На вопрос «Как сохранить электроэнергию?» практически каждый из нас не задумываясь ответит: «При помощи аккумулятора», имея в виду вторичный химический источник тока. Но сегодня это далеко не единственный способ накопления энергии. Один из вариантов — гравитационный аккумулятор, о котором и пойдет речь.
Принцип
Идея накопления и отдачи энергии таким аккумулятором заключается в следующем:
- На электродвигатель подается электричество, полученное традиционным способом.
- Электродвигатель поднимает определенный груз на некоторую высоту. Аккумулятор заряжен.
- Электродвигатель переводится в режим генератора.
- Груз освобождается и под действием силы тяжести опускается вниз, вращая генератор.
Любопытно. Именно на этом принципе работают всем хорошо известные часы с гирями. Единственно, они используют гравитацию для механической работы, а не для выработки электроэнергии.
Есть и другие разработки, в которых груз поднимается при помощи насосов, нагнетающих воду в цилиндр. Груз в этом случае исполняет роль поршня. Разряжаясь, такая батарея выдавливаемой из цилиндра водой вращает турбину электрогенератора.
Выгодно ли?
Казалось бы, зачем огород городить? Ведь существуют вполне приличные химические аккумуляторы, к примеру, литиевые. Никакой механики, мило и компактно. А тут целый каскад преобразований, а каждое преобразование — потеря энергии.
Оказывается, смысл есть. Химический источник тока — тоже преобразования. Причем КПД того же литиевого аккумулятора, включая повышающие и понижающие преобразователи (инверторы) не так уж и высок. В лучшем случае 64%.
Неужели эффективность кучи грузов, шестеренок ремней и маховиков будет выше? Как это ни странно – да, и намного. Как вам цифра 80-85%? Это существенно выше, чем у химических источников тока, включая высокоперспективные литиевые.
Важно! Практические исследования показали, что стоимость электроэнергии, запасенной в гравитационном аккумуляторе, вдвое ниже энергии, запасенной в суперсовременных литий-ионных батареях.
Следующий вопрос — долговечность. Ресурс вторичного химического источника тока не особо велик. Количество циклов заряд/разряд у литий-железофосфатных элементов составляет в среднем 1 500, а у литий-кобальтовых и того меньше — 500. Срок жизни — несколько лет. Гравитационный накопитель со своими стальными тросами, грузами, моторами и редукторами может работать десятилетиями без ограничения количества циклов заряд/разряд и снижения емкости при минимуме обслуживания.
И последняя ложка меда в бочку лития — он отлично горит, причем водой его не потушишь.
В качестве примера можно привести пожар в Австралии, произошедший в 2021 году. Загорелось одно из крупнейших на планете хранилищ электроэнергии — TeslaMegapack, оборудованное литий-ионными аккумуляторами, общая емкость которых составляет 450 МВт·ч. Борьба с огнем продолжалась четверо суток.
От теории к практике
Вы, конечно, скажете, что все это теория. Что с практикой? Есть и она. К примеру, в Шотландии компанией Gravitricity построен прототип гравитационной батареи на 250 кВт стоимостью 1 млн. фунтов. Конструкция представляет собой два груза массой по 25 тонн, размещенных в шахте высотой 16 м. Система отлично функционирует, и подтвердила все теоретические расчеты:
- пиковая мощность - 20 МВт;
- срок службы без ухудшения параметров – 50 лет;
- КПД – 80%;
- время работы на разряд – от 15 мин до 8 часов.
Важно! Преимущество такой системы состоит в том, что заряжаться она может маломощным приводом, если позволяет время, а разряжаться на мощные генераторы, выдавая огромные пиковые мощности.
Есть и другие, более масштабные проекты. Швейцарско-американская компания Energy Vault представила пилотную версию своего гравитационного накопителя, построенного в Северной Италии и именуемого в прессе «Вавилонская башня». Конструкция выглядит как башенный кран с шестью стрелами. Эти стрелы при помощи электромоторов поднимают на высоту 150 м бетонные блоки весом 35 тонн каждый и складывают их там как конструктор. Для получения энергии краны цепляют верхние блоки, которые опускаясь, вращают генераторы. Вся конструкция управляется компьютером и не требует участия человека.
Накопитель обладает следующими характеристиками:
- высота – 160 м;
- вес блока – 35 т;
- количество блоков – 6 000;
- электрическая емкость – 35 МВт*ч;
- выходная мощность – до 5 МВт;
- КПД – 85%;
- срок эксплуатации – 35 лет;
- стоимость – 100 млн. долларов.
Что касается коммерческого применения «Вавилонской башни», , то будет и оно. Заказчики – индийский концерн «Tata» и мексиканская строительная компания «Cemex».
Важно! Предлагаемый Energy Vault проект легко масштабируется под необходимые емкости и мощности.
Как видите – гравитационные аккумуляторы вполне реальны и перспективны. В смартфон, конечно, такой не вставишь, если он не форм-фактора настенных часов с гирями, но в промышленных масштабах гравитационные аккумуляторы, думается, имеют будущее.