Як зберегти енергію
Как сохранить энергию
Проблема зберігання енергії - одна з найважливіших не тільки в енергетиці, але й в економіці (а також у науці) у цілому.

Проблема зберігання енергії - одна з найважливіших не тільки в енергетиці, але й в економіці (а також у науці) у цілому. Її дотепер не розв’язано повною мірою. Наше невміння ефективно зберігати та запасати отриману енергію особливо згубно позначається на розвитку таких порівняно «чистих» способів її виробництва з використанням поновлюваних джерел енергії як гідроенергетика, геліоенергетика або вітроенергетика. Адже ми дотепер не в змозі забезпечити гарантоване надходження енергії споживачам від таких джерел у зв'язку зі зрозумілими добовими, сезонними, а те й узагалі погано прогнозованими змінами їхньої потужності. Тому будь-яка інформація про досягнення у цій сфері викликає підвищений інтерес.

Метановий проект

Про новий спосіб зберігання енергії, отриманої від ВДЕ (один із основних недоліків яких - саме нестабільність і непередбачуваність вироблення енергії), повідомила недавно прес-служба Товариства Фраунгофера (Товариство Йозефа Фраунгофера - німецький аналог Російської академії інженерних наук, його основна мета - сприяння розвитку прикладних досліджень). Німецькі вчені розробили технологію, у якій надлишки електроенергії, вироблені сонячними або вітроелектростанціями та не потрібні на цей момент, перетворяться на метан. Отриманий таким чином газ можна зберігати як завгодно довго і використовувати в міру необхідності за допомогою вже існуючої газової інфраструктури.

Пілотний проект, розроблений Центром сонячної енергії й водневих досліджень, який перебуває у Штутгарті (ФРН), наразі реалізують компанії Австрії та Німеччини, які співробітничають між собою. Запуск основаної на цій технології промислової станції потужністю у десятки мегаватів заплановано на 2012 р.

Як запевняють розроблювачі, демонстраційна система, побудована у Штутгарті, використовує генеровані за допомогою сонячних панелей і вітроенергетичних установок (ВЕУ) надлишки енергії для електролітичної дисоціації води на кисень і водень. Надалі отриманий водень, поєднуючись із подаваним у систему вуглекислим газом, утворить метан, який уже можна зберігати й використовувати для одержання енергії в будь-який час. За оцінками вчених, ефективність подібного перетворення вище 60%.

Не секрет, що «класичні» способи зберігання електроенергії в конденсаторах і акумуляторних батареях припускають створення особливої (додаткової та досить дорогої) інфраструктури. На відміну від таких способів для зберігання енергії у формі метану в Німеччині, як і в багатьох інших країнах, уже існує вся необхідна інфраструктура - це розподілена система газових сховищ великої ємності. Тому автори цієї технології вважають, що в неї можуть бути непогані перспективи, тому що таке перетворення із пристойним ККД - «це очевидно краще, ніж повна втрата електроенергії, яку не можна використовувати тут і зараз». А реальних альтернатив «газовому перетворенню» як способу зберігання енергії дотепер запропоновано не так вже багато.

«Ахіллесова п'ята» гідроакумуляторів

ГАЕС із зовнішнього вигляду можуть розрізнятися дуже сильно: багато акумулюючих станцій майже неможливо відрізнити від звичайної ГЕС, розташованої на ріці зі значним ухилом, але є й такі, у яких передбачений досить незвичайний накопичувальний резервуар, як, наприклад, станція «Taum Sauk» у штаті Міссурі (США), яка залучає увагу численних туристів. Але в кожному разі такому способу зберігання та перерозподілу енергії властивий серйозний недолік - необхідність відчуження великих площ під верхній і нижній б'єфи, а також масштабні (і дорогі) будівельні роботи.

Водна альтернатива

Один із найдавніших пристроїв для зберігання енергії - гідроакумулююча електростанція (ГАЕС). Так називають різновид гідроелектростанцій, спеціально призначений для вирівнювання добової неоднорідності електричного навантаження. ГАЕС використовує в роботі комплекс електричних генераторів і електричних насосів або спеціальні оборотні гідроелектроагрегати, здатні працювати і як генератори, і як насоси. Під час мінімуму енергоспоживання ГАЕС одержує з енергомережі дешеву електроенергію та витрачає її на перекачування води у верхній б'єф, тобто діє як насос. А під час ранкового та вечірнього піків енергоспоживання ГАЕС скидає воду з верхнього б'єфа в нижній, виробляючи при цьому дорогу «пікову» електроенергію, яку віддає в енергомережу, тобто діє як електрогенератор.

