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.
Новейшие разработки в области производства и хранения альтернативной электрической энергии вполне ощутимы, и в некоторых случаях даже способны конкурировать с традиционными источниками электроэнергии ( , ). С помощью возобновляемых (альтернативных) источников энергии можно ощутимо снизить вредные выбросы от ТЭС. В некоторых государствах такие исследования ведутся не только на частном, но и на государственном уровне. Например, исследования, проведенные Texas utility Oncor Electric Delivery Co., ярко осветили плюсы таких технологий для современных энергосистем:
- Энергия, хранимая в аккумуляторных батареях, может быть подключена в любой точке энергосистемы;
- Аккумуляторные батареи помещаются в систему распределения энергии (подстанцию или фидер) и могут использоваться для предотвращения аварийных ситуаций (потреблять или отдавать электроэнергию в случае необходимости);
- Могут активно использоваться в , что позволит улучшить энергетику системы и уменьшит капитальные затраты;
- Данные батареи смогут отдавать или поглощать электрический ток в зависимости от режима работы системы;
Дополнительные исследования будут вестись в этом году после получения компанией Saft (специализируется в проектировании, производстве, и внедрению аккумуляторных батарей для промышленных предприятий и транспорта) контракта на аккумуляторные батареи для хранения мегаватт электроэнергии от финской энергетической компании Fortum.
Saft Intensium Max – батареи контейнерного типа с номинальными мощностями в 1 МВт и 2 МВт, которые будут установлены для компании Fortum Suomenoja на электростанции Эспоо (Финляндия) для хранения электроэнергии в рамках пилотного проекта в странах Северной Европы.
Целью данного пилотного проекта является исследование пригодности и максимальной оптимальности использования аккумуляторных батарей для хранения электроэнергии и поддержания баланса мощности в системе электроснабжения.
Кроме того, также будут проводится исследования новых возможностей в области гибкости данных систем при накоплении и отдаче электроэнергии. Мощности данной электростанции будут предложены национальной энергокомпании Fingrid для поддержания постоянного баланса мощности в системе электроснабжения.
«Литий-ионные аккумуляторы имеют хороший жизненный цикл и большую плотность энергии. Для реализации данного проекта Saft будет использовать литий-никель-кобальт-алюминий оксидный аккумулятор» — сказал Майкл Липперт, менеджер по маркетингу компании Saft. Кроме подчеркивания преимуществ использования литий-ионных аккумуляторов, он также отметил важность данного пилотного проекта, так как он позволит экспериментально исследовать преимущества хранения больших мощностей электрической энергии, а также определить, как литий-ионные аккумуляторы будут себя вести при хранении таких больших объемов энергии.
По мере роста количества проектов по хранению электрической энергии во всем мире, стоит отметить одного из финалистов 2015 года Project of the Year Awards в области возобновляемых источников энергии: The Grand Ridge Energy Storage Project at Invenergy’s Beech Ridge Energy Center:
Проект Гранд-Ридж позволяет хранить 31,5 МВт электрической мощности в литий-ионных аккумуляторах, расположенных в Марселе, штат Иллинойс. Проект имел довольно большой успех, так как помогал операторам сети PJM балансировать спрос и предложение, используя запатентованную технологию железо-фосфатного аккумулятора BYD.
По рыночным исследованиям фирмы IHS, рынок хранения электроэнергии находится во «взрывном» положении. Это значит, что годовая емкость хранилищ электроэнергии вполне может достигнуть 6 ГВт в 2017 году, а к 2022 достигнуть 40 ГВт, и это при том, что в 2012 – 2013 году эти хранилища не превышали 0,34 ГВт. Энергетические компании вполне заинтересованы в развитии этого перспективного направления, так как это позволяет сделать энергосистемы более гибкими, а также стимулировать развитие альтернативной энергетики, снижая, тем самым, выбросы вредных веществ в атмосферу.
