Электроэнергетика - одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей - следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро - вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии - из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.
Гидроаккумуляторы
Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды - один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.
В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть ЗагорскаяГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС - важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.
Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире - порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.
Накопители энергии сжатого воздуха
Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию - однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.
Недостаток такого рода накопителей - низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.
Расплавленная соль для хранения солнечной энергии
Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов (больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри - в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре - более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.
Эта технология помогает продлевать рабочее время, либо обогревать помещения и давать электричество в вечернее время.
Подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи.
Проточные редокс-системы
Проточные батареи представляют собой огромный контейнер с электролитом, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Электролитом может служить ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы.
Пока нет коммерческих проектов, общая установленная мощность - 320 МВт, в основном в рамках исследовательских проектов. Главный плюс - пока единственная технология на батареях с длительной выдачей энергии - более 4 часов. Среди недостатков - громоздкость и отсутствие технологии утилизации, что является общей проблемой для всех батарей.
Немецкая электростанция EWE планирует построить в Германии крупнейшую в мире проточную батарею на 700 МВт/ч в пещерах, где раньше хранили природный газ, сообщает Clean Technica.
Традиционные аккумуляторы
Это батареи, подобные тем, что работают в ноутбуках и смартфонах, только промышленного размера. Tesla поставляет такие батареи для ветряных и солнечных станций, а компания Daimler использует для этого старые автомобильные аккумуляторы.
Термальные хранилища
Современный дом необходимо охлаждать - особенно в регионах с жарким климатом. Термальные хранилища позволяют в течение ночи заморозить хранящуюся к цистернах воду, днем лед тает и охлаждает дом, без использования привычного всем дорогостоящего кондиционера и лишних расходов электроэнергии.
Калифорнийская компания «Ice Energy» разработала несколько подобных проектов. Их идея заключается в том, что лед производится только во время непиковой нагрузки на электросети, а затем, вместо расхода дополнительной электроэнергии, используется лед для охлаждения помещений.
«Ice Energy» сотрудничает с австралийскими фирмами, которые собираются внедрять технологию «ледяного аккумулятора« на рынке. В Австарлии из-за активного солнца развито использование солнечных батарей. Сочетание солнца и льда увеличит общую энергоэффективность и экологичность домов.
Маховик
Супермаховик - это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.
Как технологии хранения электроэнергии изменят мир
Текст: Андрей ВЕЛЕСЮК
В прошлом году миллиардер Илон Маск в очередной раз взбудоражил общественность: его компания за 100 дней построила и подготовила к эксплуатации хранилище для электроэнергии общей емкостью 100 МВт. Это обострило дискуссию о технологиях хранения электроэнергии и переменах, которые их развитие может принести. Мы решили разобраться, как в России готовятся к грядущим переменам и чего конкретно стоит ждать.
Фото: Flickr.com, Flickr/U.S. Department of Energy, Siemens.com, Росатом,
Newsroom.ucla.edu
Общее положение дел
В августе прошлого года министерство энергетики опубликовало «Концепцию развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации».
Россия с существенным отставанием приступает к формированию национальной промышленности систем накопления энергии и развитию рынка применения этих систем в различных секторах экономики. К примеру, в США уже в 2010 году запустили программу California Energy Storage Mandate, согласно которой в стране к 2020 году будет 1325 МВт мощностей хранения. Великобритания и Китай озаботились этим вопросом в 2016 году: первая приобрела 201 МВт систем хранения, второй планирует к 2021 году построить системы хранения емкостью 46 ГВт. А в прошлом году СМИ растиражировали историю, главным героем которой стал опять же Илон Маск: в Австралии за 100 дней была построена самая большая в мире система литий-ионных батарей (См. справку).
Авторы российской «Концепции» перечислили основные события на рынке систем хранения электроэнергии, которые уже происходят в стране: «создано множество стартапов», проводятся профильные конференции, Минобрнауки за три года выделило 1,3 млрд руб. на соответствующие НИОКР, есть программы инновационного развития. Из всего этого сделан вывод: в России пока ведутся разрозненные и нескоординированные действия, не обеспечивающие достижения прорывного эффекта в развитии отрасли и рынка систем хранения электроэнергии.
- «Интернет энергии» - использование систем хранения электроэнергии в составе распределительной энергетики;
- «новая генеральная схема» - использование систем хранения электроэнергии в составе крупной централизованной энергетики;
- «водородная энергетика» - использование систем хранения электроэнергии в водородном цикле для энергетики с высокими требованиями к автономности, мобильности, экологичности.
Авторы документа утверждают, что к 2025 году объем мирового рынка систем хранения электроэнергии составит около $ 80 млрд. В оптимистичном сценарии российский рынок этих систем к тому времени достигнет около $ 8 млрд в год, а общий экономический эффект, за вычетом инвестиций и с учетом экспорта (систем хранения электроэнергии и водородного топлива), составит около $ 10 млрд в год.
Спор на $25 млн
В австралийском штате Южная Австралия, зависящем от возобновляемых источников энергии, живет 1,7 млн человек; у них регулярно возникали проблемы с энергоснабжением. На территории штата было недостаточно хранилищ, чтобы поставлять больше электроэнергии во время пиковых нагрузок. В марте прошлого года основатель и глава компании Tesla Илон Маск пообещал решить эту проблему.
Миллиардер написал в своем твиттере, что готов в течение 100 дней обеспечить бесперебойную поставку электроэнергии в штат Южная Австралия. Он пообещал установить там систему батарей общей мощностью 100 МВт, стоимость которой составит $ 25 млн без учета затрат на работы по установке и налогов. Если бы компания не успела сделать это за 100 дней, заказчики не заплатили бы Tesla ни цента.
В июле Илон Маск объявил, что получил от властей Австралии согласие на строительство там самой большой в мире системы литий-ионных батарей. Станцию хранения электроэнергии подключили к ветряной электростанции в городе Джеймстаун, принадлежащей компании Neoen. Общая мощность системы батарей составила 100 МВт, емкость - 129 МВт∙ч.
