обрушаться.

Команда ORNL считает, что новые инструменты моделирования снимают важный технический барьер на этапе отбора площадок. Учёные разработали высокоточные гидродинамические и химические модели, которые позволяют заранее просчитать работу системы в конкретной шахте. Гидродинамическая часть показывает, как вода пойдёт по сети тоннелей, где появятся зоны сильной турбулентности и какие участки начнут ограничивать расход. Химическая часть описывает, как вода будет взаимодействовать с породой и остаточными минералами. Такой расчёт помогает оценить риск коррозии и понять, могут ли продукты реакции или твёрдые частицы повредить турбины и другое дорогое оборудование.

Модели также позволяют оценить устойчивость выработок при регулярных циклах работы станции. Для подземного гидроаккумулирования важна не только прочность в спокойном состоянии, но и реакция на повторяющиеся заполнения и опорожнения, перепады давления и быстрые изменения скорости потока. Инженеры могут заранее проверить, выдержат ли стенки выработок такие режимы.

Следующий этап для ORNL - технико-экономическая оценка. Модели должны помочь партнёрам из отрасли проектировать, строить и эксплуатировать станции на выбранных площадках с учётом рисков. Параллельно команда планирует оценить эффективность таких объектов для энергосистемы и определить, какие решения по строительству и режимам работы лучше подходят для разных типов шахт и разных условий.

Во так заброшенные шахты, десятилетиями считавшиеся экологической и финансовой проблемой, могут превратиться в инфраструктуру хранения энергии. Такой сценарий даёт энергосети накопители длительного действия и предлагает бывшим угледобывающим регионам новый тип проектов на базе существующих подземных сооружений.