CAES: сжатый воздух как промышленный аккумулятор энергии

Среди всех технологий долгосрочного хранения электроэнергии одна выделяется своей нарочитой простотой: воздух закачивается под высоким давлением в подземную полость, а когда энергия нужна - выпускается обратно и раскручивает турбину.

Никакой экзотической химии, никаких редкоземельных металлов. CAES - это технология, которая работает по тому же принципу, что и обычный баллон для пневматики, только в планетарных масштабах.

CAES (Compressed Air Energy Storage, накопление энергии сжатым воздухом) - технология хранения электроэнергии, при которой избыточная энергия используется для сжатия воздуха и его хранения (обычно в подземных пещерах) для последующего использования в пиковые периоды. 

Рынок CAES оценивался в 1,7 млрд долл. в 2025 году и, по прогнозам аналитиков, достигнет 3,6 млрд долл. к 2035 году при среднегодовом темпе роста 7,6%.

Физика процесса: от компрессора до турбины

Базовый цикл CAES несложен для понимания, хотя за этой кажущейся простотой скрывается немало термодинамических тонкостей.

В период, когда в сети избыток дешёвой электроэнергии - ночью, в момент пиковой ветрогенерации или в воскресный полдень при избытке солнечной генерации, - электродвигатели раскручивают многоступенчатые компрессоры. Те нагнетают атмосферный воздух в резервуар под давлением от нескольких десятков до нескольких сотен атмосфер.

Подземные соляные каверны, выработанные газовые пласты или специально созданные стальные резервуары выполняют роль «аккумулятора». Когда же сеть испытывает дефицит мощности, сжатый воздух выпускают через турбины-расширители, получая электроэнергию.

Главная термодинамическая проблема этого цикла заключается в том, что при сжатии воздух нагревается, а при расширении - охлаждается. Если тепло компрессии просто рассеять в атмосферу, то расширяющийся воздух на выходе из турбины окажется настолько холодным, что обледенеет само оборудование.

Именно поэтому в старейших коммерческих CAES-станциях - германской Huntorf (1978) и американской McIntosh в Алабаме - для подогрева воздуха перед турбиной сжигают природный газ.

Такая схема называется диабатической (D-CAES): она исторически первая, относительно проста в реализации, но принципиально зависима от ископаемого топлива и демонстрирует КПД в диапазоне 40–55%.

Эволюция технологий: от сжигания газа к утилизации тепла

Инженерная мысль не остановилась на диабатической схеме. Логичным следующим шагом стала адиабатическая конфигурация (A-CAES): здесь тепло, выделяемое при сжатии воздуха, не выбрасывается в атмосферу, а аккуратно запасается в теплоаккумуляторах - чаще всего в расплавах соли или в баках с водой под давлением. Когда приходит время генерации, это же тепло возвращается обратно в расширяющийся воздух. Круг замыкается без сжигания топлива, а КПД системы потенциально достигает 70–80%.

Именно по такому принципу построена крупнейшая в мире действующая CAES-установка - проект Huai'an Salt Cavern в провинции Цзянсу (Китай), введённый в полную коммерческую эксплуатацию в начале 2026 года.

Два энергоблока по 300 МВт каждый используют около 980 000 кубометров соляных каверн, расположенных на глубине 1150–1500 метров. Тепловой контур системы основан на расплавленной соли и воде под давлением - именно такая комбинация позволила достичь КПД конверсии около 71% без сжигания какого-либо топлива.

Суммарная ёмкость накопителя составляет 2,4 ГВт·ч при ожидаемой ежегодной выработке порядка 792 ГВт·ч. Общий объём инвестиций в проект - около 520 млн долл.

На очереди ещё более масштабные объекты: в районе Саньмэнься в провинции Шаньси уже строится CAES-станция мощностью 700 МВт с ёмкостью 4200 МВт·ч, которая в ближайшие годы перехватит рекорд у Huai'an.

В Северной Америке канадская компания Hydrostor получила в декабре 2025 года окончательное разрешение от Комиссии по энергетике Калифорнии на строительство проекта Willow Rock мощностью 500 МВт / 4000 МВт·ч в округе Керн - строительство должно начаться в 2026 году. Компания планирует 50-летний срок эксплуатации объекта, а инвестиции в проект оцениваются более чем в 500 млн долл.

На горизонте маячит ещё одна разновидность - изотермическая (I-CAES): концепция, при которой сжатие происходит настолько медленно, что температура воздуха практически не растёт. Теоретически это позволяет приблизиться к КПД более 80%, однако медленное сжатие несовместимо с промышленными скоростями и пока остаётся предметом лабораторных исследований.

Перспективным компромиссом выглядит схема с жидкопоршневым досжатием (LP-A-CAES), при которой воздух обходит дроссельные узлы и напрямую поступает в расширитель: по расчётам исследователей, такая схема даёт прирост КПД на 5% по сравнению с традиционным A-CAES.

Ниже представлено сводное сравнение основных коммерчески актуальных конфигураций:

Промышленный контекст: где CAES находит применение

Для энергоёмких производств - металлургических комбинатов, цементных заводов, крупных химических предприятий - пиковое потребление электроэнергии является одной из самых болезненных статей операционных расходов.

Тарифы в часы пиковой нагрузки нередко в несколько раз превышают ночные. CAES позволяет накапливать дешёвую ночную электроэнергию и возвращать её в производственный цикл в дневные часы пик, существенно снижая OPEX.

Эта функция - выравнивание нагрузки, или peak shaving, является, пожалуй, самым очевидным и экономически прозрачным применением технологии для промышленного сектора.

Другой сценарий использования открывается для предприятий, располагающих собственной ветровой или солнечной генерацией.

Избыток производимой ВИЭ-электроэнергии можно не продавать в сеть по невыгодным ценам, а направлять в CAES-накопитель, чтобы забирать оттуда энергию в безветренные ночные часы.

Масштаб таких решений уже не гипотетический: CAES-проект в провинции Хубэй обеспечивает порядка 498 ГВт·ч хранения в год и служит именно для балансировки ветровой генерации региона.

Не менее интересна возможность утилизации тепла компрессии непосредственно на производстве. В адиабатических схемах тепло, выделяемое при сжатии воздуха, имеет достаточно высокий потенциал - температуры в несколько сотен градусов Цельсия.

На промышленном предприятии эти тепловые потоки можно направить на сушку, обогрев или технологические нужды, требующие пара низкого давления. В результате одна и та же инвестиция обеспечивает и электрическую ёмкость накопителя, и источник промышленного тепла, что кардинально улучшает экономику проекта.

Фактически CAES при грамотной интеграции трансформируется из простого «аккумулятора» в элемент комплексной системы управления энергоресурсами предприятия.

Наконец, CAES способен заменить дизельные генераторы в роли резервного источника электроснабжения. С учётом растущих требований к углеродному следу производств это преимущество приобретает всё большее значение: CAES не имеет выбросов CO₂ в точке использования (при адиабатической схеме - и вовсе по всей цепочке), тогда как дизельная резервная генерация становится всё менее приемлемой как с регуляторной, так и с репутационной точки зрения.

Экономика и долгосрочные преимущества

Один из ключевых аргументов в пользу CAES в промышленных применениях - исключительный срок службы оборудования. Компрессоры, турбины и подземные резервуары работают без деградации ёмкости на протяжении 30–50 лет.

Это принципиально отличает технологию от литий-ионных аккумуляторов, ресурс которых исчисляется тысячами циклов заряда-разряда и существенно снижается уже за 10–15 лет эксплуатации.

Приведённая стоимость хранения (LCOS) для CAES при больших объёмах и длительных горизонтах хранения оказывается сопоставимой с гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС) и значительно ниже, чем у литий-ионных систем аналогичной ёмкости.

Вместе с тем честная оценка технологии требует признания её ограничений. Традиционные крупномасштабные CAES-установки жёстко привязаны к геологии: соляные пласты пригодной мощности и пористые породы с необходимой проницаемостью существуют далеко не везде.

Именно этот фактор десятилетиями сдерживал распространение технологии - в мире до недавнего времени существовало лишь две коммерческих CAES-станции (Huntorf и McIntosh).

КПД диабатических систем заметно уступает литий-ионным накопителям (~90–95%) и ГАЭС (~80%), хотя адиабатические решения уже сократили этот разрыв до приемлемых значений.

Компрессоры и турбины требуют значительных капиталовложений, а малые модульные системы на наземных резервуарах высокого давления пока ограничены по достижимой ёмкости.

Перспективы для промышленности

Технология CAES переживает второе рождение - и причина не только в климатической повестке, но и в чисто технологических прорывах последних нескольких лет.

Адиабатические схемы с расплавами соли в роли теплоаккумуляторов перешли из категории концептуальных разработок в разряд полноценных промышленных установок гигаваттного класса.

Исследования в области жидкопоршневых компрессоров и гибридных схем хранения открывают путь к дальнейшему росту КПД. При этом ни один из конкурирующих технологических треков - ни литий-ионные батареи, ни проточные батареи - не в состоянии предложить сопоставимые сроки хранения (от нескольких часов до суток и более) при таких же объёмах и без деградации характеристик на протяжении нескольких десятилетий.

Для крупного промышленного потребителя, стремящегося снизить зависимость от пиковых тарифов, интегрировать собственную ВИЭ-генерацию и одновременно использовать тепловую энергию технологического цикла, CAES сегодня выглядит одним из наиболее зрелых и экономически обоснованных решений в сегменте долгосрочного хранения энергии - при условии, что геология площадки это позволяет или рядом есть возможность создать искусственную подземную каверну.

Андрей Повный