В ноябре компания Tesla отчиталась о завершении работ по установке системы сверхъемких аккумуляторов Powerpack выходной мощностью 100 МВт. Правда, тогда же издание Mashable обнаружило, что к моменту официального старта работ система уже функционировала на половине проектной мощности - 50 МВт. То есть формально условие было выполнено, но Маск подстраховался, начав строить станцию раньше официального одобрения.
Впрочем, компания Neoen, за два дня заработавшая на этих аккумуляторах $ 800 тыс. (австралийских), возмущаться не стала.
Технологии хранения изменят ландшафт энергетики
Консультанты компании VYGON Consulting уверены, что развитие систем хранения энергии сыграет ключевую роль и в росте доли объектов генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Хотя в развитых странах этот сегмент и так растет достаточно быстро: в 2017 году в Германии 36,1% электроэнергии вырабатывалось из ВИЭ (на 3,8% больше, чем годом ранее). В Дании с помощью таких источников удовлетворяется более 40% общенационального спроса на электроэнергию.
Стоит также учесть, что, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), в ближайшие 25 лет более трети действующих мощностей в мире (2,3 тыс. ГВт) достигнут предельного возраста и будут выведены из эксплуатации. И скорее всего, в случае значительного удешевления технологий хранения энергии, все эти электростанции будут замещены распределенными генерирующими объектами ВИЭ. Но пока все упирается в дороговизну решений.
Эксперты VYGON Consulting считают также, что в ближайшей перспективе прорывом станет достижение сетевого паритета между технологиями хранения энергии и генерацией ВИЭ в островных и автономных системах, не обладающих значительными запасами прочности по резервам. Яркие примеры таких территорий - изолированные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока России. Именно они могут стать пилотными регионами для опытного и промышленного применения гибридных решений энергоснабжения на основе генерирующих мощностей ВИЭ в сочетании с системами хранения.
Заместитель председателя правления УК «РОСНАНО» Юрий Удальцов также считает, что появление большого количества накопителей фундаментально изменит энергосистему. Сейчас для регулирования частоты диспетчер закладывает большой резерв мощностей, чтобы покрывать пики в отдельные часы. В итоге станции в среднем загружены меньше, чем могли бы быть. С появлением промышленных накопителей графики выработки и потребления можно будет развести и сделать удобными для каждой стороны. Это принципиально изменит рынки электроэнергии и энергомашиностроения, ориентированного на маневренность. Если в ней не будет необходимости, достаточно поставить АЭС в базовый режим работы и не содержать «запасные» мощности. Ю. Удальцов заметил, однако, что это станет возможным не ранее чем через 20 лет.
Еще один тренд в изменении ландшафта энергетики касается потребления электричества, в частности, бурно растущего сегмента «умный дом». Речь идет о жилье, в котором управление системами жизнеобеспечения максимально автоматизировано. По данным отчета маркетинговой компании Zion Market, сейчас мировой рынок решений для «умного жилья» составляет $ 246 млрд и до 2022 года его среднегодовой темп роста выручки составит 17,5%. Аналитики IDC, в свою очередь, утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», и в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн аналогичных устройств. В программе «Цифровая экономика Российской Федерации» создание «умных городов», состоящих из «умных домов», названо одним из ключевых направлений.
Особенность энергообеспечения «умного дома» в том, что из-за подключенных видеоустройств, систем безопасности, датчиков дыма, «умных» осветительных приборов и т. п. он становится весьма энергоемким. Если безопасность дома зависит от энергообеспечения, потребителю очень важны надежность и бесперебойная работа оборудования. Все чаще владельцы «умных домов» используют автономные генераторы и источники бесперебойного питания (ИБП), к которым подключают самые важные системы: освещения, оповещения и пожарной безопасности. Таким образом, мы наблюдаем активное развитие сегмента распределительной энергетики.
Почему аккумуляторы не используют повсюду?
Первая понятная технология хранения энергии появилась еще в конце XIX века - это были гидроаккумулирующие электростанции. ГАЭС в период низкого спроса на электроэнергию (например, ночью) потребляют ее для набора воды в верхнее водохранилище. А в моменты пиковых нагрузок (например, в утренние часы в мегаполисе) производят электроэнергию за счет резкого сброса воды.
В России единственная действующая станция такого типа - Загорская ГАЭС в Московской области. Она помогает покрывать пиковое потребление электроэнергии столичного региона.
Сегодня совокупная мощность разного рода систем хранения энергии в мире - примерно 150 ГВт. Подавляющая доля систем хранения (97%) приходится на гидроаккумулирующие электростанции, причем в строительство новых ГАЭС ежегодно вкладывается $ 7−10 млрд. Лидеры по установленной мощности ГАЭС: Китай (31 999 МВт, 34 ГАЭС), Япония (28 252 МВт, 43 ГАЭС) и США (22 561 МВт, 38 ГАЭС). Среди прочих накопителей выделяются системы на сжатом воздухе, сульфидные натриевые и литиевые аккумуляторные батареи.
Что касается аккумуляторных батарей, эксперты оценивают затраты на их установку в пределах $ 200−800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты - у свинцово-кислотных аккумуляторов. Основной недостаток аккумуляторных батарей - низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС. Срок службы батарей может довольно сильно варьироваться в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.
Есть у систем хранения электроэнергии еще одна неочевидная сторона, помимо финансовых и технологических, - это моральный аспект. Дело в том, что для производства аккумуляторов и аккумуляторных батарей, на которых работает вся современная техника, используют кобальт. Каждый год в мире добывают примерно 120 тыс. тонн кобальта, и 60% его добычи приходится на Демократическую Республику Конго. Для сравнения: на Канаду приходится 6% добычи, на Австралию - 4%, на Россию - 3%. Цены на кобальт растут стремительно, и это стимулирует рост его добычи в Конго.
По данным ЮНИСЕФ, которые приводит интернет-издание «Медуза», в 2014 году из 150 тыс. местных горняков около 40 тыс. были детьми. Причем после того, как кобальт начал дорожать, детей в шахтах стало больше, считает Amnesty International. Некоторые из них не старше четырех лет. Рабочий день ребенка длится в среднем 12 часов, дневной заработок колеблется в районе $ 1−2.