Ю.Н.ЕЛДЫШЕВ
Проблема хранения энергии - одна из важнейших не только в энергетике, но и в экономике (а также в науке) в целом. Она до сих пор не решена в полной мере. Наше неумение эффективно сохранять и запасать полученную энергию особенно пагубно сказывается на развитии таких сравнительно «чистых» способов ее производства с использованием возобновляемых источников энергии, как гидроэнергетика, гелиоэнергетика или ветроэнергетика. Ведь мы до сих пор не в состоянии обеспечить гарантированное поступление энергии потребителям от таких источников в связи с понятными суточными, сезонными, а то и вовсе плохо прогнозируемыми изменениями их мощности. Поэтому любая информация о достижениях в этой сфере вызывает повышенный интерес.
Метановый проект
О новом способе хранения энергии, полученной от ВИЭ (один из основных недостатков которых, — именно нестабильность и непредсказуемость выработки энергии), сообщила недавно пресс-служба Общества Фраунгофера (Общество Йозефа Фраунгофера — немецкий аналог Российской академии инженерных наук, его основная цель — содействие развитию прикладных исследований). Немецкие ученые разработали технологию, в которой излишки электроэнергии, выработанные солнечными или ветро-электростанциями и не нужные в данный момент, преобразуются в метан. Полученный таким образом газ можно хранить сколь угодно долго и использовать по мере необходимости с помощью уже существующей газовой инфраструктуры.
Пилотный проект, разработанный Центром солнечной энергии и водородных исследований, который находится в Штутгарте (ФРГ), в настоящее время реализуют сотрудничающие между собой компании Австрии и Германии. Запуск основанной на данной технологии промышленной станции мощностью в десятки мегаватт запланирован на 2012 г.
Как уверяют разработчики, демонстрационная система, построенная в Штутгарте, использует генерируемые с помощью солнечных панелей и ветроэнергетических установок (ВЭУ) излишки энергии для электролитической диссоциации воды на кислород и водород. В дальнейшем полученный водород, соединяясь с подаваемым в систему углекислым газом, образует метан, который уже можно хранить и использовать для получения энергии в любое время. По оценкам ученых, эффективность подобного преобразования выше 60%.
Не секрет, что «классические» способы хранения электроэнергии в конденсаторах и аккумуляторных батареях предполагают создание особой (дополнительной и достаточно дорогой) инфраструктуры. В отличие от таких способов для хранения энергии в форме метана в Германии, как и во многих других странах, уже существует вся необходимая инфраструктура — это распределенная система газовых хранилищ большой емкости. Поэтому авторы данной технологии считают, что у нее могут быть неплохие перспективы, ибо такое преобразование с приличным КПД — «это определенно лучше, чем полная потеря электроэнергии, которую нельзя использовать здесь и сейчас». А реальных альтернатив «газовому преобразованию» как способу хранения энергии до настоящего времени предложено не так уж много.
«Ахиллесова пята» гидроаккумуляторов
ГАЭС по внешнему виду могут различаться очень сильно: многие аккумулирующие станции почти невозможно отличить от обычной ГЭС, расположенной на реке со значительным уклоном, но есть и такие, у которых предусмотрен весьма необычный накопительный резервуар, как, например, станция «Taum Sauk» в штате Миссури (США), привлекающая внимание многочисленных туристов. Но в любом случае такому способу хранения и перераспределения энергии присущ серьезный недостаток - необходимость отчуждения больших площадей под верхний и нижний бьефы, а также масштабные (и дорогие) строительные работы.
Водная альтернатива
Одно из древнейших устройств для хранения энергии — гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). Так называют разновидность гидроэлектростанций, специально предназначенную для выравнивания суточной неоднородности электрической нагрузки. ГАЭС использует в работе комплекс электрических генераторов и электрических насосов либо специальные обратимые гидроэлектроагрегаты, способные работать и как генераторы, и как насосы. Во время минимума энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее на перекачку воды в верхний бьеф, т. е. действует как насос. А во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая при этом дорогую «пиковую» электроэнергию, которую отдает в энергосеть, т. е. действует как электрогенератор.
