Человечество с самого начала своего существования научилось вырабатывать 4 вида энергии: тепловую, механическую, гравитационную и электрическую. Без них его развитие никогда бы не произошло. Сперва мы освоили тепловую энергию, путем разведения костра и отопления жилища дровами. Через некоторое время научились добывать уголь, который привёл к появлению промышленности и изобретению парового двигателя, тем самым начав развитие эры механизмов. После открытия и добычи нефти и природного газа, были изобретены двигатели внутреннего сгорания. А буквально 2 века назад учёные научились создавать и хранить электричество, без которого сейчас невозможна комфортная жизнь любого человека. Буквально 70 лет назад мы перешли на массовое потребление бензина, дизтоплива и природного газа в огромных масштабах, даже не задумавшись к чему это приведёт, опьянев от комфорта и решив что так будет всегда.
Но в конце 20 века пришлось столкнуться с глобальными проблемами, такими как глобальное потепление из-за неконтролируемых выбросов углекислого газа в атмосферу, истощения природных ископаемых и загрязнение окружающей среды при их добыче и бездумном использовании. В связи с нависшими угрозами пришлось срочно разрабатывать и создавать альтернативные источники энергии, которые помогут их решить и при этом конкурировать с традиционными источниками энергии. И вот уже за 30 лет появились полностью отлаженные солнечная, ветровая, геотермальная, гидро и биоэнергетика, а сейчас в разработке есть другие виды, но пока они экономически не выгодны. Однако у всех альтернативных источников есть один большой недостаток − необходимость накопления энергии с возможностью долгого хранения и переноса в стабильном однородном состоянии, а традиционные источники уже сами являются готовыми аккумуляторами энергии, способными выдать её в любой момент и в нужном количестве. Так как же это можно сделать и какие виды накопителей вообще существуют на сегодняшний день? Об этом и пойдёт дальнейшая речь.
Электрические накопители энергии
Электрическая энергия — наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. По этому не удивительно, что электрические накопители наиболее распространённые и быстро развиваются. Вот их основные виды:
Накопители в виде электрохимических аккумуляторов
Удобны и при правильном использовании полностью выполняют свою работу, но есть у них и существенные недостатки. Это сложное и дорогое производство, небольшой срок службы и необходимость правильной утилизации из-за опасности загрязнения окружающей среды, что также повышает их стоимость. Примерно через 10 лет мир может столкнуться с новой проблемой — огромным количеством использованных батарей и их дальнейшей утилизацией. На сегодняшний день самыми популярными являются Li-ion аккумуляторы, но мало кто задумывается что он как ископаемое и невосполнимое сырьё, добывается в небольших объёмах, а запасы его малы и ограничены. Сегодня разрабатываются и внедряются новые и уже известные аналоги литий-металлических источников энергии, таких как литий-железо-фосфатные, литий-титананые и литий-полимерные, а также альтернативные накопители электричества на основе натрия и калия с использованием неорганических и органических материалов.
Конденсаторы
Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии, при этом способны так работать в широком диапазоне температур долгие годы. Их суммарная ёмкость увеличивается до нужной величины путём параллельного подключения, как у традиционных аккумуляторных батарей. Делятся на 2 основных класса: неполярные (сухие) и полярные (содержат жидкий электролит).
Однако у них есть 2 основных недостатка. Во-первых, малая удельная плотность запасаемой энергии и потому малая ёмкость. Во-вторых, малое время хранения заряда, которое может быть несколько секунд или минут, реже несколько часов. Из-за этих недостатков сфера применения у них ограничена кратковременным накоплением заряда, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в электротехнике.
Суперконденсаторы (ионисторы)
Они являются своего рода промежуточным звеном между электролитическими (полярными) конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали огромное количество циклов "заряда-разряда" (до 1 млн раз), а от вторых — невысокие токи зарядки и разрядки. Их ёмкость также находится в диапазоне между самыми энергоёмкими конденсаторами и небольшими АКБ. Также слабыми местами являются малый диапазон колебания температур и малое время хранения заряда — от нескольких часов до нескольких недель максимум.
Применяются в отдельных сборках или в спарке с аккумуляторными блоками и преобразователем напряжения на предприятиях, требующих быстрого включения мощных по потреблению энергии приборов, способных создавать возмущения, скачки и просадки напряжения в электросети, приводящие к огромным экономическим потерям. Именно для постоянно высокого и качественного напряжения используют такие гибридные накопители энергии (технологии Smart Grid или умная сеть), где преобразователь распознает тип возмущения (кратковременное или долговременное) и использует заряд одной из сборок (ионистор или АКБ) для выравнивания напряжения.