Однако эксперты полагают, что можно избежать роста цен на кобальт и снизить объемы его потребления. Один из металлов, способных заменить кобальт (а точнее, снизить его долю в аккумуляторах до 10% с нынешних 50%), - никель. Его запасы в мире больше, он равномернее распределен между странами и потому дешевле. В таком случае удастся решить и моральную проблему.
Альтернатива литий-ионным аккумуляторам
Первые литий-ионные аккумуляторы корпорация Sony выпустила в 1991 году. С того времени их емкость практически удвоилась: 110 Втч/кг превратились в 200 Втч/кг; они до сих пор главенствуют в мире аккумуляторов, но ученые активно работают над новыми технологиями хранения энергии. Вот самые интересные из них.
Натрий-ионные аккумуляторы. В таких аккумуляторах в качестве ионов, перемещающихся между электродами, используют натрий. При низкой себестоимости главный недостаток таких батарей - небольшая емкость. Ученые из Стэнфордского университета разработали новый натриевый катод, позволяющий добиться увеличения емкости. Несмотря на то что пока прошли только первичные тесты, в будущем ученые планируют оптимизировать материал и строение анода для создания полноценного эффективного аккумулятора.
Аккумуляторные батареи на основе алюминия. Группа исследователей все того же Стэнфордского университета уже несколько лет работает над недорогим решением, которое позволило бы накапливать и хранить солнечную энергию. Батарея состоит из алюминиевого анода и графитового катода, погруженных в электролит. В качестве последнего пока остановились на мочевине - химическом соединении, которое активно используется в качестве удобрения.
Такая батарея полностью заряжается за 45 минут и не горит, в отличие от литий-ионных аккумуляторов. Сейчас ученые работают над коммерческой версией батареи, в первую очередь над продлением срока ее службы - нынешняя версия выдерживает всего 1500 циклов.
Органические быстрозарядные аккумуляторы. Израильский стартап StoreDot в прошлом году представил аккумулятор для электромобилей, разработанный на основе собственных технологий. Они используют слои наноматериалов и органических соединений, которые, по словам представителей компании, никогда раньше не использовались в аккумуляторах.
В результате получился аккумулятор, который заряжается за 5 минут и может проехать на этой зарядке 300 миль. CEO StoreDot Дорон Майерсдорф говорит, что такая зарядка поможет росту популярности электромобилей. Во-первых, из-за скорости зарядки. Во-вторых, потому что FlashBattery безопаснее литий-ионных аккумуляторов - она выдерживает более высокие температуры и не горит.
Твердотельные аккумуляторы. В прошлом году Toyota объявила о прорывном открытии в собственном производстве. К 2020 году автогигант планирует начать выпуск полностью твердотельных литиевых аккумуляторов, внутри которых - жидкий или гелевый электролит. Они будут плотнее, меньше и легче нынешних. Еще один плюс - длительный срок службы.
Супер- и ультраконденсаторы. Это гибриды конденсатора (электронного компонента, способного накапливать и отдавать электрический заряд) и химического источника тока (батарейки или аккумулятора). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы обладают более высокой скоростью зарядки-разрядки и бóльшим ресурсом.
В интервью EnergyLand.info руководитель проекта «Конгран» Семен Червонобродов рассказал, что его группе удалось создать прототипы двух накопителей электрической энергии, принципиально различающихся по физическим принципам действия. Первый - суперконденсатор с высокой для этого типа энергонакопителей удельной емкостью. Второй - литий-ионный гибридный суперконденсатор с принципиально новым катодом. Также создан новый, экологически чистый электролит на основе полиаминокислот.
Основной сферой применения суперконденсаторов он считает транспортную отрасль. Сейчас ведутся работы над удешевлением производства.
Строительство аккумулирующих станций неизбежно
В современном мире очевиден тренд к постепенному выводу угольной генерации без установок по улавливанию и хранению CO2. Согласно прогнозам, к 2030 году будут выведены из эксплуатации 2/3 мощностей действующей генерации. Взамен в ряде государств переходят на ВИЭ.
Интеграция в энергосистему нестабильных ВИЭ ведет к снижению выбросов, но ставит вопрос о повышении гибкости энергосистемы.
Параллельно стремительными темпами растет потребность в электроэнергии, в том числе вследствие развития технологий «умного дома». В ближайшие годы миллионы устройств дополнительно будут подключены к Интернету. К примеру, аналитики IDC утверждают, что в прошлом году в мире продали 433,1 млн устройств, относящихся к системе «умного жилья», таких как датчики дыма, сигнализации, системы видеонаблюдения; в ближайшие пять лет среднегодовые темпы роста продаж составят примерно 18,5%. То есть к 2022 году в мире уже будет 939,7 млн устройств такого рода. Всё это не может не затронуть различных аспектов функционирования энергетики, и в первую очередь -объемов ее потребления и способов хранения.
В связи со всеми этими переменами в ряде государств уже сейчас в планах по развитию ВИЭ зафиксирована необходимость строительства гидроаккумулирующих станций, например, в Индонезии (3 ГВт к 2025 году) и в Испании (8,8 ГВт к 2020 году). А в штате Калифорния политика в отношении хранения энергии определена законодательным органом штата в 2010 году и требует, чтобы коммунальные предприятия и прочие энергокомпании планировали закупки объектов хранения.
Основной рост объема накопителей энергии, согласно прогнозам экспертов, в ближайшие годы будет обеспечен за счет интеграции ВИЭ с применением литий-ионных батарей. Ожидается, что к 2023 году ежегодный доход от таких аккумуляторов возрастет до $ 18 млрд. Хотя наверняка гидроаккумулирующие станции, самые крупные из доступных систем накопления энергии, еще какое-то время сохранят лидерские позиции среди общесистемных накопителей энергии.
Как собирается участвовать в этом глобальном тренде Россия? Ответа пока нет. Ведомственных концепций для реального развития рынка мало. Мы готовим обзор ситуации внутри страны в части развития технологий хранения энергии и перспектив спроса. Ищите его в одном из ближайших выпусков журнала.
