16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/309-310/6228809.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 01-02 (309-310) январь 2017 года

Как сохранить энергию?

Новые технологии Евгений ХРУСТАЛЕВ
Крупнейшая в мире гидроаккумулирующая станция Taum Sauk (США)

Промышленное аккумулирование электроэнергии – давняя мечта энергетиков всего мира. Особенно оно актуально для возобновляемых источников. В самом деле, хорошо, когда ветряк крутится, обеспечивая ближайшие дома светом и теплом. Но что делать в безветрие? Или как заставить работать солнечные батареи ночью?

Ученые давно пытаются найти способы хранить энергию, чтобы пользоваться ею в любое время, а не тогда, когда заблагорассудится природе. И, надо сказать, определенных успехов человечество в этом добилось. Придумано большое количество способов, заставляющих электроток «отложить» свое действие. Однако все они непригодны для постоянного надежного хранения, а главное – не столь мощны, как хотелось бы.



На высшем уровне

Наконец проблема стала столь велика, что ею занялись на высшем уровне. Вице-премьер Аркадий Дворкович поручил «РОСНАНО» и Минэнерго РФ разработать программу по развитию промышленных технологий хранения электроэнергии. Такие технологии смогут компенсировать дефицит электроэнергии в случае аварий, а также сохранять невостребованную выработку ветровых и солнечных электростанций.

Проблема в том, что более-менее приемлемых способов в мире пока не найдено. Однако господдержка, конечно, позволит активизировать поиски. Тем более что планируется компенсировать риски инвестиционных проектов в этой области, тем самым стимулируя спрос на внедрение новых накопителей. Использование накопителей позволит создавать экономически эффективные локальные энергосистемы, сгладить пики потребления и создавать рынки торговли электроэнергией для распределенной энергетики.

Сейчас работа электростанций подстраивается под потребителей, но во избежание резких пусков и возможных аварий необходим аккумулятор мощностью от 10‑20 МВт, способный полтора-два часа закрывать энергодефицит. Поиск его велся последние 20 лет, но пока необходимый аккумулятор так и не был найден, а те, что уже существуют, слишком дороги и имеют низкий КПД.

Сейчас мощность используемых аккумуляторов не превышает 1‑2 МВт. Так, итальянский энергоконцерн Enel осенью 2015 года запустил хранилище электроэнергии при солнечной станции на 10 МВт мощностью 2 МВт-ч.

Наибольший спрос в системах хранения, по прогнозам, будет в странах, активно повышающих долю возобновляемой энергетики в общей генерации (в некоторых странах ее планируется увеличить до 25‑30 %), а также в изолированных энергосистемах, таких, как у государств Азии и Африки. Еще один потенциальный потребитель – Дальний Восток, где возобновляемые источники необходимы в силу удаленности от больших электросетей и активно внедряются, но из‑за нестабильности выработки вынуждены действовать в комплексе с дизельными установками.

Кроме того, такие системы будут востребованы и на электротранспорте, где накопители призваны сгладить график потребления.
«Альтернативная энергетика уже завоевала свое место в мире, – говорит глава «РОСНАНО» Анатолий Чубайс. – Ее доля в общем объеме генерации возросла с 1 % до 10 %, и дальше только будет продолжать расти. По мнению экспертов, к 2050 году до 40 % энергобаланса будет составлять альтернативная энергетика. Я считаю, что в ближайшие 5‑15 лет хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией – и мы перейдем к другой электроэнергетике.

Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, – это накопление энергии. Такая технология изменит наши дома, потому что в этой ситуации потребитель станет независим от производителя электроэнергии. И это вопрос не 2050, не 2030 года – а гораздо более ранних сроков».

На стратегической сессии «Создание системы государственного стимулирования хранения электроэнергии в Российской Федерации», прошедшей в «Роснано», было отмечено, что глобальный рынок систем накопления электроэнергии находится в шаге от скачкообразного роста – за 10 лет его объем может вырасти в 100 раз. Уже сейчас очевидна тенденция к снижению стоимости производства систем хранения и совершенствование технических решений до уровня, который будет востребован промышленностью на рубеже 2020 года.



Задачи сохранения

В целом, проблема эффективного аккумулирования энергии, вырабатываемой в том числе из возобновляемых источников энергии, сейчас является одним из наиболее сложных вопросов энергетики. Конечно, внедрение аккумуляторов сделает энергоснабжение более надежным, позволит резервировать его.

С помощью аккумулирующих устройств решаются следующие задачи:

• выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает генерирующая установка в условиях, например, постоянно меняющейся скорости ветра;
• согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда агрегат не работает или его мощности недостаточно;
• увеличение суммарной выработки энергии генерирующей установкой.

Для реализации этих задач сейчас применяют, как правило, так называемые емкостные аккумулирующие устройства, в которых запас энергии рассчитан на 2‑3‑суточное потребление. Они необходимы для использования в периоды достаточно длительных спадов генерации энергии.

При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, должны приниматься во внимание многие характеристики аккумуляторов:

• относительная масса;
• удельные затраты;
• длительность хранения энергии;
• сложность энергетических преобразований;
• безопасность эксплуатации и т. п.

Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, условий и схемы использования генерирующей установки, мощности нагрузки и схемы потребителя. Она определяется также исходя из технико-экономических показателей, т. к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта.



Гидроаккумулирующие станции

Как сейчас решается проблема сохранения энергии? На самом деле человечество изобрело достаточно много видов аккумуляторов – от уже ставших привычными до совсем экзотических.

Самые известные – механические. Например, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Гидроэнергия является, по существу, одной из разновидностей механической энергии, но отличается тем, что ее можно аккумулировать в очень больших количествах и использовать при такой мощности и в таких промежутках времени, которые позволяют выравнивать переменную нагрузку энергосистем и обеспечить более равномерный режим работы тепловых электростанций.

Гидроаккумулирующая электростанция включает в себя два водохранилища (верхнее и нижнее), разность уровней которых обычно составляет от 50 до 500 метров. В машинном зале имеются обратимые агрегаты, которые могут работать как в качестве двигателей-насосов, так и турбин-генераторов. При высоком напоре (500 метров и больше) используются отдельные насосные и турбинные агрегаты. Во время, когда нагрузка энергосистемы минимальна (например, ночью) эти агрегаты заполняют водой верхнее водохранилище, а во время пиковой нагрузки системы преобразуют накопленную гидроэнергию в электрическую. КПД такого аккумулирования равен 70‑85 %, себестоимость получаемой таким способом электроэнергии намного выше, чем на тепловых электростанциях, но выравнивание графика нагрузки и возможность уменьшения номинальной мощности тепловых электростанций снижают эксплуатационные расходы энергосистем и вполне оправдывают сооружение ГАЭС. В настоящее время в мире их существует более трехсот.

Когда снижается потребность в электроэнергии, ее избыток используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом «лишняя» электрическая энергия превращается в механическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится перепуск воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором ее потенциальная энергия превращается в электрическую.



Маховики

Второй тип механического аккумулятора предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы удивительно прост. Аккумулятор этого типа – маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов.

Запасаемая им энергия – не что иное, как кинетическая энергия самого маховика. Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тысяч оборотов в минуту.

Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20 %.

В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа. Но перспектива использования маховиков-аккумуляторов пока неясна.

Гирорезонансные накопители энергии представляют собой тот же маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). Энергия здесь запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика. Такими конструкциями в конце 1970‑х в Донецке занимался Н. З. Гармаш. По его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей 7‑8 тысяч оборотов в минуту, запасенной энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 километров против 30 километров с обычным маховиком тех же размеров.



Электрохимический аккумулятор

Издавна используется такой класс аккумуляторов энергии, как электрохимические аккумуляторы.

Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией. В аккумуляторе она преобразуется в энергию химическую. Выдает же электрохимический аккумулятор накопленную энергию снова в виде электрической энергии.

Аккумулятор этого типа имеет два электрода – положительный и отрицательный, погруженные в раствор – электролит. Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Иными словами, между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.

При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.

Электрохимические аккумуляторы получили очень широкое распространение главным образом при запуске двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной емкости, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную емкость, считаются более надежными и имеющими больший срок службы.

Главным недостатком всех существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной энергии, запасаемой аккумулятором.



Хранение с помощью… вагона

Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.

Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES).

Практически все механические накопители имеют простую конструкцию, а следовательно, высокую надежность и большой срок службы. Время хранения однажды запасенной энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.

Энергию, запасенную при поднятии твердых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.
К сожалению, удельная энергоемкость таких устройств невелика. Чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров.



Гидравлика и гравитация

Существуют гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 тонн воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет.

К сожалению, гидравлические системы трудно поддерживать в должном техническом состоянии – прежде всего, это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И еще одно важное условие – в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, – скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.



Электролизер

Здесь на этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например из воды выделяется водород – прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно или за ненадобностью «выброшен».

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии. Например, водород может дать сразу тепло, механическую энергию (при подаче его в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке).

Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и ее использования («разрядки»), высокой удельной емкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на килограмм топлива) и возможностью длительного хранения. Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность. Несмотря на эти недостатки, в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.



Конденсаторы

Самые массовые «электрические» накопители энергии – это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную емкость до нужной величины. Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) емкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое редко превышает несколько часов, а часто составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами.

Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых – относительно невысокие токи зарядки и разрядки. Емкость их также находится в диапазоне между наиболее емкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами.



Другие типы накопителей

В пружинных механических накопителях большой расход и поступление энергии обеспечивается за счет сжатия и распрямления пружины. Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость. Поэтому спустя время сжатая пружина может оказаться «разряженной» полностью или частично.

К газовым механическим накопителям относится ресивер воздушный. В этом классе устройств энергия накапливается за счет упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасенную энергию, сжатый газ подается в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор.

Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить высокую удельную плотность запасенной энергии в течение практически неограниченного времени. Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, – устройства достаточно сложные, имеющие ограниченный ресурс.

Известны также накопители, использующие химическую энергию. Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Она либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью. Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Но здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования.

Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако большинство из них весьма ограничено по плотности запасаемой энергии, по времени ее хранения, и имеют высокую удельную стоимость. Поэтому их эксплуатация всерьез не рассматривается.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 01-02 (309-310) январь 2017 года: