Топ лучших технологий хранения энергии. Проблема хранения излишек электроэнергии решена Как собирать и хранить электроэнергию

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 .

Экономия электричества в итоге приводит к двум хорошим вещам: уменьшение эффекта глобального потепления, а также сохранение ваших сбережений в течение длительного времени. Осмотритесь у себя дома или в офисе: каждый прибор, расходующий энергию, может стать более экономным. Изолирование дома и изменение повседневных привычек – эти действия помогут заметно снизить потребление электроэнергии. Читайте далее, чтобы узнать, как сэкономить на электричестве.

Шаги

Освещение

1. Выберите естественный свет. Откройте шторы и позвольте солнцу залить вашу комнату! Использование естественного света днем может заметно снизить ваш расход электричества. Это применимо как для проведенного вами времени на работе, так и для времени дома. Естественный свет повышает наше настроение, добавляя вам еще больше желания немедленно открыть жалюзи.

   • Постарайтесь организовать свое рабочее место так, чтобы на него попадал естественный свет. Постарайтесь выключать настольные лампы всегда, когда возможно. Если вам не хватает света, воспользуйтесь маломощной настольной лампочкой.
   • Купите полупрозрачную тюль или жалюзи, чтобы ваша личная жизнь осталась личной, а свет продолжал заполнять пространство.

2. Смените ваши лампочки. Вы очень сэкономите электроэнергию, если замените обычные лампы накаливания на новые энергосберегающие лампы или лампы, выполненные по технологии LED. Тогда как обычные лампы накаливания дают свет за счёт выделения тепла, энергосберегающие лампы лучше сохраняют электричество и имеют долгий срок службы.

   • Энергосберегающие лампы стали первой альтернативой лампам накаливания, они используют около четверти энергии, затрачиваемой лампами накаливания. Они содержат достаточное количество ртути, поэтому, если такая лампочка перегорит, от нее нужно избавиться должным образом.
   • Лампочки с технологией LED не так давно появились на рынке. Они дороже обычных энергосберегающих ламп, но они служат еще дольше и не содержат ртути.

3. Выключайте свет. Это самый простой способ экономить электроэнергию, и он действительно работает. Начните обращать внимание на то, сколько ламп горит у вас в доме в определенное время. Подумайте, сколько ламп вам действительно необходимо использовать. Возьмите себе в привычку каждый раз, когда выходите из комнаты, выключать за собой свет.

   • Если вы хотите сэкономить еще больше, постарайтесь в ночное время находиться всей семьей в одной-двух комнатах, вместо того, чтобы включать свет во всем доме.
   • Для максимальной экономии электричества – используйте свечи! Этот старомодный способ освещения ночью эффективен, романтичен и очень спокоен. Если вам не удобно постоянно использовать свечи, попробуйте делать это хотя бы раз в неделю. Будьте осторожны со свечами, если у вас дома есть дети, или, по крайней мере, убедитесь, что все члены вашей семьи знают, как обращаться со свечками.

   Домашние приборы

   1. Отключите от сети приборы, которые вы не используете. Вы знали, что приборы, которые просто подключены в сеть, продолжают потреблять электричество, даже если они выключены? Даже такой прибор, как кофеварка, просто включенный в сеть, продолжает потреблять энергию, при том, что последняя кружка кофе была выпита уже достаточно давно.

      • Выключите ваш компьютер и отключите его от сети в конце дня. Компьютеры расходуют большую долю электроэнергии, поэтому, вы тратите много энергии и денег, когда они подключены.
      • Не оставляйте ваш телевизор все время подключенным к сети. Может быть, неудобно каждый раз вытаскивать его из розетки, однако, ваши старания окупятся.
      • Отсоедините от сети вашу звуковую систему и колонки. Один из самых бездарных способов потратить электроэнергию - оставить их включенными, когда они не используются.
      • Не забывайте и о мелкой технике, такой как зарядки для телефонов, кухонные приборы, фены для волос, и остальные вещи, которые могут потреблять электричество.

   2. Замените старые приборы на новые - с лучшим потреблением энергии. Компании не переживали о сохранении энергии, когда производили приборы раньше. Новые модели нацелены на сохранение энергии, уменьшение платы за свет. Если у вас есть старый холодильник, электрическая печка, или духовка, посудомоечная машина, стиральная машинка, сушилка, или другая крупная бытовая техника, подумайте о ее замене.

      • Посмотрите рейтинг сбережения электроэнергии на новую технику. Он поможет вам оценить, как много электроэнергии потребляет прибор. Большинство приборов с высоким рейтингом энергосбережения стоят на порядок дороже тех, у которых рейтинг ниже, однако эта разница в цене со временем окупится за счет сокращения расходов за электричество.
      • Если для вас замена бытовой техники дома не является приемлемым вариантом, есть множество способов снизить затраты на электроэнергию.
        • Заполните посудомоечную машину полностью, вместо того, чтобы мыть малые объемы посуды.
        • Не открывайте духовку во время приготовления в ней пищи, так как вы выпускаете из нее жар и потребуется больше энергии, чтобы вернуть прежнюю температуру.
        • Не стойте перед открытым холодильником, размышляя, что бы вам съесть. Откройте и закройте его как можно скорее. Так же, проверьте герметичность дверцы холодильника и замените резинки, если потребуется.
        • Полностью загружайте стиральную машину, вместо того, чтобы стирать маленькими порциями.