Как в мире сохраняют электроэнергию
Ирландско-немецкие гибриды
Ирландские власти планируют к 2020 году добиться того, чтобы 40% энергобаланса в стране обеспечивали ВИЭ; к 2035 году они хотят довести этот показатель до 100%. Большая часть этой электроэнергии поступает с крупных ветряных электростанций.
Для того чтобы стабилизировать систему, немецкая компания Freqcon GmbH в Южном Дублине в 2016 году ввела в эксплуатацию систему хранения энергии, интегрированную с ультраконденсаторами Maxwell и литий-ионными батареями, для Tallaght Smart Grid Testbed. Литий-ионная батарея UltraBattery - это гибрид химической батареи и ультраконденсатора. Поставщик батареи, компания Ecoult, утверждает, что изобретение безопасно, устойчиво, надежно и пригодно для вторичной переработки. Система имеет установленную мощность 300 кВт и емкость 150 кВт∙ч.
Она разработана в первую очередь для демонстрации работы системы поддержки стабильности распределительной сети и решения проблем, связанных с нерегулярностью производства электроэнергии на электростанциях, работающих на ВИЭ.
Если система покажет свою жизнеспособность, ее развернут по всему Дублину и в дальнейшем - по всей Ирландии.
Нидерландские автомобили-батарейки
В апреле этого года в Mitsubishi анонсировали совместный проект с компаниями Hitachi и Engie, который позволит использовать электромобили в качестве хранилищ возобновляемых источников энергии для зданий.
Тестовые работы развернут в офисном здании Engie, расположенном в голландском городе Заандаме. Там Hitachi установила свое двунаправленное зарядное устройство V2X, способное отправлять энергию обратно в сеть.
Зарядное устройство подключено к энергоснабжению здания, которое, в свою очередь, оснащено солнечными батареями. Поскольку батареи зачастую генерируют избыточную электроэнергию, она будет храниться в аккумуляторе электромобиля. В случае перебоев эти автомобили будут действовать как аварийное питание. В качестве батареи компании будут использовать электромобиль Mitsubishi Outlander (PHEV).
Если эксперимент окажется успешным, линейку электромобилей, которые могут участвовать в создании аналогичных систем регулирования энергии, обещают расширить. В британской энергокомпании Moixa утверждают, что всего десять новых автомобилей Nissan LEAF могут хранить столько энергии, сколько хватит на час стандартного энергопотребления тысячи домов.
Первыми о подобном использовании электромобилей заявили специалисты Renault: они пообещали создать на португальских островах Мадейра интеллектуальную электрическую экосистему, в которой батареи будут использоваться как стационарные хранилища энергии.
Ультраконденсаторы из Сан-Диего
С 2016 года кампус Калифорнийского университета в Сан-Диего обеспечивается электроэнергией в режиме микроэнергетической системы с пиковой мощностью 42 МВт.
В кампусе проживает 45 тыс. человек - как в небольшом городе. 85% потребления покрывает собственная генерация, включающая парогазовую установку (30 МВт), станцию на топливных элементах (2,8 МВт), солнечную фотоэлектрическую станцию (2,2 МВт).
Система хранения организована из стандартных литий-ионных хранилищ и ультраконденсаторов. Цель проекта - убедиться, что ультраконденсаторы могут обеспечить более экономичную систему хранения энергии и лучшее время отклика, чем батареи.
Как мы уже говорили, в ультра-, или суперконденсаторах заряды разделяются электростатически, а не химически. Это позволяет ультраконденсаторам заряжаться и разряжаться за доли секунды, нормально функционировать в широком температурном диапазоне (от -40 0С до +65 0С), надежно отрабатывать 1 млн циклов зарядки/разрядки и противостоять вибрации. Батарея конденсаторов включается параллельно автомобильному аккумулятору. Параллельная схема значительно увеличивает срок службы аккумулятора, позволяя ему иметь меньшую емкость и, следовательно, меньшие габариты.
До появления ультраконденсаторов эта схема была нереализуема из-за больших размеров конденсаторов. Теперь, если происходит резкое снижение мощности, модули ультраконденсатора поддерживают систему, а когда солнечная энергия возрастает, они заряжаются. Таким образом, ультраконденсаторы выполняют быстрые функции, такие как управление частотой, в то время как батареи используются для сдвига пика потребления и формирования оперативного резерва.
Ученые давно пытаются найти способы хранить энергию, чтобы пользоваться ею в любое время, а не тогда, когда заблагорассудится природе. И, надо сказать, определенных успехов человечество в этом добилось. Придумано большое количество способов, заставляющих электроток «отложить» свое действие. Однако все они непригодны для постоянного надежного хранения, а главное – не столь мощны, как хотелось бы.
На высшем уровне
Наконец проблема стала столь велика, что ею занялись на высшем уровне. Вице-премьер Аркадий Дворкович поручил «РОСНАНО» и Минэнерго РФ разработать программу по развитию промышленных технологий хранения электроэнергии. Такие технологии смогут компенсировать дефицит электроэнергии в случае аварий, а также сохранять невостребованную выработку ветровых и солнечных электростанций.Проблема в том, что более-менее приемлемых способов в мире пока не найдено. Однако господдержка, конечно, позволит активизировать поиски. Тем более что планируется компенсировать риски инвестиционных проектов в этой области, тем самым стимулируя спрос на внедрение новых накопителей. Использование накопителей позволит создавать экономически эффективные локальные энергосистемы, сгладить пики потребления и создавать рынки торговли электроэнергией для распределенной энергетики.
Сейчас работа электростанций подстраивается под потребителей, но во избежание резких пусков и возможных аварий необходим аккумулятор мощностью от 10‑20 МВт, способный полтора-два часа закрывать энергодефицит. Поиск его велся последние 20 лет, но пока необходимый аккумулятор так и не был найден, а те, что уже существуют, слишком дороги и имеют низкий КПД.
Сейчас мощность используемых аккумуляторов не превышает 1‑2 МВт. Так, итальянский энергоконцерн Enel осенью 2015 года запустил хранилище электроэнергии при солнечной станции на 10 МВт мощностью 2 МВт-ч.