Поскольку в обоих режимах КПД такой станции меньше 100%, понятно, что в итоге ГАЭС потребляет больше электроэнергии, чем вырабатывает, т. е. формально оказывается убыточной. Впрочем, не стоит забывать, что потребляет ГАЭС «дешевую» энергию, а поставляет в сеть «дорогую», так что экономический итог не совпадает с энергетическим балансом и не определяется простыми арифметическими действиями. Дело в том, что в крупных энергосистемах заметную долю составляют мощности тепловых и атомных электростанций, которые не могут быстро сокращать выработку электроэнергии при падении энергопотребления или же делают это с большими потерями. Потому-то коммерческая стоимость электроэнергии в период наивысшего («пикового») потребления в энергосистеме гораздо выше, чем в период ее минимального потребления, и использование ГАЭС оказывается экономически эффективным, повышая как равномерность нагрузки на другие мощности энергосистемы, так и надежность энергоснабжения в целом.
ГАЭС выглядит простой и надежной системой аккумуляции энергии, обладающей множеством достоинств и всего одной, но очень существенной, слабостью: далеко не всюду ее можно возвести, да и занимает она очень много места.
Энергию можно хранить... в холодильнике
Сравнительно недавно было предложено сохранять «энергию ветра» (электроэнергию, полученную от ВЭУ), меняя температуру в огромных складах-холодильниках, что почти не требует капитальных затрат. Группа исследователей из университетов Болгарии, Дании, Испании и Нидерландов разработала проект «Ночной ветер», направленный на создание общеевропейской системы хранения энергии, вырабатываемой ВЭУ, основанной на использовании элементов уже существующей инфраструктуры.
Идея проста: ночью, когда потребление электричества падает, а ВЭУ продолжают работать, вырабатываемую ими электроэнергию предлагается расходовать на то, чтобы понизить температуру в существующих холодильниках крупных продовольственных складов. Как показали оценки, достаточно снизить температуру всего на 1 °C по сравнению с обычной нормой. Иными словами, энергия будет «запасаться» в результате охлаждения многих тысяч тонн разнообразных продуктов, которые будут храниться в обычном режиме где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днем же, когда потребление электричества многократно растет, все эти гигантские холодильники можно будет просто отключить от сети до тех пор, пока температура в них постепенно не поднимется на тот же 1 °C, т. е. не вернется к привычному значению.
И хотя, как хорошо известно, сами по себе холодильники, даже самые гигантские, конечно же, никакого электричества не производят, такие колебания температуры всего на один градус с периодом в сутки, если их применить на всех крупных холодильных складах Европы, по оценкам авторов проекта, будут эквивалентны появлению в общей энергосети супераккумулятора емкостью в 50 ГВт/ч!
Действенность идеи авторы проекта продемонстрировали еще в 2007 г., установив рядом с одним из крупнейших холодильных складов в Бергене (Нидерланды) ветровую турбину и настроив электронную систему управления холодильником по описанному выше принципу. Так что теперь судьба проекта в руках экономистов от энергетики, которые должны решить, насколько целесообразно делать ставку именно на этот способ запасать энергию.
Маховики
Многие эксперты по-прежнему считают весьма перспективным устройством для хранения энергии маховики. Разговоры о них ведутся уже не одно десятилетие. Но только в последнее время разработаны действительно работоспособные проекты, демонстрирующие возможности таких накопителей на практике.
Еще в 1964 г. профессор Н.В. Гулиа (в последнее время заведующий кафедрой Московского государственного индустриального университета) предложил новую разновидность маховика, который должен был служить именно накопителем энергии. Это был не сплошной диск, а сердечник с намотанной на него сотнями и даже тысячами слоев тонкой стальной (впоследствии пластиковой) лентой, заключенный в кожух, внутри которого создавался вакуум, чтобы сократить потери на трение. Как выяснилось, подобные супермаховики могли «вобрать» в себя довольно много энергии на единицу массы, ведь запасаемая ими энергия определялась прежде всего предельной скоростью вращения (поскольку была пропорциональна ее квадрату, а от массы зависела линейно), которая в свою очередь была ограничена прочностью выбранного материала.