   3. Уменьшайте ваше пользование бытовыми приборами. В былые времена люди не пользовались бытовой техникой для ведения домашнего хозяйства; попробуйте использовать только те приборы, которые действительно нужны. Сокращение использования бытовой техники может отнимать большее количество времени, однако, если в этом процессе будет принимать участие вся семья – вы можете управляться со всем заметно быстрее.

      • Большинство людей стирают одежду чаще, чем это необходимо; постарайтесь снизить количество стирок до одного раза в неделю.
      • Протяните бельевую веревку на балконе или на заднем дворе и развешивайте на ней мокрую одежду, вместо того, чтобы пользоваться электрической сушилкой.
      • Мойте посуду руками (так же экономя воду), вместо использования посудомоечной машины.
      • Постарайтесь выпекать что-либо один раз в неделю, во время этого вы сможете приготовить несколько различных блюд. Таким образом, вам не придется нагревать духовку снова и снова.
      • Избавьтесь от маленьких приборов, которые вам действительно не нужны, такие как электрические освежители воздуха. Просто откройте окна!

   Обогрев и охлаждение

   1. Утеплите дом. Качественная изоляция окон и дверей поможет хорошо сохранить электроэнергию. Изоляция позволит вашему дому сохранять охлажденный воздух внутри в летнее время, а так же удерживать тепло и не пропускать холодный воздух в зимнюю пору.

      • Наймите человека, который сможет проверить изоляцию вашего дома и определить, достаточно ли она качественная. Проверьте чердак, пол, потолок, стены и подвал. Возможно, вам потребуется новая изоляция для вашего дома.
      • Проклейте ваш дом, используя монтажную ленту и утеплитель в дверных проемах, окнах и вокруг оконных форточек. Вы также можете поставить стеклопакеты – они лучше удерживают тепло во время зимы.

1. Гасите свет, переходя из комнаты в комнату. Установите тепловые датчики движения, которые будут выключать свет за вас.
2. Используйте местное освещение: подсветки, торшеры, бра. Например, чтобы каждый раз не включать основные источники света, в комнате лучше установить подсветку из светодиодной ленты.
3. Помните, что чистота - залог экономии. Грязные окна и пыльные плафоны снижают уровень освещённости в помещении до 35%.
4. При ремонте учитывайте, что светлые стены и будут отражать до 80% светового потока, а тёмные - лишь около 12%.
5. Замените лампочки накаливания на энергосберегающие и светодиодные. Замена только одной лампы позволит экономить около 1 000 рублей в год.

Возьмём, к примеру, Москву. 1 кВт·ч в столице стоит Тарифы на электрическую энергию для населения и приравненных к нему категорий потребителей на территории г. Москвы, за исключением Троицкого и Новомосковского административных округов 5,38 рубля. Представим, что в трёх квартирах по восемь часов в сутки горят три лампочки: светодиодная, энергосберегающая и накаливания. Для более объективной картины выберем лампы такой мощности, чтобы они давали примерно одинаковый уровень освещённости. И вот что мы получим.

Вид лампы	Светодиодная	Энергосберегающая	Накаливания
Потребляемая мощность, кВт	0,013	0,025	0,1
Ресурс лампы, часы	50 000	8 000	1 000
Стоимость лампы, руб.	248	200	11
Стоимость часа эксплуатации Стоимость часа эксплуатации = тариф × мощность + стоимость лампы ⁄ ресурс , руб.	0,0749	0,1595	0,549
Часовая экономия Часовая экономия = стоимость эксплуатации лампы накаливания − стоимость эксплуатации сравниваемой лампы , руб.	0,4741	0,3895	-
Срок окупаемости Срок окупаемости в часах = (стоимость лампы − стоимость лампы накаливания) ⁄ часовая экономия , часы	499,89	485,24	-
Срок окупаемости Срок окупаемости в днях = срок окупаемости в часах ⁄ 8 , дни	62,49	60,65	-
Годовая экономия Годовая экономия = (8 × 365 − срок окупаемости в часах) × часовая экономия , руб.	1147,37	948,34	-

Получается, что через два месяца одна энергосберегающая лампа позволит вам ежечасно экономить 40 копеек, а 10 лампочек - 4 рубля.

