Как экономить электроэнергию. Как технологии накопления энергии изменят мир Накопители гравитационной энергии

Электроэнергетика - одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей - следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро - вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии - из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.

Гидроаккумуляторы

Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды - один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.

В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть ЗагорскаяГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС - важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.

Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире - порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.

Накопители энергии сжатого воздуха

Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию - однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.

Недостаток такого рода накопителей - низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.

Расплавленная соль для хранения солнечной энергии

Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов (больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри - в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре - более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.

Эта технология помогает продлевать рабочее время, либо обогревать помещения и давать электричество в вечернее время.

Подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи.

Проточные редокс-системы

Проточные батареи представляют собой огромный контейнер с электролитом, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Электролитом может служить ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы.

Пока нет коммерческих проектов, общая установленная мощность - 320 МВт, в основном в рамках исследовательских проектов. Главный плюс - пока единственная технология на батареях с длительной выдачей энергии - более 4 часов. Среди недостатков - громоздкость и отсутствие технологии утилизации, что является общей проблемой для всех батарей.

Немецкая электростанция EWE планирует построить в Германии крупнейшую в мире проточную батарею на 700 МВт/ч в пещерах, где раньше хранили природный газ, сообщает Clean Technica.

Традиционные аккумуляторы

Это батареи, подобные тем, что работают в ноутбуках и смартфонах, только промышленного размера. Tesla поставляет такие батареи для ветряных и солнечных станций, а компания Daimler использует для этого старые автомобильные аккумуляторы.

Термальные хранилища

Современный дом необходимо охлаждать - особенно в регионах с жарким климатом. Термальные хранилища позволяют в течение ночи заморозить хранящуюся к цистернах воду, днем лед тает и охлаждает дом, без использования привычного всем дорогостоящего кондиционера и лишних расходов электроэнергии.

Калифорнийская компания «Ice Energy» разработала несколько подобных проектов. Их идея заключается в том, что лед производится только во время непиковой нагрузки на электросети, а затем, вместо расхода дополнительной электроэнергии, используется лед для охлаждения помещений.

«Ice Energy» сотрудничает с австралийскими фирмами, которые собираются внедрять технологию «ледяного аккумулятора« на рынке. В Австарлии из-за активного солнца развито использование солнечных батарей. Сочетание солнца и льда увеличит общую энергоэффективность и экологичность домов.

Маховик

Супермаховик - это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.

Реформирование электроэнергетики в России привело к образованию такого специфического товара как электроэнергия. Электроэнергия не обладает таким основным свойством присущим остальным товарам, как накопление и возможность удовлетворения растущего спроса запасами. Разделение рынка на оптовый и розничный привело к необходимости создания конкурентной среды между производителями на оптовом рынке. В процессе реформирования электроэнергетики рынок постепенно проходит этапы перехода от регулируемого к дерегулируемому, основанному на естественной конкуренции между производителями электроэнергии.

2)Специфика электроэнергии как товара.

Наиболее важными особенностями экономики энергосистем, вызванными спецификой электроэнергии как товара и которые необходимо учитывать при организации рынка электроэнергии, является следующее: 1) производство, доставка (передача и распределение) и потребление электроэнергии в силу ее физической природы происходят практически одно­временно и ее невозможно складировать (накапливать) в значи­тельных объемах. Другими словами, произведенная продукция не может накап­ливаться на складах производителя, потребителя или в пути, а практически мгновенно доставляется до потребителя и потребляется им; 2) электроэнергия является в высшей степени стандартизированным про­дуктом, поставляемым множеством производителей в «общий котел» (т.е. в общие электрические сети) и мгновенно потребляемым оттуда же множеством потребителей. Поэтому с физической точки зрения невозможно определить, кто произвел электроэнергию, потребляемую тем или иным потребителем - можно лишь контролировать объемы поставки в общую сеть от каждого производите­ля и объемы потребления из нее каждым потребителем; 3) электроэнергия, получаемая потребителем из энергосистемы, является товаром первой необходимости, только в редких случаях имеющим другие то­вары-заменители (например, переход на электроснабжение от автономной ди­зельной электростанции, перевод электроотопления на газовое отопление и не­которые другие случаи). По этой причине потребители обычно крайне чувстви­тельны к перерывам в электроснабжении, а энергосистема должна обладать не­обходимым запасом надежности. Попутно отметим, что возможные принудительные отключения части потребителей в условиях дефицита электроэнергии или аварии, ведут к сниже­нию потребления, но не спроса. Иными словами, спрос на рынке электроэнер­гии не всегда равен потреблению; 4) производители выра­батывают и поставляют в общую сеть электрическую мощность точно в соот­ветствии со своими обязательствами (или заданием диспетчера), а все потреби­тели суммарно потребляют электрическую мощность точно в соответствии со своими обязательствами (или прогнозом диспет­чера). Но на практике в силу самого разного рода обстоятельств, как произво­дители, так и потребители допускают отклонения от своих обязательств. Это влечет за собой дисбаланс между поставкой и потреблением. На любом другом рынке кратковременный дисбаланс между производст­вом и потреблением товара не приводит к потере устойчивости рынка, он легко ликвидируется за счет складского запаса или товаров-заменителей. Специфика электроэнергии как товара приводит к развитию рынка электроэнергии отличного от обычных товарных рынков.

