5 Августа 2018

Накопители энергии: невероятные и очевидные

Опубликовал К.В. Кулик

В мире инновационных технологий и решений существует одна проблема, над решением которой работают очень многие исследователи и учёные.  Она состоит в том, что для решения энергетической проблемы человечества недостаточно производить достаточное количество энергии, важным моментом является возможность её аккумулирования и хранения. Иначе, нельзя говорить об эффективности энергетической системы, если в ней нет достаточного хранилища всей производимой энергии.

Электросети захватили весь мир. Говорить о какой-то альтернативе пока не представляется реальным, поэтому особенно остро встаёт вопрос о том, как можно сохранить как можно больше электрической энергии.

Особенности сохранения запасов энергии для электросетей

Электросети поглощают огромное количество энергии каждый день на всём земном шаре. Их можно по праву считать самым сложным изобретением человечества, поскольку такой механизм обеспечил не только прогресс цивилизации, но и привычные условия для населения Земли. Сегодня нельзя представить мир без электроэнергии. Лишиться её означает оказаться полностью отрезанными от многих жизненно важных функций.

Такой неблагоприятный расклад возможен не только из-за вмешательства злоумышленников, желающих обесточить целые страны или регионы в своих целях. Такое возможно также и в том случае, если энергии будет поступать недостаточно. Главный закон, по которому действует обмен энергией в сети, гласит - для того, чтобы система могла функционировать, ей нужно восполнять энергию ровно на то количество, которое она поглощает и использует в процессе своей работы.  Если этот баланс нарушить, работа прекратится, так как для её осуществления не будет хватать энергии. Именно поэтому в энергетических комплексах всегда отводится большое место для устройств, позволяющих сберегать необходимое количество энергии, и такими устройствами могут быть как резервные аккумуляторные системы, так и целые энергосети, направленные на производство и хранение энергии.

Если коснуться темы аккумулирования энергии расширенно, стоит отметить то, что всегда в любой серьёзной системе должен существовать определённый запас энергии, которая при экстренном случае позволит какое-то время проработать всей системе, пока не будут совершены все необходимые действия по сбережению её параметров и выведению в состояние ожидания либо состояние покоя. Примером для этого действия в миниатюре может послужить, пожалуй, всем известная вещь - бесперебойный блок питания, который используется для того, чтобы обезопасить домашнюю либо офисную технику от внезапных отключений электроэнергии. Такое устройство предоставляет возможность за определённый период времени, пока позволяет запас аккумулированной электроэнергии, совершить все необходимые действия для того, чтобы сохранить свою технику от аварийного выведения из строя из-за внезапного прекращения энергоснабжения.

Такие системы необходимы, прежде всего, там, где мгновенное прекращение энергообеспечения грозит плачевными последствиями. Аккумулирование и сохранение определённого запаса энергии необходимо для медицинских центров, имеющих хирургические кабинеты, диспетчерским пунктам, системам управления базами данных реального времени. Кроме того, многие жизненно важные системы требуют бесперебойного питания круглосуточно, иначе это будет чревато самыми неприятными условиями.

Между тем, при отсутствии должного хранения вырабатываемой энергии возникает обратная проблема - множество энергии пропадает впустую, если она вырабатывается и не израсходуется полностью, либо не сохраняется. Для того, чтобы проиллюстрировать суть данной проблемы, можно провести параллель с рестораном, в котором подаётся столько блюд, сколько заказывалось. Если их было приготовлено больше, чем надо, работа пройдёт впустую, ведь они пропадут. Лишнюю еду, как и энергию, придётся выбросить.

Нагрузка на сети

Если отследить тенденции нагрузки на энергетические сети, можно проследить следующую закономерность. Нагрузка имеет суточный и недельный цикл, и её показатели выше в осенне-зимний период, когда наступают холода. Такие данные не требуют комментариев, ведь понижение температуры окружающей среды вынуждает поддерживать тепловой баланс с большими затратами энергии, чем в весенне-летний период. Поэтому переложить энергетическую нагрузку на альтернативные методы её получения не всегда возможно. Например, солнечная электростанция малоэффективна в этот период, потому что лучше всего она будет работать днём. Даже зимой будет получаться достаточно большое количество солнечной радиации, но оно будет малоэффективно, потому что обогрев будет особенно востребованным ночью. Ветровые электростанции также зависят от сезонных особенностей. Использование атомных электростанций также не решает всей проблемы - такие электростанции не обладают гибкой системой подстраивания под нужды потребителей, ведь их проектируют на заданную мощность, поэтому ничего далее с ней сделать будет по сути нельзя. Поэтому можно сказать, что АЭС работают скорее на стабильность, нежели на удобство и гибкость в обеспечении потребностей пользователя. На ТЭС такой подход всё же возможен, ведь выработку энергии можно регулировать при помощи подачи топлива.