Оскільки в обох режимах ККД такої станції менше 100%, зрозуміло, що в підсумку ГАЕС споживає більше електроенергії, чим виробляє, тобто формально виявляється збитковою. Втім, не варто забувати, що споживає ГАЕС «дешеву» енергію, а поставляє в мережу «дорогу», тож економічний підсумок не збігається з енергетичним балансом і не визначається простими арифметичними діями. Справа в тому, що у великих енергосистемах помітну частку становлять потужності теплових і атомних електростанцій, які не можуть швидко скорочувати вироблення електроенергії при падінні енергоспоживання або ж роблять це з великими втратами. Тому комерційна вартість електроенергії в період найвищого («пікового») споживання в енергосистемі набагато вища, ніж у період її мінімального споживання, і використання ГАЕС виявляється економічно ефективним, підвищуючи як рівномірність навантаження на інші потужності енергосистеми, так і надійність енергопостачання в цілому.

ГАЕС виглядає простою і надійною системою акумуляції енергії, яка має безліч достоїнств і лише одну, але дуже істотну, слабість: далеко не всюди її можна звести, та й займає вона дуже багато місця.

Енергію можна зберігати... у холодильнику

Порівняно недавно було запропоновано зберігати «енергію вітру» (електроенергію, отриману від ВЕУ), змінюючи температуру у величезних складах-холодильниках, що майже не вимагає капітальних витрат. Група дослідників із університетів Болгарії, Данії, Іспанії та Нідерландів розробила проект «Нічний вітер», спрямований на створення загальноєвропейської системи зберігання енергії, вироблюваної ВЕУ, основаної на використанні елементів уже існуючої інфраструктури.

Ідея проста: уночі, коли споживання електрики падає, а ВЕУ продовжують працювати, вироблювану ними електроенергію пропонується витрачати на те, щоб знизити температуру в існуючих холодильниках великих продовольчих складів. Як показали оцінки, досить знизити температуру лише на 1 °C у порівнянні зі звичайною нормою. Іншими словами, енергія буде «запасатися» у результаті охолодження багатьох тисяч тонн різноманітних продуктів, які будуть зберігатися у звичайному режимі де-небудь у Данії, Голландії або Франції. Удень же, коли споживання електрики багаторазово зросте, всі ці гігантські холодильники можна буде просто відключити від мережі доти, поки температура в них поступово не підніметься на той же 1 °C, тобто не повернеться до звичного значення.

І хоча, як добре відомо, самі по собі холодильники, навіть найбільш гігантські, звісно ж, ніякої електрики не виробляють, такі коливання температури всього на один градус із періодом у добу, якщо їх застосувати на всіх великих холодильних складах Європи, за оцінками авторів проекту, будуть еквівалентними появі у загальній енергомережі суперакумулятора ємністю в 50 гВт-год!

Дієвість ідеї автори проекту продемонстрували ще 2007 р., установивши поруч із одним із найбільших холодильних складів у Бергені (Нідерланди) вітрову турбіну й настроївши електронну систему керування холодильником за описаним вище принципом. Тож тепер доля проекту в руках економістів від енергетики, які повинні вирішити, наскільки доцільно робити ставку саме на цей спосіб запасати енергію.

Маховики

Багато експертів, як і раніше, вважають досить перспективним пристроєм для зберігання енергії маховики. Розмови про них ведуться вже не одне десятиліття. Але тільки останнім часом розроблено дійсно працездатні проекти, які демонструють можливості таких накопичувачів на практиці.

Ще 1964 р. професор Н.В. Гуліа (останнім часом завідувач кафедрою Московського державного індустріального університету) запропонував новий різновид маховика, який мав служити саме накопичувачем енергії. Це був не суцільний диск, а сердечник із намотаною на нього сотнями й навіть тисячами шарів тонкою сталевою (згодом пластиковою) стрічкою, поміщений у кожух, усередині якого створювався вакуум, щоб скоротити втрати на тертя. Як з'ясувалося, подібні супермаховики могли «увібрати» у себе досить багато енергії на одиницю маси, адже енергія, яка запасається ними, визначалася насамперед граничною швидкістю обертання (оскільки була пропорційною її квадрату, а від маси залежала лінійно), яка у свою чергу була обмежена міцністю обраного матеріалу.

