КАК СОХРАНИТЬ ЭНЕРГИЮ
9-08-2010, 14:30. Разместил: VP
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 гидроэлек-троагрегаты, 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 Епегду 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, плаващие 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 «поду¬шек» (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
Вернуться назад