Редокс-проточные аккумуляторные батареи
Проточные аккумуляторы являются новым видом, представляющим нечто среднее между топливным элементом и традиционных АКБ. Аббревиатура "редокс" произошла от технологии на основе ванадиевого электролита, под английским названием "Reduction-Oxidation".
Конструкция их такова, что электроды и основная масса электролитов, представляющих собой растворы металлических солей (ванадиевая соль) и серной кислоты, находятся отдельно друг от друга в 3 ёмкостях. В первой находится положительно заряженный электролит, во второй отрицательно заряженный, а посередине находится разделённый мембраной на две половины резервуар, с положительным (анод) и отрицательным (катод) электродами, обеспечивающими ионный обмен с электролитами и генерацию электричества в ходе окислительно-восстановительных реакций.
Сам раствор из 2 емкостей прокачивается через резервуар с мембраной при помощи насосов в разных направлениях. В одну сторону прокачки на электродах вырабатывается напряжение, а когда аккумулятор необходимо зарядить, направление прокачки изменяется на противоположное.
Их преимуществами являются надёжность, простота зарядки, быстрое реагирование на изменение нагрузки или перегрузки по номинальному току, большое количество циклов "заряд-перезаряд" (до 10000 раз), срок работы 10-20 лет, мощность регулируется объёмом емкостей для хранения электролита.
Недостатками являются токсичность, редкость и высокая стоимость самого ванадия, что делает эксплуатацию и обслуживание дорогой и небезопасной. Также сама конструкция должна быть надёжной и зафиксированной горизонтально.
Наиболее подходит для промышленного использования и как аккумулирующая часть для систем альтернативной (зелёной) энергетики. Однако на сегодняшний день проходят испытания с другим составом электролита, на органической основе водного раствора молекул хинона, содержащегося в древесине, а в качестве электродов используется PEDOT-полимер. Все эти материалы и растворы экологически безопасны и легко поддаются переработке, а в последствии могут составить большую конкуренцию или замену в будущем литиевым элементам в больших объёмах накопления и хранения электроэнергии.
Тепловые накопители энергии
Основным источником для накопления энергии тепла, является солнце. По этому очень нужно было создать накопители, аккумулирующее и хранящие долгое время непосредственно само тепло, с возможностью получить его обратно. Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым (базальтовый камень, песок, чугун) либо плавящимся (специальный стойкий к испарению состав масла, расплавленная жидкая соль) теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические и с электронагревательным элементом (радиаторы и регистры). Подключаются к газовым, твердотопливным, солнечным и комбинированным системам. Для создания электричества и обогрева наиболее подходит тепловой аккумулятор с твердым либо павящимя материалом, из-за экономической наиболее выгодного накопление энергии за счет теплоёмкости, а остальные виды (плавление-кристализация, испарение-конденсация) не обладают экономически выгодным для выработки большого количества энергии, нужным КПД.
Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь, а сегодня в современном частном доме её может заменить тепловой аккумуляторный бак с горячей водой и внешним теплоизолирующим кожухом, встроенный в систему отопления. На более высокий КПД накопителя влияют: удельная теплоёмкость, отвечающая за теплоёмкость массы вещества; объёмная теплоёмкость, теплопроводность и качественная внешняя изоляция, снижающая теплопотери.
При правильном расчёте всех 4 составляющих можно добиться наилучших результатов. С водой все более или менее понятно, два остальных элемента применяются в довольно необычном виде в солнечных электростанциях башенного, тарелочного и гибридного типа. Расплавленная соль в жидком виде нашла применение в башенном типе из-за текучести, большой удельной теплоёмкости и теплопроводности, нагреваясь в баке на вершине башни и свободно циркулируя по трубам как любой жидкий теплоноситель. Теплоносители в виде чугуна, камня и песка получили применение в тарелочном и гибридном, сочетающим части и элементы конструкции башенного и тарелочного типов. Наилучшими и работающими примерами являются:солнечная электростанция "India One Solar Thermal Power Plant" в Маунт-Абу (Раджастхан, Индия); электростанция типа "Beam-Dawn Tower" расположенная возле города Юмен (провинция Гань су, Китай).
Также в Швейцарии разработан проект нового (5 поколения) типа солнечной электростанции с тепловым баком, закопанным в землю для более долгого хранения тепла, с потерей не более 10% в год.
Видео об устройстве солнечной электростанции в Индии
Видео об устройстве солнечной электростанции в Китае
Накопители гравитационной энергии
В накопителях этого типа груз для накопления потенциальной энергии поднимается вверх, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Широко применяется как дополнительный временный источник питания в пиковые часы разгружая электросеть и как накопитель энергии, для альтернативных источников, таких как солнечная и ветровая электростанции, отдавая энергию, запасённую впрок, когда они не работают. Делится на 2 основных типа: твердотельные и жидкостные.