Сучасні супермаховики з намоткою із вуглецевого волокна мають питому енергоємність до 130 Вт-год/кг. Це трохи поступається показникам кращих літій-іонних акумуляторів, але в накопичувачів на маховиках є і свої переваги: вони набагато дешевші, довговічніші та безпечніші (не тільки для здоров'я обслуговуючого персоналу, але й, що не менш важливо, для навколишнього середовища).

Сам винахідник ще 40 років тому багато експериментував із супермаховиками, оскільки вважав їх перспективними накопичувачами енергії на транспорті та навіть збудував кілька зразків подібних транспортних засобів. Про їх застосування в енергетиці як альтернативи акумуляторам він теж міркував, однак донедавна ідея використовувати маховики для зберігання енергії не в лабораторіях, а у промислових масштабах і в існуючих енергомережах здавалася фахівцям екзотичною й навіть утопічною. Лише в останні роки деякі фірми на Заході почали серйозні дослідження в цій області.

Так, фахівці американської компанії «Beacon Power» розробили набір стаціонарних супермаховиків, призначених для підключення до промислових енергомереж. Виконано їх із величезного числа прошарків надміцних композитних матеріалів на основі вуглецевих волокон, тож вони витримують гігантські навантаження, дозволяючи в середовищі з високим розрідженням доводити швидкість їх обертання до штатних 22,5 тис. об./хв. Маховики на магнітних підвісках обертаються в циліндричних ємностях висотою близько 1 м (нові моделі будуть уже вищими за людину), усередині яких створено вакуум. Маса подібної конструкції може досягати 1 т.

На сталевому валу маховика (там же - усередині герметичного сталевого циліндричного кожуха) розташований ротор оборотної електричної машини - мотора-генератора на постійних магнітах, який і розкручує маховик, запасаючи енергію, або віддає її, виробляючи електричний струм, при підключенні навантаження.

Розрахунковий термін служби такої конструкції 20 років, діапазон робочих температур від —40 до +50 °C, вона витримує землетруси з магнітудою до 7,6 за шкалою Ріхтера, іншими словами, має характеристики, нині зовсім нереальні для існуючих хімічних акумуляторів.

Енергію збереже повітря

Американська компанія «Magnum Епегду НС» збирається використовувати підземні печери на глибині близько 1,5 км для зберігання зрідженого повітря, використовуваного для одержання електроенергії. Створити сховища передбачається біля міста Дельта у штаті Юта, де розташовуються величезні підземні запаси солі, які розраховують вимивати за допомогою спеціальної техніки. На першому етапі передбачається облаштувати сховища для природного газу, який видобувається неподалік -у Скелястих горах. Відробивши технологію, компанія має намір приступитися до створення сховища... для повітря.

На думку авторів цього проекту, стискування повітря може вважатися одним із найдешевших способів зберігання енергії. Наприклад, у ясний день сонячна електростанція вироблятиме надлишок електроенергії. Його направлять на стискування і накачування повітря. Коли електрика знадобиться, повітря змусять крутити турбіни. Так автори сподіваються подолати основні труднощі у повсюдному впровадженні ВДЕ - нестабільність вироблення ними електроенергії й, відповідно, проблему зберігання та перетворення енергії від них.

Втім, поки величина енергії, яка запасається таким чином, невелика - до 25 кВт-год при максимальній потужності до 200 кВт. За оцінками розроблювачів, втрати енергії, яка запасається й забирається з таких накопичувачів, не перевищують 2%, що набагато краще, ніж у систем зберігання енергії, заснованих на інших принципах (згадані ГАЕС, хімічні акумулятори тощо). Водночас, зрозуміло, що термін зберігання енергії у маховиках, на відміну від цих систем, невеликий - мова поки може йти тільки про їх використання як буфера, що компенсує різкі піки та спади споживання електроенергії протягом доби.

Набори з безлічі таких пристроїв, включених паралельно, могли би накопичувати вже цілком потужні запаси енергії; при цьому головною перевагою стало би те, що відбувалося б це дуже швидко (настільки же швидко можна було б і «затребувати» накопичене). Але ж це є дуже важливим. Справа в тому, що будь-які з існуючих промислових потужностей, які генерують (наприклад, на теплових електростанціях), не можуть швидко реагувати на зміну навантаження, та й узагалі будь-які зміни режимів їх роботи украй невигідні.

От саме у таких ситуаціях, пов'язаних із різкими стрибками навантаження в мережі, накопичувачі у вигляді маховиків і могли би стати цілком розумним рішенням. За оцінками розроблювачів, час реакції подібних систем просто фантастичний - близько 5 мс.