Наибольший спрос в системах хранения, по прогнозам, будет в странах, активно повышающих долю возобновляемой энергетики в общей генерации (в некоторых странах ее планируется увеличить до 25‑30 %), а также в изолированных энергосистемах, таких, как у государств Азии и Африки. Еще один потенциальный потребитель – Дальний Восток, где возобновляемые источники необходимы в силу удаленности от больших электросетей и активно внедряются, но из‑за нестабильности выработки вынуждены действовать в комплексе с дизельными установками.
Кроме того, такие системы будут востребованы и на электротранспорте, где накопители призваны сгладить график потребления.
«Альтернативная энергетика уже завоевала свое место в мире, – говорит глава «РОСНАНО» Анатолий Чубайс. – Ее доля в общем объеме генерации возросла с 1 % до 10 %, и дальше только будет продолжать расти. По мнению экспертов, к 2050 году до 40 % энергобаланса будет составлять альтернативная энергетика. Я считаю, что в ближайшие 5‑15 лет хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией – и мы перейдем к другой электроэнергетике.
Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, – это накопление энергии. Такая технология изменит наши дома, потому что в этой ситуации потребитель станет независим от производителя электроэнергии. И это вопрос не 2050, не 2030 года – а гораздо более ранних сроков».
На стратегической сессии «Создание системы государственного стимулирования хранения электроэнергии в Российской Федерации», прошедшей в «Роснано», было отмечено, что глобальный рынок систем накопления электроэнергии находится в шаге от скачкообразного роста – за 10 лет его объем может вырасти в 100 раз. Уже сейчас очевидна тенденция к снижению стоимости производства систем хранения и совершенствование технических решений до уровня, который будет востребован промышленностью на рубеже 2020 года.
Задачи сохранения
В целом, проблема эффективного аккумулирования энергии, вырабатываемой в том числе из возобновляемых источников энергии, сейчас является одним из наиболее сложных вопросов энергетики. Конечно, внедрение аккумуляторов сделает энергоснабжение более надежным, позволит резервировать его.С помощью аккумулирующих устройств решаются следующие задачи:
выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает генерирующая установка в условиях, например, постоянно меняющейся скорости ветра;
согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда агрегат не работает или его мощности недостаточно;
увеличение суммарной выработки энергии генерирующей установкой.
Для реализации этих задач сейчас применяют, как правило, так называемые емкостные аккумулирующие устройства, в которых запас энергии рассчитан на 2‑3‑суточное потребление. Они необходимы для использования в периоды достаточно длительных спадов генерации энергии.
При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, должны приниматься во внимание многие характеристики аккумуляторов:
относительная масса;
удельные затраты;
длительность хранения энергии;
сложность энергетических преобразований;
безопасность эксплуатации и т. п.
Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, условий и схемы использования генерирующей установки, мощности нагрузки и схемы потребителя. Она определяется также исходя из технико-экономических показателей, т. к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта.
Гидроаккумулирующие станции
Как сейчас решается проблема сохранения энергии? На самом деле человечество изобрело достаточно много видов аккумуляторов – от уже ставших привычными до совсем экзотических.Самые известные – механические. Например, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).
Гидроэнергия является, по существу, одной из разновидностей механической энергии, но отличается тем, что ее можно аккумулировать в очень больших количествах и использовать при такой мощности и в таких промежутках времени, которые позволяют выравнивать переменную нагрузку энергосистем и обеспечить более равномерный режим работы тепловых электростанций.
Гидроаккумулирующая электростанция включает в себя два водохранилища (верхнее и нижнее), разность уровней которых обычно составляет от 50 до 500 метров. В машинном зале имеются обратимые агрегаты, которые могут работать как в качестве двигателей-насосов, так и турбин-генераторов. При высоком напоре (500 метров и больше) используются отдельные насосные и турбинные агрегаты. Во время, когда нагрузка энергосистемы минимальна (например, ночью) эти агрегаты заполняют водой верхнее водохранилище, а во время пиковой нагрузки системы преобразуют накопленную гидроэнергию в электрическую. КПД такого аккумулирования равен 70‑85 %, себестоимость получаемой таким способом электроэнергии намного выше, чем на тепловых электростанциях, но выравнивание графика нагрузки и возможность уменьшения номинальной мощности тепловых электростанций снижают эксплуатационные расходы энергосистем и вполне оправдывают сооружение ГАЭС. В настоящее время в мире их существует более трехсот.
Когда снижается потребность в электроэнергии, ее избыток используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом «лишняя» электрическая энергия превращается в механическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится перепуск воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором ее потенциальная энергия превращается в электрическую.
Маховики
Второй тип механического аккумулятора предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы удивительно прост. Аккумулятор этого типа – маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов.Запасаемая им энергия – не что иное, как кинетическая энергия самого маховика. Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тысяч оборотов в минуту.
Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20 %.
В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа. Но перспектива использования маховиков-аккумуляторов пока неясна.
Гирорезонансные накопители энергии представляют собой тот же маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). Энергия здесь запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика. Такими конструкциями в конце 1970‑х в Донецке занимался Н. З. Гармаш. По его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей 7‑8 тысяч оборотов в минуту, запасенной энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 километров против 30 километров с обычным маховиком тех же размеров.
Электрохимический аккумулятор
Издавна используется такой класс аккумуляторов энергии, как электрохимические аккумуляторы.Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией. В аккумуляторе она преобразуется в энергию химическую. Выдает же электрохимический аккумулятор накопленную энергию снова в виде электрической энергии.
Аккумулятор этого типа имеет два электрода – положительный и отрицательный, погруженные в раствор – электролит. Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Иными словами, между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.
При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.
Электрохимические аккумуляторы получили очень широкое распространение главным образом при запуске двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной емкости, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную емкость, считаются более надежными и имеющими больший срок службы.
Главным недостатком всех существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной энергии, запасаемой аккумулятором.
Хранение с помощью… вагона
Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES).
Практически все механические накопители имеют простую конструкцию, а следовательно, высокую надежность и большой срок службы. Время хранения однажды запасенной энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.
Энергию, запасенную при поднятии твердых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.