Если рассмотреть такой вариант поближе, становится понятно. Тепловые электростанции могли бы работать в таком режиме, который обеспечивал бы оптимальные параметры для конечных пользователей, при этом не затрачивая слишком много ресурсов впустую, но только в том случае, если они имеют определённый запас энергии, позволяющий работать бесперебойно.

Так что если человечество заинтересовано в том, чтобы полностью отказаться от использования невозобновляемых источников энергии, такую вещь, как полную перестройку энергетических систем под такие условия, что она сможет аккумулировать и сохранять достаточные запасы энергии, стоит начинать уже сейчас.

Основные недостатки современных электросетей

Говоря о современности электросетей, стоит, однако, помнить об условности такого названия, потому что электросети многих стран проектировались настолько давно, что нуждаются в полной переорганизации. Модернизация электросетей становится насущным вопросом для страны с каждым годом, который всё сильнее отдаляет её от момента пуска и введения в эксплуатацию. Проблемой, которая требует полного разрешения в недалёком будущем, становится и введение в эксплуатацию аккумулирующих компонентов системы.

Пока что такую глобальную перестройку не может себе позволить даже США. Конечно, большинство развитых стран может себе позволить накопители в своих энергосистемах, но их мощность по-прежнему не так высока по сравнению с требуемой. К примеру, энергосистема США  за 2017 год произвела 1081 ГВт электроэнергии. Накопители же аккумулировали из них всего 24 ГВт. Россия может накапливать за год 2 ГВт, а весь остальной мир не может преодолеть в общем даже отметки в 180 ГВт. Практически весь этот объём обязан своим существованием гидроаккумулирующим электростанциям. ГАЭС позволяют сохранить энергию, аккумулируя её обратно в воду, которая сохраняет свой потенциал до последующего использования после обратного преобразования. Самая мощная из них находится в штате Вирджиния и имеет мощность 3 ГВт. Минусы подобных накопителей энергии в том, что в их работе наблюдаются большие потери. Из всего аккумулированного массива удаётся извлечь всего 30% энергии. Помимо этого они требуют значительной площади водохранилищ. Часть всего объёма испаряется, а часть утекает либо же не до конца отдаёт свой потенциал.

В мире более 98 процентов всех аккумулирующих устройств энергетических систем приходится на долю ГАЭС. Лишь немногие доли из оставшихся аккумуляторов отводятся химическим накопителям энергии, потому что тут играет роль и дороговизна таких устройств, и несколько иные факторы. К примеру, литий-ионные батареи таких масштабов будет не так легко произвести, а ещё они будут достаточно опасными для окружающей среды, ведь их нужно будет специальным образом утилизировать, а срок службы у них будет достаточно ограниченным по времени. Также подобные устройства будут представлять опасность для окружающей среды и человека, так как они токсичны.

Поэтому сейчас в мире ведутся разработки более перспективных с точки зрения безопасности для окружающей среды и экономии устройств, которые могут справиться с подобными объёмами в энергетической системе.

Проекты накопителей: плюсы, минусы и перспективы развития

Альтернативным проектам уделяется много внимания от исследователей энергетической проблемы. Не все из них достойны внимания ввиду своей полной утопичности, ведь по сути, это не более чем фантастические проекты, которые вряд ли найдут применение в ближайшем будущем, ведь в основном внимание исследователей привлекают именно решения, которые применимы на практике уже сейчас, потому что энергетический кризис набирает обороты уже сегодня.

Сегодня благодаря исследованиям в самых различных областях представлены многие химические элементы, способные вступать в нужные электрохимические реакции для создания аккумуляторов иного типа. Другое дело в том, что они либо слишком дорогостоящи, либо не вполне совпадают по ряду свойств с другими элементами, с которыми соприкасаются при своей работе. Такое положение, безусловно, не вполне подойдёт для производства накопителей больших масштабов, но вполне пригодится в разработках менее крупного плана.

Любым аккумуляторам отводится незавидная участь, потому что с течением времени их неизбежно нужно заменять, ведь они теряют свои физические и химические свойства. Деградировать также будут и любые химические элементы, используемые в них.

Поэтому, что там ни говорят исследователи, но предпочтение отдаётся простым и мало затратным решениям, основанным на элементарных законах. К примеру, таким решением стало использование в качестве своеобразного аккумулятора энергии системы, использующей маховик. По закону физики, известному нам с 6-го класса, кинетическая энергия тела, которое вращается, равна пропорционально квадрату скорости и массе вращающегося тела, поэтому используемый маховик достаточно массивен и громоздок. Маховики получили широкое применение в технике, например, в качестве элементов систем двигателей автомобилей. Кроме того, данную технологию, невзирая на её простоту, отправили исполнять свои обязанности в космос. К минусам данного способа аккумуляции энергии следует отнести то, что он не может обеспечивать работу на длительных промежутках времени, поэтому эффективен такой способ лишь для небольшой электростанции.