Повсеместное распространение возобновляемых источников энергии ведет к тому, что проблема сохранения излишков электричества, полученного в часы пикового производства, для использования их затем в часы недостаточной выработки (что особенно актуально для и енерации), все более остро встает как в частном, так и в промышленном масштабе.

Так, в первой половине 2017 года штату в пришлось избавиться от 300 тыс магаватт электроэнергии из возобновляемых источников, потому что ее негде было хранить. По данным , по этой же причине теряет порядка 17% произведенной электроэнергии.

Хранилища энергии промышленного масштаба

Автономные энергохранилища необходимы для обеспечения бесперебойных поставок энергии из возобновляемых источников в районах, удаленных от общих сетей, например, на небольших островах или в трудонодоступных местах Крайнего Севера. Ранее подобные локации могли рассчитывать только на электроэнергию, произведенную дизельными генераторами, и были крайне зависимы от внешних поставок топлива.

Домашние системы хранения энергии

С точки зрения развития мировой экономики важным является дальнейшее удешевление домашних систем хранения энергии. По состоянию на конец 2016 года, 55 млн домохозяйств или 275 млн человек использовали электроэнергию от домашних или районных микроэлектростанций благодаря значительному снижению цен на . В за несколько последних лет около 40% всех домашних фотоэлектрических систем было оборудовано блоками для хранения энергии при небольшой финансовой поддержке со стороны государства. В в 2016 году без какой-либо государственной помощи было установлено около 7 тыс аккумуляторных систем.

Рынок аккумуляторов для хранения энергии достиг объема около 1 ГВт в 2016 году, благодаря благоприятной политике государств и снижению стоимость батарейного оборудования, по данным .

Автомобильные аккумуляторы

Перспективы мирового рынка хранения энергии

Технологии хранения энергии

Все существующие на данный момент системы хранения энергии дороги для крупных промышленных объемов, поэтому различные производители и государства делают масштабные инвестиции в создание новых способов хранения больших объемов энергии.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) являются наиболее распространенным типом батарей для различного вида электронных устройств в мире на данный момент. Они используются практически во всех видах техники, в том числе мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, а также .

Несмотря на популярность, такие батареи имеют множество недостатков, такие как способность к самовозгоранию, «эффект памяти», быстрая потеря емкость при низких температурах и т.д.

Удешевление производства литий-ионных аккумуляторных батарей происходит темпами, превышающими спрогнозированные ранее: уже достигнут уровень, ожидаемый к 2020 году. Открытие огромных заводов подобных может еще более ускорить этот процесс.

Хранение энергии с помощью гидроаккумулирующих электростанций

Концепция динамической зарядки, или vehicle-to-grid (V2G), рассматривает возможность использования для создания общих электросетей, действующих наподобие виртуальных электростанций.

По статистике, 95% времени любое частное транспортное средство стоит без движения. Разработчики данной концепции предполагают, что аккумулятор электромобиля может заряжаться в часы минимальной нагрузки и отдавать в сеть электричество в часы пиковой нагрузки с поправкой на моменты использования его владельцем по прямому назначению. Водитель сможет таким образом заработать порядка 4000 долларов США в год за счет разницы цен на электроэнергию в разное время суток.

Тестирование подобных проектов начала автомобильная компания совместно со своими партнерами в , а также в . Вместе с тем, в уже работает первый в мире полнофункциональный коммерческий V2G хаб.

Автомобиль также можно использовать при проектировании электросетей домохозяйств как средство частного домашнего хранения энергии по аналогии с другими подобными системами, такими как .

Дорогие в производстве батареи, применяемые в альтернативной энергетике для «передержки» невостребованной энергии, заменили бактерии.

Специалистам из Университета Чикаго удалось решить глобальную проблему хранения накапливающихся в процессе работы солнечных или ветряных электростанций излишек электроэнергии, которые примерно в половине случаев приходится в буквальном смысле «спускать в воздух». Напомним, что работа станций выработки электричества из альтернативных источников — энергии Солнца или ветра, отличается от других направлений энергетики скачкообразным и зависящим от времени суток или розы ветров вырабатыванием необходимой для работы многочисленных электроприборов электроэнергии. Если земное светило позволяет получать «дармовую» энергию только в яркий солнечный день, когда небо остается чистым от облаков и других мешающих лучам «достать» до поверхности земли природных явлений, то потребители — домашняя техника или промышленное оборудование, нуждающееся в постоянной подпитке, работает и по ночам. Аналогичная ситуация происходит и при преобразовании энергии ветра в электричество — когда он дует, огромные мельницы обеспечивают необходимую выработку, которая автоматически прекращается при изменении направления ветра или его недостаточной силе. Это вынуждает энергетиков предусматривать пути накопления превышающей потребление энергии, чтобы в моменты пиковой нагрузки, приходящейся как раз на вечернее время, обеспечивать потребности энергетической сети даже в ситуации с отсутствующим солнечным светом и утихшими до нулевой скорости ветрами.