Установки з подібними накопичувачами вже продемонстрували свою ефективність на випробуваннях у ряді населених пунктів США, мешканці яких ще не забули жахіття своїх знеструмлених міст через ланцюгове відключення потужностей і готові на багато чого заради того, щоб знизити ймовірність повторення таких подій.

Втім, видається, і російській енергосистемі, яка, зважаючи на низку особливостей, є помітно стійкішою до коливань навантаження, чим енергомережі США, подібні накопичувачі могли би статися в нагоді.

Винахід... лопати

Цікавий спосіб згладити нерівномірність вироблення електроенергії від ВЕУ знайшов професор Університету Ноттінгема (Великобританія) Сімус Гарві, який дійшов висновку, що вітряки, розташовані у відкритому морі, взагалі не слід оснащувати електрогенераторами, оскільки такі потужні пристрої, які виробляють струм навіть при найнижчих швидкостях обертання валу, виявляються дуже важкими й, відповідно, дуже дорогими. Натомість він пропонує робити лопати вітряка... порожніми. Усередині кожної з них повинен вільно переміщатися важкий поршень. Коли лопата опускається, поршень зрушується до її кінця, а коли вона піднімається вгору, поршень, навпаки, сковзає у напрямку до осі, стискаючи повітря, яке ввійшло через отвори в корпусі. Стиснене повітря накачується у спеціальні пакети з тонкої та міцної синтетичної тканини, плаваючі на глибині 500 м!

Ці сховища, утримувані від розриву тиском вищележачих шарів води, служать своєрідними буферами, які гарантують рівномірне вироблення електроенергії навіть при непередбаченому вітровому режимі. З підводних балонів повітря подається трубами до додаткових компактних турбін-генераторів. За оцінками, його запасу має вистачати для підтримки їх обертання протягом декількох днів навіть при повному штилі.

Така «інтегрована відновлювана енергетична система на стисненому повітрі» (Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems — ICARES) вражає своїми масштабами: за оцінками Гарві, щоб поршні не зависали на кінцях лопат через відцентрові сили, турбіна повинна рухатися повільно й бути дуже великою — понад 200 м у діаметрі (в ідеалі — 500 м). Що стосується підводних сховищ енергії, то автор бачить їх як гігантські ґрона величезних повітряних «подушок» (діаметром по 20 м).

Роботи із проекту ведуться з 2006 р., а нині в університеті створили компанію «Nimrod Energy», основним завданням якої стане комерціалізація цієї технології. Передбачається, що системи ICARES з'являться на ринку вже через рік. Але спочатку використовувати їх будуть для зберігання енергії, виробленої енергоустановками інших типів. А морські турбіни-гіганти від «Nimrod», за прогнозами розроблювачів, можуть з'явитися років через 10-15.

Незвичайний акумулятор і деякі інші способи

Сьогодні досить висока активність на Заході зв'язана і з проектами зберігання електроенергії, виробленої, зокрема, на досить популярних тут ВЕУ, у вигляді отриманого за її допомогою водню. Причому в таких проектах водень пропонується використовувати не як паливо, а як тимчасовий енергоносій. Втім, за оцінками експертів, подібні схеми, які можуть бути досить ефективними з енергетичної точки зору й цілком прийнятними з погляду екології, на жаль, поки залишаються занадто дорогими.

Не припиняються й дослідження, пов'язані з різними технологіями накачування стисненого повітря у підземні або підводні сховища.

Але, як ми вже відзначали, у кожного зі згаданих способів зберігання енергії є свої достоїнства та недоліки, кожний із них гарний по-своєму, але жоден не можна визнати ідеальним. У зв'язку із цим останнім часом з'явилися навіть заклики повернутися до, здавалося б, давно й усебічно вивчених хімічних акумуляторів. Втім, не зовсім звичайних - розплавлених.

Узагалі ж, так звані гарячі акумулятори придумані теж багато років тому. Відомо чимало їх різновидів, які мають завидні питомі характеристики. Тільки от забезпечити необхідну для них робочу температуру в сотні градусів за шкалою Цельсія нелегко, тож ця умова накладає серйозні обмеження на можливі області їх застосування, а також на можливий строк їхньої дії (всі колишні пропозиції використовувати такі акумулятори в широких масштабах виявлялися неконкурентоспроможними через украй нетривалий строк їхньої дії). Втім, у японській префектурі Аоморі, наприклад, уже кілька років діє комплекс із 17 великих блоків сірчано-натрієвих гарячих батарей потужністю 34 мВт, які підключені до мережі через перетворювачі змінного/постійного струму. Цей комплекс входить до складу нової вітрової ферми «Futamata», значно згладжуючи нерівномірність вироблення електроенергії ВЕУ (дозволяючи задовольнити денний пік споживання та накопичуючи енергію вночі).