К сожалению, удельная энергоемкость таких устройств невелика. Чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров.
Гидравлика и гравитация
Существуют гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 тонн воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет.К сожалению, гидравлические системы трудно поддерживать в должном техническом состоянии – прежде всего, это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И еще одно важное условие – в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, – скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.
Электролизер
Здесь на этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например из воды выделяется водород – прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно или за ненадобностью «выброшен».На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии. Например, водород может дать сразу тепло, механическую энергию (при подаче его в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке).
Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и ее использования («разрядки»), высокой удельной емкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на килограмм топлива) и возможностью длительного хранения. Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность. Несмотря на эти недостатки, в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.
Конденсаторы
Самые массовые «электрические» накопители энергии – это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную емкость до нужной величины. Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) емкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое редко превышает несколько часов, а часто составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами.Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых – относительно невысокие токи зарядки и разрядки. Емкость их также находится в диапазоне между наиболее емкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами.
Другие типы накопителей
В пружинных механических накопителях большой расход и поступление энергии обеспечивается за счет сжатия и распрямления пружины. Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость. Поэтому спустя время сжатая пружина может оказаться «разряженной» полностью или частично.К газовым механическим накопителям относится ресивер воздушный. В этом классе устройств энергия накапливается за счет упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасенную энергию, сжатый газ подается в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор.
Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить высокую удельную плотность запасенной энергии в течение практически неограниченного времени. Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, – устройства достаточно сложные, имеющие ограниченный ресурс.
Известны также накопители, использующие химическую энергию. Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Она либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью. Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Но здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования.
Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако большинство из них весьма ограничено по плотности запасаемой энергии, по времени ее хранения, и имеют высокую удельную стоимость. Поэтому их эксплуатация всерьез не рассматривается.
Экология потребления.Наука и техника:Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Рассмотрим, каким образом можно накопить виды энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).
Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Солнце светит только днем и в безоблачную погоду, ветер то дует, а то утихнет. Да и потребности в электроэнергии не постоянны, например, на освещение днем ее требуется меньше, вечером - больше. А людям нравится, когда по ночам города и деревни залиты огнями иллюминаций. Ну, или хотя бы просто улицы освещены. Вот и возникает задача - сохранить полученную энергию на какое-то время, чтобы использовать тогда, когда потребность в ней максимальна, а поступление недостаточно.
Существует 6 основных видов энергии: гравитационная, механическая, тепловая, химическая, электромагнитная и ядерная. К настоящему времени человечество научилось создавать искусственные аккумуляторы для энергии первых пяти видов (ну, если не считать, что имеющиеся запасы ядерного топлива имеют искусственное происхождение). Вот и рассмотрим, каким образом можно накопить и сохранить каждый из этих видов энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).
Накопители гравитационной энергии
В накопителях этого типа на этапе накопления энергии груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, свинцовой дроби, мелких стальных шариков и т.п.).
Гравитационные твердотельные накопители энергии
Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES). Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.
Практически все механические накопители этого класса имеют очень простую конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.
Энергию, запасённую при поднятии твёрдых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.
К сожалению, удельная энергоёмкость таких устройств невелика и определяется классической формулой E = m · g · h. Таким образом, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от 20°С до 100°С, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров (или 10 тонн на 3.5 метра). Поэтому, когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, как неизбежное следствие, дорогих сооружений.
Недостатком таких систем является также то, что путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных.
Гравитационные жидкостные накопители
В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъёма - жидкость отлично перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.
Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).
Существуют и менее масштабные гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.
К сожалению, гидравлические системы труднее поддерживать в должном техническом состоянии, чем твердотельные, - прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И ещё одно важное условие - в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, - скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.
Накопители механической энергии
Механическая энергия проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или их частиц. К ней относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин).
Гироскопические накопители энергии
В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива.
Другой огромный плюс маховика - это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.
К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными… Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения - вплоть до нескольких месяцев.
Наконец, ещё один неприятный момент - запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении. Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.
Особенно перспективны так называемые супермаховики, состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше.
Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.
Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз - до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам… Подробнее о маховичных накопителях можно почитать в книге Нурбея Гулиа.
Гирорезонансные накопители энергии
Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» - сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»… При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».
Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют - по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7-8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей неизвестны.
Механические накопители с использованием сил упругости
Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость - наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.
Пружинные механические накопители
Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени - пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие - луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).
Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, старинные настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели - как и более полувека назад, когда они были изготовлены.
При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы - по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.
Говоря здесь о пружинах, нужно иметь в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них - это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях - в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.
Газовые механические накопители
В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).
Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором - ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.
Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры - десятки лет, - недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, - устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс.
Перспективной технологией создания запасов энергии является сжатие воздуха за счет доступной энергии в то время, когда непосредственная потребность в последней отсутствует. Сжатый воздух охлаждается и хранится при давлении 60-70 атмосфер. При необходимости расходовать запасенную энергию, воздух извлекается из накопителя, нагревается, а затем поступает в специальную газовую турбину, где энергия сжатого и нагретого воздуха вращает ступени турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, выдающим электроэнергию в энергосистему.
Для хранения сжатого воздуха предлагается, например, использовать подходящие горные выработки или специально создаваемые подземные емкости в соляных породах. Концепция не нова, хранение сжатого воздуха в подземной пещере было запатентовано еще в 1948 году, а первый завод с накопителем энергии сжатого воздуха (CAES - compressed air energy storage) с мощностью 290 МВт работает на электростанции Huntorf в Германии с 1978 года. На этапе сжатия воздуха большое количество энергии теряется в виде тепла. Эта утерянная энергия должна быть компенсирована сжатому воздуху до этапа расширения в газовой турбине, для этого и используется углеводородное топливо, с помощью которого повышают температуру воздуха. Это значит, что установки имеют далеко не стопроцентный КПД.