Для этого энергетики сегодня применяют огромные аккумуляторные станции, позволяющие хранить излишки электроэнергии для их последующего использования в моменты пиковых загрузок электросетей, однако вопрос строительства таких «накопителей» и закупки десятков тысяч дорогостоящих емких аккумуляторов превращает альтернативную энергетику в очень дорогое удовольствие. Ряд рыночных игроков попытался решить эту проблему предложением домашних аккумуляторных батарей, которые потребители могут устанавливать в собственных домах, чтобы использовать возможности «чистой» энергетики прямо в своем загородном коттедже без оглядки на время суток или прогнозы по силе и направлению ветров. Речь идет о батареях Tesla Powerwall, позволяющих накапливать от 7 до 14 кВт·ч в закрепляемой на стене помещения аккумуляторной емкости, «заполняемой» работающими в отсутствие хозяев на протяжении всего светового дня солнечными панелями. Энергопотребление квартиры или частного коттеджа в течение рабочего дня, когда все находятся за пределами жилища — в офисах, приближается к нулю, а возвращение жильцов домой происходит уже после прохождения пика выработки электричества из солнечного света. Такая батарея помогает запитать присутствующие дома электроприборы вечером, ночью и ранним утром, однако цена Tesla Powerwall заставляет всерьез задуматься о целесообразности приобретения такого «накопителя энергии». Официальный прайс компании-производителя так ине появившихся на рынке «домашних батареек» сообщает о начальной стоимости продукта в $3000.

Точно такие же трудности испытывают и энергетические компании, занятые в сегменте альтернативной энергетики — необходимость хранить излишки электричества в дорогостоящих и обладающих ограниченным количеством циклов перезарядки аккумуляторах резко снижает рентабельность такого начинания. Сегодня правительства ведущих государств Европы напрямую субсидируют компании, занимающиеся преобразованием солнечной и ветряной энергии в электричество, чтобы они могли работать без угрозы неминуемого банкротства. Именно эту проблему — чрезмерную дороговизну создания «энергетических хранилищ», и сумели решить ученые из Чикагского Университета, создавшие уникальную и сверхдешевую технологию преобразования электроэнергии в метан — применяемый во многих отраслях промышленности, включая электроэнергетику, легко транспортируемый и не требующий серьезного ухода газ. Созданный руководителем исследовательской группы из США Лоренсом Метсом стартап под названием Electrochaea уже начал работу в направлении коммерциализации разработанной специалистами методики, заявляя о готовности в ближайшее время построить мощнейшую 10-Мегаваттную коммерческую «электро-метановую» станцию полного цикла.

Запланированное к постройке в Венгрии перерабатывающее предприятие позволит в непрерывном режиме преобразовывать невостребованную бытовыми и промышленными потребителями энергию в удобный в использовании и необходимый, в частности, для отопления домов метан. По словам Метса, с энергокомпанией Magyar Villamos Muvek достигнута договоренность о прокладке газопровода непосредственно от здания завода для транспортировки выработанного метана прямо в газотранспортную систему страны. Прототипом для строящейся «электро-метановой» станции мощностью 10 МВт в Венгрии стала экспериментальная 1-Мегаваттная установка BioCat, возведенная исследователями три года назад. Проверка работоспособности научных изысканий в реальных условиях подтвердила революционную сущность и невероятную перспективу повсеместного внедрения уникальной по всем показателям технологии. Последняя основана на «эксплуатации» слегка «доработанных» микроорганизмов, представляющих собой созданный в лабораторных условиях штамм метаногенной бактерии Archaea. Эта бактерия в процессе жизнедеятельности занимается превращением смеси из водорода и диоксида углерода в метан и воду, которые после разделения наполняют метановые резервуары преобразованным в газ электричеством. Первым этапом очень простого с технологической точки зрения процесса становится разделение молекул воды на водород и кислород, для чего как раз и применяется избыточная электроэнергия, получаемая на ветряных и активно строящихся во всем мире солнечных плантациях.

Результат многолетней исследовательской работы группы американских и европейских ученых обеспечивет человечество очень простым, удобным и недорогим способом хранения излишек электроэнергии без необходимости закупки фантастически дорогих и технологически «грязных» аккумуляторов — при их сборке производителями применяются наносящие серьезный ущерб экологии материалы и технологии, при этом после выработки ресурса использованные батареи пополняют многочисленные городские и загородные свалки. Вместо критического для Природы ущерба от литий-ионных емкостей Метс предлагает воспользоваться технологически совершенным и основанным на естественных биологических процессах методом превращения электрического тока в метан, который впоследствии можно применять в теплоэнергостанциях, автомобилях с метановыми двигателями и даже водородомобилях. Автомобили с водородными двигателями работают на чистом водороде, получать который проще всего из газа метан, что превращает разработку Метса и его коллеги из Университета Чикаго в фантастический по масштабам и приобретаемым потребительским обществом перспективам научный прорыв.

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.