Але новий акумулятор, прототип якого створили американські вчені, за їхніми оцінками, буде втроє дешевшим за кращі сьогоднішні батареї, набагато довговічнішим за них і головне - набагато потужнішим. Професор Дональд Седовей і його колеги з Массачусетського технологічного інституту придумали оригінальний пристрій для акумулювання електричної енергії, який, на їхню думку, уже в недалекому майбутньому дозволить використовувати ночами енергію, отриману від сонячних панелей (або енергію вітру у штиль). Такий акумулятор розміром зі звичний для американців контейнер для сміття в індивідуальному будинку (його обсяг - близько 150 л), як уважає Седовей, міг би стати невід'ємним атрибутом «зеленого» будинку, забезпечуючи всі його потреби в енергії навіть на піку споживання, а заряджався би він від «непостійних» вітряків і сонячних панелей. Ну а великим наборам таких акумуляторів, на думку розроблювачів, цілком під силу було би постачання електрикою цілих поселень - акумулююча станція потужністю у 13 гВт (достатня для живлення великого міста) зайняла б усього 6 га.

За рахунок чого досягається така щільність потужності? Справа в тому, що, як запевняють розроблювачі, ці батареї здатні віддавати та приймати у 10 разів більш сильний струм, чим усі відомі типи хімічних акумуляторів.

Розуміючи, що занадто сильний струм може з легкістю ушкодити пристрій, попросту розплавивши всю конструкцію, Седовей запропонував: нехай розплавлений стан буде нормою для всіх частин батареї. У попередніх гарячих акумуляторах крім корпусів і контактів був ще один важливий твердий (нерозплавлений) елемент - твердий електроліт (спеціальна провідна кераміка), а в новому акумуляторі твердих частин усередині немає взагалі, крім зовнішнього корпуса, все рідке - і електроліт, і електроди. Всі елементи нової незвичайної системи не змішуються між собою завдяки різній щільності, як не змішуються масло і вода у спочиваючій посудині. А оскільки нова батарея покликана стати стаціонарним накопичувачем енергії, перемішуватися рідинам начебто б нема від чого.

Розроблений акумулятор нагадує тугоплавку «склянку» (корпус служить першим зовнішнім контактом), накриту кришкою (другий зовнішній контакт). Між ними - діелектрик, а навкруги теплоізолююча оболонка. На дно ємності автори помістили сурму (це перший внутрішній електрод), слідом сульфід натрію (електроліт), а зверху магній (другий внутрішній електрод). Усі компоненти - у розплавленому стані.

При заряді шар електроліту в такому акумуляторі стає тоншим, а розплавлені електроди - товщими. При розряді все відбувається у зворотному порядку: матеріал електродів (іонів) частково переходить в електроліт, тож центральний рідкий шар зростає, а бічні - електроди - скорочуються.

Така система, яка використовує досить незвичайні для хімічних акумуляторів принцип роботи й конструкцію, як з'ясувалося, здатна витримати величезне число циклів зарядки й розрядки, багаторазово перевищуюче все, що могли продемонструвати колишні батареї, а крім того, може віддавати та приймати гігантські струми без яких-небудь ушкоджень (у системі просто нема чому вийти з ладу). Нарешті, усі компоненти такого акумулятора виявилися напрочуд недорогими, тож установити подібні системи можна де завгодно.

Автори побудували дослідний зразок розплавленої батареї. Її питома ємність поки не занадто вражає. Але це не настільки вже критично - для стаціонарного накопичувача енергії маса системи не дуже важлива. До того ж, учені вважають, що всі характеристики нової батареї можна буде серйозно поліпшити, зберігши принцип роботи, але підібравши інші компоненти.

Довести створений прототип до комерційного варіанта розроблювачі обіцяють років через п'ять. І це досить швидко, якщо врахувати, що гарячі акумулятори колишніх типів хоча й були винайдені дуже давно, дотепер незважаючи на всі спроби їх удосконалювання досі вважаються екзотикою.

Дебати: Розвиток інновацій потребує державного фінансування




Залишити коментар