Современные супермаховики с намоткой из углеродного волокна имеют удельную энергоемкость до 130 Вт-ч/кг. Это несколько уступает показателям лучших литий-ионных аккумуляторов, но у накопителей на маховиках есть и свои преимущества: они гораздо дешевле, долговечнее и безопаснее (не только для здоровья обслуживающего персонала, но и, что не менее важно, для окружающей среды).
Сам изобретатель еще 40 лет назад много экспериментировал с супермаховиками, поскольку считал их перспективными накопителями энергии на транспорте и даже построил несколько образцов подобных транспортных средств. Об их применении в энергетике как альтернативе аккумуляторам он тоже размышлял, однако до недавнего времени идея использовать маховики для хранения энергии не в лабораториях, а в промышленных масштабах и в существующих энергосетях представлялась специалистам экзотической и даже утопической. Лишь в последние годы некоторые фирмы на Западе начали серьезные исследования в этой области.
Так, специалисты американской компании «Beacon Power» разработали набор стационарных супермаховиков, предназначенных для подключения к промышленным энергосетям. Выполнены они из огромного числа слоев сверхпрочных композитных материалов на основе углеродных волокон, так что выдерживают гигантские нагрузки, позволяя в среде с высоким разрежением доводить скорость их вращения до штатных 22,5 тыс. об./мин. Маховики на магнитных подвесках вращаются в цилиндрических емкостях высотой около 1 м (новые модели будут уже выше человека), внутри которых создан вакуум. Масса подобной конструкции может достигать 1 т.
На стальном валу маховика (там же — внутри герметичного стального цилиндрического кожуха) расположен ротор обратимой электрической машины — мотора-генератора на постоянных магнитах, который и раскручивает маховик, запасая энергию, или отдает ее, вырабатывая электрический ток, при подключении нагрузки.
Расчетный срок службы такой конструкции 20 лет, диапазон рабочих температур от —40 до +50 °C, она выдерживает землетрясения с магнитудой до 7,6 по шкале Рихтера, иными словами, обладает характеристиками, ныне совершенно нереальными для существующих химических аккумуляторов.
Энергию сохранит воздух
Американская компания «Magnum Energy НС» собирается использовать подземные пещеры на глубине около 1,5 км для хранения сжиженного воздуха, используемого для получения электроэнергии. Создать хранилища предполагается возле города Дельта в штате Юта, где располагаются огромные подземные запасы соли, которые рассчитывают вымывать при помощи специальной техники. На первом этапе предполагается обустроить хранилища для природного газа, добываемого неподалеку - в Скалистых горах. Отработав технологию, компания намерена приступить к созданию хранилища... для воздуха.
По мнению авторов этого проекта, сжатие воздуха может считаться одним из самых дешевых способов хранения энергии. Например, в ясный день солнечная электростанция будет производить избыток электроэнергии. Его направят на сжатие и закачку воздуха. Когда электричество понадобится, воздух заставят крутить турбины. Так авторы надеются преодолеть основную трудность в повсеместном внедрении ВИЭ - нестабильность выработки ими электроэнергии и, соответственно, проблему хранения и преобразования энергии от них.
Впрочем, пока величина запасаемой таким образом энергии невелика — до 25 кВт/ч при максимальной мощности до 200 кВт. По оценкам разработчиков, потери энергии, запасаемой и забираемой из таких накопителей, не превышают 2%, что намного лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах (упомянутые ГАЭС, химические аккумуляторы и т.д). В то же время понятно, что срок хранения энергии в маховиках, в отличие от этих систем, невелик — речь пока может идти только об их использовании в качестве буфера, компенсирующего резкие пики и спады потребления электроэнергии в течение суток.