Существует перспективное направление для повышения эффективности CAES. Оно заключается в удержании и сохранении тепла, выделяющегося при работе компрессора на этапе сжатия и охлаждения воздуха, с последующим его повторным использованием при обратном нагреве холодного воздуха (т.н. рекуперация). Тем не менее, этот вариант CAES имеет существенные технические сложности, особенно в направлении создания системы длительного сохранения тепла. В случае решения этих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) может проложить путь для крупномасштабных систем хранения энергии, проблема была поднята исследователями по всему миру.
Участники канадского стартапа Hydrostor предложили другое необычное решение - закачивать энергию в подводные пузыри.
Накопление тепловой энергии
В наших климатических условиях очень существенная (зачастую - основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.
Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым либо плавящимся теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические; с электронагревательным элементом. Тепловые аккумуляторы могут подключаться в систему с твердотопливным котлом, в гелиосистему или комбинированную систему.
Накопление энергии за счёт теплоёмкости
В накопителях этого типа аккумулирование тепла осуществляется за счет теплоемкости вещества, служащего рабочим телом. Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь. Ее протапливали один раз в день и она потом обогревала дом в течение суток. В наше время под тепловым аккумулятором чаще всего подразумевают ёмкости для хранения горячей воды, обшитые материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.
Существуют теплоаккумуляторы и на основе твердых теплоносителей, например, в керамических кирпичах.
Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода - её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий - 4.4 кДж/(кг·К).
Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость, позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес.
Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена - 1.9 кДж/(кг·К) - в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% - в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди - 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).
В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы - для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток - на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.
Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, - для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией - то есть максимально эффективно.
В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы.
Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.
Как это не покажется странным, иногда нужно бывает накапливать и хранить не тепло, а холод. В США уже более десяти лет работают компании, которые предлагают «аккумуляторы» на основе льда для установки в кондиционеры воздуха. В ночное время, когда электроэнергии в избытке и она продаётся по сниженным тарифам, кондиционер замораживает воду, то есть переходит в режим холодильника. В дневное время он потребляет в несколько раз меньше энергии, работая как вентилятор. Энергопрожорливый компрессор на это время отключается. .
Накопление энергии при смене фазового состояния вещества
Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния - энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.
Плавление и кристаллизация
К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне - примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С - это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе.
Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит, температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле.
Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала - мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, - для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.
В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, - ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)!
Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) - иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина.
Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто - в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!
Примером накопителя тепловой энергии на основе эффекта плавления и кристаллизации может служить система хранения тепловой энергии TESS на основе кремния, которую разработала австралийская компания Latent Heat Storage.
Испарение и конденсация
Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°.
Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей - создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.
Фазовые переходы второго рода
Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис - температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.
Электрические накопители энергии
Электричество - наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.
Конденсаторы
Самые массовые «электрические» накопители энергии - это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии - как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.
Конденсаторы можно разделить на два больших класса - неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).
Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике - на большее их пока не хватает.
Ионисторы
Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых - относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами - обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.
Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель максимум.
Электрохимические аккумуляторы
Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду - от мобильного телефона до самолётов и кораблей. Вообще говоря, они работают на основе некоторых химических реакций и поэтому их можно было бы отнести к следующему разделу нашей статьи -«Химические накопители энергии». Но поскольку этот момент обычно не подчеркивается, а обращается внимание на то, что аккумуляторы накапливают электричество, рассмотрим их здесь.
Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию - от нескольких сотен килоджоулей и более - используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример - любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов - никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.
В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%.
По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса - так называемые тяговые и стартовые. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное - контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя.
К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей - гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства.
При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено - обычно от недели до года. У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.
Разработки с целью создания новых типов электрических аккумуляторов и усовершенствования существующих устройств не прекращаются.
Химические накопители энергии
Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.
Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей (о них чуть позже), которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.
Накопление энергии наработкой топлива
На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород - прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта - под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.
На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.
Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и её использования («разрядки»), высокой удельной ёмкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на каждый килограмм топлива) и возможностью длительного хранения (при обеспечении должной герметичности ёмкостей - многие годы). Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем. Несмотря на эти недостатки в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.
Накопление энергии с помощью термохимических реакций
Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении - в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.
Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же - трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно - это глауберова соль.
Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na2SO4 · 10H2O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое.
С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата - происходит «кристаллизация». Но самое главное - теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).
Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно.
Безтопливное химическое накопление энергии
В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).
При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) - в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом - дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.
По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.
Необходимость расхода дополнительного вещества - скажем, воды для гашения извести - не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.
Другие типы накопителей энергии
Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках.
Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.
Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений. опубликовано
С ейчас мы уже не можем представить свою жизнь без электричества и отопления. Вся наша повседневная жизнь связана с использованием множества электроприборов, которые обеспечивают нам необходимый уровень комфорта. Сегодня мы поговорим о том, как можно экономить электричество дома.
На диаграмме слева показана структура расхода электроэнергии для семьи из 3 человек.
С каждым годом затраты на электричество и отопление увеличиваются за счет повышения тарифов и роста количества используемых электроприборов. Так как запасы энергоресурсов очень ограничены, стоимость электроэнергии повышается ежегодно примерно на 15% и, соответственно, увеличиваются и наши платежи за электричество.
Поэтому все больше и больше людей начинают задумываться о том как экономить электричество дома.
Кроме того, экономия электричества позволит сократить потребление природных ресурсов и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, а значит внести посильный вклад в сохранение наших рек, озер и лесов.
Сэкономив 100 Вт электроэнергии, мы можем сохранить 48 кг каменного угля, или 33 л нефти, или 35 м3 природного газа.
В среднем семья из трех человек, проживающих в квартире 50 м2, платит за энергоресурсы около 59% от общей суммы коммунальных платежей, из них: 32% составляют отопление и горячее водоснабжение, 15% - электроэнергия, 12% - газ.
1.Утеплите дверные и оконные проемы специальным утеплителем.
Ведь основные утечки тепла происходят через окна и двери.
2. Вставьте новые энергосберегающие окна, лучше всего - с двойным стеклопакетом.
Если у вас есть балкон или лоджия, то застеклите их тоже. Это самый эффективный способ сберечь тепло в доме.
3. Необходимо правильно проветривать помещение.
Проветривайте при выключенном отоплении!