Помимо данного способа, существует ещё один, менее затратный по сравнению со способом, в котором предлагается использовать в качестве аккумулятора большую батарею из химически связанных элементов. Это решение заключается в том, что основываясь на тех же законах физики, которые нельзя назвать потрясающими воображение, можно добиться аккумулирования энергии в больших количествах. Как известно, для того, чтобы газ мог сохранять некоторое количество энергии, его нужно предварительно сдавить до требуемого состояния. Именно поэтому газ используется в качестве топлива для автомобилей, если отбросить в сторону соображения касательно экономии денег на таком топливе.

Такой аккумулятор будет достаточно компактным, если использовать в качестве сосуда для газа цистерну, как это делают в Нью-Йорке, где одна электростанция использует герметично закрытые цистерны, общей мощностью хранимой там энергии в 9 МВт. Можно решить проблему с накопителями также следующим образом. Закачивать газ под давлением можно в заброшенные шахты. Единственным существенным минусом такого способа является его взрывоопасность, ведь для газа под давлением не так много потребуется внешней угрозы, чтобы взорваться и разнести всё вокруг.

Германия предложила ещё один вариант решения проблемы с накопителями. Для немецких инженеров концептуальным новым способом представилось использование бетонных полых ёмкостей, которые устанавливаются вглубь водного массива, и в которые закачивает воду электростанция, расположенная на берегу, при избытке энергии. При её недостатке вода снова поступает наверх под давлением, которое обеспечивает работу генератора.

Необычные и экстравагантные способы порой тоже имеют основание стать используемыми и практичными. Такое утверждение можно проиллюстрировать накопителем, который строится недалеко от Гамбурга для одной из нескольких расположенных там электростанций. Принцип сохранения и аккумулирования энергии вырабатываемой на ней прост. Такую работу будут выполнять камни. Для этого их собрали в массив, составляющий сотню тонн. Принцип сохранения энергии для дальнейшего использования прост, ведь избыточное тепло нагревает камни, а камни постепенно остывают и нагревают воду, пар которой отправляется вращать турбину. Получается цикл, который сохраняет некоторое количество энергии во времени.

Также аккумулирование энергии зачастую применяется на солнечных электростанциях. Это вполне объяснимо, ведь такие электростанции имеют отличительные особенности по сравнению с другими видами производящих энергию объектов. Дело заключается в их суточном цикле работы, которая производится. Если поставить за цель использование солнечной электростанции для снабжения электроэнергией и тепловой энергией даже малых бытовых объектов становится очевидно, что солнечная энергетика не сможет удовлетворить эти потребности, если будет работать без аккумуляторных устройств. Если предположить, что она будет работать без них, напрашивается вполне оправданный вопрос о целесообразности использования электростанций использующих солнце в принципе, поскольку в таком случае электричество будет подходить к потребителю лишь днём, до той поры, пока солнце не завершит свой дневной цикл.

Поэтому установка всего оборудования для солнечной электростанции начинается с монтажа устройств, которые выступают накопителями полученной энергии, будь то гальванических, или иных способов её аккумулирования. Чаще всего в роли теплоносителя, способного сохранять энергию солнца, полученную за период солнечной активности, выступает раствор, или иначе рассол, который проходит через капилляры концентраторов. Такая жидкость представляет собой растворы солей.

ГАЭС используют самую простую формулу сохранения энергии в виде потенциальной энергии водного столба, поднятого на необходимую высоту. Как известно, в каждом столбце жидкости заключён определённый потенциал, который рассчитывается согласно умножению друг на друга трёх составляющих, а именно ускорения свободного падения, высоты столбца, на который поднят груз, и массы груза. Поэтому в таких аккумуляторных электростанциях используются тяжёлые тела из плотного материала, которые поднимаются столбцом воды в некотором объёме, зачастую, в цилиндре.

Вариант, в который трудно поверить

За всем этим многообразием таится всё же множество проблем, которые приведенными способами не удаётся решить, поэтому учёные продолжают поиски вариантов накопителей в самых неожиданных направлениях. Не стал исключением и проект исследователей из Новосибирского академгородка, представивших свой собственный концепт. За ним стоит обычное здание, в котором располагаются несколько ячеек. С их помощью поднимаются наверх грузы при участии генератора, питаемого сетью. Принцип этой работы таков, что, как и в предыдущем, случае аккумулирующей силой является потенциальная энергия тела, поднятого на определённую высоту. Груз, поднятый на высоту, всегда готов опуститься и привести в действие генератор. Такая аккумулирующая среда практически идеальна для местности, которая располагает небольшими рельефными возможностями для возведения иных типов накопителей.