Наборы из множества таких устройств, включенных параллельно, могли бы накапливать уже вполне ощутимые запасы энергии; при этом главным преимуществом стало бы то, что происходило бы это очень быстро (столь же быстро можно было бы и «востребовать» накопленное). А ведь это очень важно. Дело в том, что любые из существующих промышленных генерирующих мощностей (например, на тепловых электростанциях) не могут быстро реагировать на изменение нагрузки, да и вообще всякие изменения режимов их работы крайне невыгодны.
Вот в таких-то ситуациях, связанных с резкими скачками нагрузки в сети, накопители в виде маховиков и могли бы стать вполне разумным решением. По оценкам разработчиков, время реакции подобных систем просто фантастическое — около 5 мс.
Установки с подобными накопителями уже продемонстрировали свою эффективность на испытаниях в ряде населенных пунктов США, жители которых еще не забыли кошмар своих обесточенных городов из-за цепного отключения мощностей и готовы на многое ради того, чтобы снизить вероятность повторения таких событий.
Впрочем, думается, и российской энергосистеме, которая в силу ряда особенностей заметно устойчивее к колебаниям нагрузки, чем энергосети США, подобные накопители могли бы оказаться полезными.
Изобретение... лопасти
Интересный способ сгладить неравномерность выработки электроэнергии от ВЭУ нашел профессор Университета Ноттингема (Великобритания) Симус Гарви, заключивший, что ветряки, расположенные в открытом море, вообще не следует оснащать электрогенераторами, поскольку такие мощные устройства, вырабатывающие ток даже при самых низких скоростях вращения вала, оказываются очень тяжелыми и, соответственно, очень дорогими. Вместо этого он предлагает делать лопасти ветряка... полыми. Внутри каждой из них должен свободно перемещаться тяжелый поршень. Когда лопасть опускается, поршень сдвигается к ее концу, а когда она поднимается вверх, поршень, наоборот, скользит по направлению к оси, сжимая вошедший через отверстия в корпусе воздух. Сжатый воздух закачивается в специальные пакеты из тонкой и прочной синтетической ткани, плавающие на глубине 500 м!
Эти хранилища, удерживаемые от разрыва давлением вышележащих слоев воды, служат своеобразными буферами, гарантирующими равномерную выработку электроэнергии даже при непредсказуемом ветровом режиме. Из подводных баллонов воздух подается по трубам к дополнительным компактным турбинам-генераторам. По оценкам, его запаса должно хватать для поддержания их вращения в течение нескольких дней даже при полном штиле.
Такая «интегрированная возобновляемая энергетическая система на сжатом воздухе» (Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems — ICARES) впечатляет своими масштабами: по оценкам Гарви, чтобы поршни не зависали на концах лопастей из-за центробежных сил, турбина должна двигаться медленно и быть очень крупной — свыше 200 м в диаметре (в идеале — 500 м). Что касается подводных хранилищ энергии, то автор видит их как гигантские грозди огромных воздушных «подушек» (диаметром по 20 м).
Работы по проекту ведутся с 2006 г., а ныне в университете создали компанию «Nimrod Energy», основной задачей которой станет коммерциализация этой технологии. Предполагается, что системы ICARES появятся на рынке уже через год. Но на первых порах использовать их будут для хранения энергии, выработанной энергоустановками других типов. А морские турбины-гиганты от «Nimrod», по прогнозам разработчиков, могут появиться лет через 10—15.
Необычный аккумулятор и некоторые другие способы
Сегодня довольно высокая активность на Западе связана и с проектами хранения электроэнергии, выработанной, в частности, на весьма популярных здесь ВЭУ, в виде полученного с ее помощью водорода. Причем в таких проектах водород предлагается использовать не как топливо, а как временный энергоноситель. Впрочем, по оценкам экспертов, подобные схемы, которые могут быть весьма эффективными с энергетической точки зрения и вполне приемлемыми с точки зрения экологии, увы, пока остаются слишком дорогими.