Данный вид накопителей начал развиться совсем недавно и получил название "твердотельная аккумулирующая электростанция" (ТАЭС), а большинство вариантов на стадии испытаний или в виде проектов, но в нём заложен большой потенциал для развития, вот несколько примеров:
Проект гравитационных поездов компании "Advanced Rail Energy Storage" (ARES). В данной технологии используются железнодорожные вагоны, которые перевозят чрезвычайно тяжелые блоки на вершину холма, при помощи электромоторов, получая электричество в непиковые часы от электросети или от источников альтернативной энергии. А вечером или в пиковые часы, вагоны спускаются вниз по склону приводя в движение те же моторы, но уже работающие как генераторы, а вся накопленная энергия в виде выработанного электричества возвращается обратно в сеть.
Проект башенного накопителя Швейцарской компании Energy Vault. Основной его рабочей частью является шестисекционный подъёмный кран с программным управлением, который в процессе зарядки формирует вокруг себя башню из бетонных блоков, весом 35 т каждый. Блоки изготовлены из переработанных строительных и бетонных отходов. В процессе разрядки башня разбирается путём перемещения и опускания отдельных блоков вниз при помощи электрических моторов-генераторов. Пиковая мощность накопителя составит 4 МВт, а энергоёмкость — 35 МВт∗ч.
Схема работы башенного накопителя
Гравитационные жидкостные накопители
Данный тип накопителя конструктивно отличается от ТАЭС и состоит из двух бассейнов с водой или одного бассейна с колодцем, расположенными друг над другом и соединёнными между собой трубами для прокачки воды со встроенными внутри электронасосом и генератором. Обычно строится рядом другими электростанциями, как вспомогательная и называется "гидроаккумулирующая электростанция" (ГАЭС).
Насосы начинают перекачивать воду из колодца или резервуара, расположенного ниже, во время избыточной выработки электроэнергии альтернативными источниками или во время льготного периода, когда в электросети остаётся неиспользованная электроэнергия. А когда потребность в энергии возрастает, вода из верхнего резервуара, протекая назад через трубы, используется для вращения генераторов.
Накопители механической энергии
Механическая энергия проявляется при взаимодействии и движении отдельных тел или их частиц. К ним относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энергию деформации при растяжении, сгибании, закручивании и сжатии упругих тел (пружин).
Гироскопические накопители энергии
В этих накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика, а удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм его веса, значительно больше той, что можно запасти в килограмме при статическом расположении, даже подняв его на большую высоту. Также у него есть возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной только пределом прочности материалов, из которых он сделан.
Основными недостатками являются:
- чувствительность к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения;
- небольшое время хранения накопленной энергии;
- необходимость стабильной скорости вращения, что усложняет установку простых механических систем подключения к мотору-генератору, а если скорость станет очень большой, то материал, из которого изготовлен маховик может не выдержать центробежной силы с вибрацией и разрушиться.
Впрочем, сегодня современные технологии способны увеличить время хранения энергии, на гораздо большее время, путем применения магнитных подвесов и вакуумной камеры, которые сводят силы трения к минимуму. Особенно перспективны "супермаховики", состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Их применение позволяет значительно увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии в несколько раз. Все попытки применить данный накопитель для автомобиля пока не принесли значительной экономии и продолжают совершенствоваться, а установка в вакуумной камере остаётся на данный момент самым эффективным, но довольно дорогим для широкого использования. Но этим видом интересуются очень много компаний, считая его перспективным и вкладывают в его разработку большие деньги.
Газовые механические накопители
В этом устройстве энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор начинает закачивать газ в баллон, а когда требуется использовать запасенную энергию, сжатый газ подаётся в турбину, вращающую электрогенератор или обратимый поршневой двигатель-компрессор при небольших мощностях. Сжатие до десятков или сотен атмосфер, может увеличить срок работы от нескольких недель до нескольких месяцев.
Но всегда есть ограничения, создающие препятствия для эффективного использования. Главной из них является прочность стенок бака, которая на сегодня не может удержать большое давление. Однако идут разработки и испытания различных вариантов, способных увеличить объём закачиваемого газа, путем его охлаждения и размещения резервуаров в полостях горных выработок и соляных продах, а также на дне водоёмов, где наружное давление толщи воды компенсирует внутреннее давление баллонов, уменьшая нагрузку на стенки.
Существует еще много перспективных проектов и разработок, таких как пружинные механические накопители, накопление с помощью термохимических реакций, безтопливное химическое накопление, алмазные ядерные батареи и многие другие. Однако все они пока остаюся экономически и с точки зрения эффективности и достаточного КПД, нерентабельными. Но с каждым днём будут появляться всё более новые или доведённые до ума существующие виды накопителей, которые будут сделаны из экологически чистых и безопасных материалов, почти не создавая отходов до и после эксплуатации.