Полное проветривание в течении 2 минут каждые 3-4 часа сохраняет намного больше тепла, чем постоянное частичное проветривание. Зимой достаточно 2-3 минут полного проветривания. Весной и осенью - до 15 минут.
4. Не закрывайте батареи шторами и декоративными плитами и панелями.
Это предотвратит утечку электричества (потери могут составить до 30 %) и уменьшит опасность поломки бытовой техники и короткого замыкания.
2. Выключайте электроприборы, находящиеся в режиме «standby»
(режима ожидания включения) - телевизор, музыкальный центр, DVD-проигрыватель. 
Большинство приборов активно работают несколько часов в сутки, а остальное время находятся в режиме ожидания, при этом бесполезно расходуется значительное количество энергии.
3. Организуйте правильное освещение.
а. Максимально используйте естественное освещение (используйте светлые занавески, светлые тона отделки стен и потолков, чаще мойте окна, не захламляйте подоконники.) это позволит сделать помещение светлее.
б. Используйте принцип зонального освещения - необходимо рационально использовать общее освещение и местное. Общее освещение предназначено для общего освещения комнаты (люстра). Местное освещение (лампы,бра) позволяют осветить темные углы помещения.
Сочетание местного и общего освещения (комбинированное освещение) позволяет использовать свет более рационально - осветить только тот участок комнаты, который нам нужен. В результате устройства комбинированного освещения на комнату 18-20 м2 экономится до 200 кВт/ч.
4. Замените традиционные лампы накаливания на энергосберегающие.
Они потребляют в несколько раз меньше электроэнергии,а служат в несколько раз дольше.
5. Выключайте осветительные и другие электроприборы, в которых не нуждаетесь в данный момент.
Уходя, гасите свет.
6. Чаще мойте лампы и плафоны.
Как экономить электроэнергию на кухне и при приготовлении пищи
Электрическая плита - самый энергоемкий бытовой прибор, на ее долю приходится, больше половины всей потребляемой электроэнергии. Соблюдая простые правила и приемы при приготовлении пищи, можно сэкономить значительное количество электроэнергии.1. При варке в кастрюле нужно включать конфорку на полную мощность только до закипания воды. Как только вода закипела, сразу же переключайте нагрев конфорки на минимальное положение, при этом расход электроэнергии резко снизится, а время приготовления не увеличится.
2.Обязательно плотно закрывайте кастрюлю крышкой. При варке в открытой посуде расход электроэнергии увеличивается в 2,5 раза. Даже если крышка немного приоткрыта, это равнозначно тому, что крышки нет совсем, т.к. тепло теряется с уходящим паром.
3. Используйте посуду с диаметром дна, соответствующим размеру конфорки. Диаметры днищ кастрюль должны быть больше или равны диаметрам конфорок электроплит, на которые их ставят.
4.Не допускайте бурного кипения воды на включенной на полную мощность конфорке, ведь для кипения на разогретой плите достаточно и гораздо меньшей мощности.
5.Если вы выключите конфорку электроплиты немного раньше до окончания приготовления блюда, то сэкономите электроэнергию за счёт остаточного тепла.
6. При варке овощей используйте минимальное количество воды в кастрюлях.
7. Выбирайте кастрюли по размеру,соответствующем необходимому объему пищи. Если требуется приготовить небольшой объем пищи, то лучше это сделать в маленькой. кастрюльке на самой маленькой конфорке.
8. Донышки у кастрюль и сковородок должны быть ровные и чистые, для того чтобы был плотный контакт с конфорками. Посуда с кривым дном или с нагаром требует электроэнергии на 60 % больше.
9. При покупке посуды выбирайте сковородки и кастрюльки с толстым дном и стекляными крышками.
10. Используйте скороварки. Они очень экономят электроэнергию и время. Время приготовления пищи в них сокращается в три раза, а расход электроэнергии в два раза. Это достигается благодаря герметичности скороварок и особого режима приготовления - температура внутри посуды достигает 120 градусов за счет избыточного давлении пара.
11.Посуда из нержавеющей стали с толстым полированным дном обеспечивает хороший контакт с плитой и позволяет экономить энергию. Посуда из алюминия, эмалированная, с тефлоновым покрытием не экономичны.
12. Состояние конфорок электроплиты имеет большое значение. Если в конфорке сгорели одна или две спирали или конфорка вспучилась от перегрева, потребление электроэнергии возрастает до 50 %. Ее нужно срочно менять.
13. Применяйте специальные электронагревательные приборы (сковородки, кастрюли, грили, кофеварки. и др.), в которых блюда получаются более вкусными и качественными, а электроэнергии тратится намного меньше. Используйте электрочайник, который сам по себе экономит электроэнергию, автоматически выключаясь при закипании в нем воды. Кипятите воды ровно столько, сколько требуется на один раз.
14.Существенно сократить расход на электроэнергию может своевременное удаление накипи внутри электрочайников.
15. Используйте термосы или поттеры для поддержания воды и пищи в нагретом состоянии в течение длительного времени.
16. Не используйте включенные конфорки электроплиты для обогрева помещения, это неэкономно, малоэффективно и опасно.
17. Для разогрева и приготовления пищи используйте микроволновые печи, они сэкономят вам время и энергию.
Что мы обычно делаем неэкономно:
■ выбираем неподходящую посуду - потери электроэнергии 10% -15%
■ Не закрываем плотно посуду при приготовлении пищи. - потери 2%- 6%
■ Используем слишком большой объем воды - потери 5%- 9%
■ Используем посуду не по размерам конфорки - потери 5% -10%
■ Не используем остаточное тепло - потери 10% -15%
А для закрепления материала - замечательная инфографика от Объединенной энергетической компании. Картинка кликабельна.
Используя эти простые советы вы сможете значительно сократить расходы на электроэнергию и сэкономить деньги.
Повторим основные правила:
Чтобы экономить электроэнергию в квартире, необходимо научиться использовать ее рационально. При этом кроме существенной экономии денег при оплате энергии, вы вносите очень важный вклад в решение глобальных экологических проблем.
В статье использованы материалы Информационно-консультационного центра по энергосбережению (ИКЦЭ).