Не прекращаются и исследования, связанные с различными технологиями закачки сжатого воздуха в подземные или подводные хранилища.
Но, как уже отмечалось, у каждого из упомянутых способов хранения энергии есть свои достоинства и недостатки, каждый из них хорош по-своему, но ни один нельзя признать идеальным. В связи с этим в последнее время появились даже призывы вернуться к, казалось бы, давно и всесторонне изученным химическим аккумуляторам. Впрочем, не совсем обычным — расплавленным.
Вообще-то так называемые горячие аккумуляторы придуманы тоже много лет назад. Известно немало их разновидностей, обладающих завидными удельными характеристиками. Только вот обеспечить необходимую для них рабочую температуру в сотни градусов по шкале Цельсия нелегко, так что это условие накладывает серьезные ограничения на возможные области их применения, а также на возможный срок их действия (все прежние предложения использовать такие аккумуляторы в широких масштабах оказывались неконкурентоспособными из-за крайне непродолжительного срока их действия). Впрочем, в японской префектуре Аомори, к примеру, уже несколько лет действует комплекс из 17 крупных блоков серно-натриевых горячих батарей мощностью 34 МВт, которые подключены к сети через преобразователи переменного/постоянного тока. Данный комплекс входит в состав новой ветровой фермы «Futamata», значительно сглаживая неравномерность выработки электроэнергии ВЭУ (позволяя удовлетворить дневной пик потребления и накапливая энергию ночью).
Но новый аккумулятор, прототип которого создали американские ученые, по их оценкам, будет втрое дешевле лучших сегодняшних батарей, намного долговечнее их и главное — гораздо мощнее. Профессор Дональд Сэдовей и его коллеги из Массачусетского технологического института придумали оригинальное устройство для аккумулирования электрической энергии, которое, по их мнению, уже в недалеком будущем позволит использовать по ночам энергию, полученную от солнечных панелей (или энергию ветра в штиль). Такой аккумулятор размером с привычный для американцев контейнер для мусора в индивидуальном доме (его объем — около 150 л), как считает Сэдовей, мог бы стать неотъемлемым атрибутом «зеленого» дома, обеспечивая все его потребности в энергии даже на пике потребления, а подзаряжался бы он от «непостоянных» ветряков и солнечных панелей. Ну а крупным наборам таких аккумуляторов, по мнению разработчиков, вполне по силам было бы снабжение электричеством целых поселений — аккумулирующая станция мощностью в 13 ГВт (достаточная для питания крупного города) заняла бы всего 6 га.
За счет чего достигается такая плотность мощности? Дело в том, что, как уверяют разработчики, эти батареи способны отдавать и принимать в 10 раз более сильный ток, чем все известные типы химических аккумуляторов.
Понимая, что слишком сильный ток может с легкостью повредить устройство, попросту расплавив всю конструкцию, Сэдовей предложил: пусть расплавленное состояние будет нормой для всех частей батареи. В прежних горячих аккумуляторах помимо корпусов и контактов был еще один важный твердый (нерасплавленный) элемент — твердый электролит (специальная проводящая керамика), а в новом аккумуляторе твердых частей внутри нет вообще, кроме внешнего корпуса, все жидкое — и электролит, и электроды. Все элементы новой необычной системы не смешиваются между собой благодаря разной плотности, как не смешиваются масло и вода в покоящемся сосуде. А поскольку новая батарея призвана стать стационарным накопителем энергии, перемешиваться жидкостям вроде бы не от чего.
Разработанный аккумулятор напоминает тугоплавкий «стакан» (корпус служит первым наружным контактом), накрытый крышкой (второй наружный контакт). Между ними — диэлектрик, а вокруг теплоизолирующая оболочка. На дно емкости авторы поместили сурьму (это первый внутренний электрод), следом сульфид натрия (электролит), а сверху магний (второй внутренний электрод). Все компоненты — в расплавленном виде.
При заряде слой электролита в таком аккумуляторе становится тоньше, а расплавленные электроды — толще. При разряде все происходит в обратном порядке: материал электродов (ионов) частично переходит в электролит, так что центральный жидкий слой растет, а боковые — электроды — сокращаются.
Такая система, использующая довольно необычные для химических аккумуляторов принцип работы и конструкцию, как выяснилось, способна выдержать огромное число циклов зарядки и разрядки, многократно превышающее все, что могли продемонстрировать прежние батареи, а кроме того, может отдавать и принимать гигантские токи без каких-либо повреждений (в системе просто нечему выйти из строя). Наконец, все компоненты такого аккумулятора оказались на удивление недорогими, так что установить подобные системы можно где угодно.
Авторы построили опытный образец расплавленной батареи. Ее удельная емкость пока не слишком впечатляет. Но это не столь уж критично — для стационарного накопителя энергии масса системы не слишком важна. К тому же ученые полагают, что все характеристики новой батареи можно будет серьезно улучшить, сохранив принцип работы, но подобрав иные компоненты.
Довести созданный прототип до коммерческого варианта разработчики обещают лет через пять. И это довольно быстро, если учесть, что горячие аккумуляторы прежних типов хотя и были изобретены очень давно, до сих пор несмотря на все попытки их совершенствования все еще считаются экзотикой.
По материалам sciencedaily.com, physorg.com, membrane.ru и других источников
Дорогие в производстве батареи, применяемые в альтернативной энергетике для «передержки» невостребованной энергии, заменили бактерии.
Специалистам из Университета Чикаго удалось решить глобальную проблему хранения накапливающихся в процессе работы солнечных или ветряных электростанций излишек электроэнергии, которые примерно в половине случаев приходится в буквальном смысле «спускать в воздух». Напомним, что работа станций выработки электричества из альтернативных источников — энергии Солнца или ветра, отличается от других направлений энергетики скачкообразным и зависящим от времени суток или розы ветров вырабатыванием необходимой для работы многочисленных электроприборов электроэнергии. Если земное светило позволяет получать «дармовую» энергию только в яркий солнечный день, когда небо остается чистым от облаков и других мешающих лучам «достать» до поверхности земли природных явлений, то потребители — домашняя техника или промышленное оборудование, нуждающееся в постоянной подпитке, работает и по ночам. Аналогичная ситуация происходит и при преобразовании энергии ветра в электричество — когда он дует, огромные мельницы обеспечивают необходимую выработку, которая автоматически прекращается при изменении направления ветра или его недостаточной силе. Это вынуждает энергетиков предусматривать пути накопления превышающей потребление энергии, чтобы в моменты пиковой нагрузки, приходящейся как раз на вечернее время, обеспечивать потребности энергетической сети даже в ситуации с отсутствующим солнечным светом и утихшими до нулевой скорости ветрами.
Для этого энергетики сегодня применяют огромные аккумуляторные станции, позволяющие хранить излишки электроэнергии для их последующего использования в моменты пиковых загрузок электросетей, однако вопрос строительства таких «накопителей» и закупки десятков тысяч дорогостоящих емких аккумуляторов превращает альтернативную энергетику в очень дорогое удовольствие. Ряд рыночных игроков попытался решить эту проблему предложением домашних аккумуляторных батарей, которые потребители могут устанавливать в собственных домах, чтобы использовать возможности «чистой» энергетики прямо в своем загородном коттедже без оглядки на время суток или прогнозы по силе и направлению ветров. Речь идет о батареях Tesla Powerwall, позволяющих накапливать от 7 до 14 кВт·ч в закрепляемой на стене помещения аккумуляторной емкости, «заполняемой» работающими в отсутствие хозяев на протяжении всего светового дня солнечными панелями. Энергопотребление квартиры или частного коттеджа в течение рабочего дня, когда все находятся за пределами жилища — в офисах, приближается к нулю, а возвращение жильцов домой происходит уже после прохождения пика выработки электричества из солнечного света. Такая батарея помогает запитать присутствующие дома электроприборы вечером, ночью и ранним утром, однако цена Tesla Powerwall заставляет всерьез задуматься о целесообразности приобретения такого «накопителя энергии». Официальный прайс компании-производителя так ине появившихся на рынке «домашних батареек» сообщает о начальной стоимости продукта в $3000.
Точно такие же трудности испытывают и энергетические компании, занятые в сегменте альтернативной энергетики — необходимость хранить излишки электричества в дорогостоящих и обладающих ограниченным количеством циклов перезарядки аккумуляторах резко снижает рентабельность такого начинания. Сегодня правительства ведущих государств Европы напрямую субсидируют компании, занимающиеся преобразованием солнечной и ветряной энергии в электричество, чтобы они могли работать без угрозы неминуемого банкротства. Именно эту проблему — чрезмерную дороговизну создания «энергетических хранилищ», и сумели решить ученые из Чикагского Университета, создавшие уникальную и сверхдешевую технологию преобразования электроэнергии в метан — применяемый во многих отраслях промышленности, включая электроэнергетику, легко транспортируемый и не требующий серьезного ухода газ. Созданный руководителем исследовательской группы из США Лоренсом Метсом стартап под названием Electrochaea уже начал работу в направлении коммерциализации разработанной специалистами методики, заявляя о готовности в ближайшее время построить мощнейшую 10-Мегаваттную коммерческую «электро-метановую» станцию полного цикла.
Запланированное к постройке в Венгрии перерабатывающее предприятие позволит в непрерывном режиме преобразовывать невостребованную бытовыми и промышленными потребителями энергию в удобный в использовании и необходимый, в частности, для отопления домов метан. По словам Метса, с энергокомпанией Magyar Villamos Muvek достигнута договоренность о прокладке газопровода непосредственно от здания завода для транспортировки выработанного метана прямо в газотранспортную систему страны. Прототипом для строящейся «электро-метановой» станции мощностью 10 МВт в Венгрии стала экспериментальная 1-Мегаваттная установка BioCat, возведенная исследователями три года назад. Проверка работоспособности научных изысканий в реальных условиях подтвердила революционную сущность и невероятную перспективу повсеместного внедрения уникальной по всем показателям технологии. Последняя основана на «эксплуатации» слегка «доработанных» микроорганизмов, представляющих собой созданный в лабораторных условиях штамм метаногенной бактерии Archaea. Эта бактерия в процессе жизнедеятельности занимается превращением смеси из водорода и диоксида углерода в метан и воду, которые после разделения наполняют метановые резервуары преобразованным в газ электричеством. Первым этапом очень простого с технологической точки зрения процесса становится разделение молекул воды на водород и кислород, для чего как раз и применяется избыточная электроэнергия, получаемая на ветряных и активно строящихся во всем мире солнечных плантациях.
Результат многолетней исследовательской работы группы американских и европейских ученых обеспечивет человечество очень простым, удобным и недорогим способом хранения излишек электроэнергии без необходимости закупки фантастически дорогих и технологически «грязных» аккумуляторов — при их сборке производителями применяются наносящие серьезный ущерб экологии материалы и технологии, при этом после выработки ресурса использованные батареи пополняют многочисленные городские и загородные свалки. Вместо критического для Природы ущерба от литий-ионных емкостей Метс предлагает воспользоваться технологически совершенным и основанным на естественных биологических процессах методом превращения электрического тока в метан, который впоследствии можно применять в теплоэнергостанциях, автомобилях с метановыми двигателями и даже водородомобилях. Автомобили с водородными двигателями работают на чистом водороде, получать который проще всего из газа метан, что превращает разработку Метса и его коллеги из Университета Чикаго в фантастический по масштабам и приобретаемым потребительским обществом перспективам научный прорыв.
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