Правильно пользуйтесь электроприборами

1. При отсутствии двухтарифного отключайте все неосновные электрические приборы на ночь, а зарядные устройства - после полной подпитки техники.
2. Холодильник необходимо регулярно размораживать, если в нём нет специальной системы No Frost. Проследите, чтобы устройство стояло как можно дальше от отопительных приборов и обеспечивалась естественная вентиляция задней стенки. Ставьте в него только остывшую посуду!
3. Отслеживайте работоспособность конфорок электрической плиты и ставьте на них только подходящую по размеру посуду с ровным дном.
4. Накрывайте кастрюли и сковородки крышками: они уменьшают потерю тепла почти в три раза.
5. Старайтесь не перегружать стиральную машину (чрезмерная загрузка увеличивает расход электричества до 10%) и использовать средний температурный режим. На стирку при 30 градусах тратится на 35% меньше энергии, чем на стирку при 40 градусах.
6. Используйте электрический чайник вместо электроплиты для разогрева воды. Так будет гораздо экономичнее. Кипятите только тот объём жидкости, который нужен в данный момент.
7. Регулярно проводите чистку вентиляторов и фильтров кондиционера.
8. Вещи, требующие низкого температурного режима, после выключения утюга.
9. Не оставляйте технику, в том числе микроволновки, телевизоры, компьютеры, сканеры, принтеры, модемы, в режиме ожидания. Это позволит сэкономить более 200 кВт в год.
10. Используйте электрические розетки с таймером.

Покупайте энергосберегающую бытовую технику

1. Все электрические приборы маркируются латинскими буквами от A+++ до G. Выбирайте технику с низким классом энергопотребления, маркированную A и B.
2. Покупайте приборы, в которых используются новейшие технологии экономии электроэнергии. Например, всё более популярными становятся индукционные варочные панели, нагревающие только дно посуды и не растрачивающие энергию впустую. КПД таких плит доходит до 95%!

Установите двухтарифный счётчик

1. Двухтарифный счётчик позволяет экономить по ночам. Такие счётчики выгодны тем, кто может использовать энергоёмкие бытовые приборы: посудомоечную и стиральную машины, хлебопечку - с 23.00 до 7.00. В среднем счётчик окупает себя за год.

Не тратьте тепло зря

1. Вместо традиционного обогревателя используйте кондиционер, настроенный на режим обогрева. Если это позволяет производитель, конечно. Многие кондиционеры нельзя использовать при отрицательных температурах.
2. Инфракрасный обогреватель экономичнее остальных на 30–80%.
3. Если в доме установлены электрические батареи, старайтесь содержать их в чистоте, чтобы пыль не поглощала часть тепла, а вам не приходилось увеличивать температурный режим.
4. Используя водонагреватель, уменьшите температуру нагрева воды.
5. Замените накопительный водонагреватель на проточный. Так вы не будете тратить электроэнергию на постоянное поддержание определённой температуры воды.
6. Нагревайте воду только при необходимости. Отключайте бойлер от электросети, когда уходите из дома и по ночам.
7. Раз в три месяца чистите водонагреватель от , которая увеличивает расход электроэнергии на 15–20%.
   • Отключите аппарат от сети и перекройте подачу воды.
   • Полностью слейте воду.
   • Снимите крышку бойлера, осторожно отсоедините провода и выкрутите термореле.
   • Раскрутите гайки, удерживающие фланец. Подтолкните фланец вверх, проверните и вытащите наружу.
   • Теперь можно очистить нагревательный элемент металлической щёткой. Избавиться от налёта поможет и раствор уксусной кислоты и горячей воды (1: 5). Просто поместите в него ТЭН на 30 минут и следите за тем, чтобы уплотнительная резина не соприкасалась с кислотой.

Ю.Н.ЕЛДЫШЕВ Проблема хранения энергии - одна из важнейших не только в энергетике, но и в экономике (а также в науке) в целом. Она до сих пор не решена в полной мере. Наше неумение эффективно сохранять и запасать полученную энергию особенно пагубно сказывается на развитии таких сравнительно «чистых» способов ее производства с использованием возобновляемых источников энергии, как гидроэнергетика, гелиоэнергетика или ветроэнергетика. Ведь мы до сих пор не в состоянии обеспечить гарантированное поступление энергии потребителям от таких источников в связи с понятными суточными, сезонными, а то и вовсе плохо прогнозируемыми изменениями их мощности. Поэтому любая информация о достижениях в этой сфере вызывает повышенный интерес.
Метановый проект
О новом способе хранения энергии, полученной от ВИЭ (один из основных недостатков которых, — именно нестабильность и непредсказуемость выработки энергии), сообщила недавно пресс-служба Общества Фраунгофера (Общество Йозефа Фраунгофера — немецкий аналог Российской академии инженерных наук, его основная цель — содействие развитию прикладных исследований). Немецкие ученые разработали технологию, в которой излишки электроэнергии, выработанные солнечными или ветро-электростанциями и не нужные в данный момент, преобразуются в метан. Полученный таким образом газ можно хранить сколь угодно долго и использовать по мере необходимости с помощью уже существующей газовой инфраструктуры.
Пилотный проект, разработанный Центром солнечной энергии и водородных исследований, который находится в Штутгарте (ФРГ), в настоящее время реализуют сотрудничающие между собой компании Австрии и Германии. Запуск основанной на данной технологии промышленной станции мощностью в десятки мегаватт запланирован на 2012 г.
Как уверяют разработчики, демонстрационная система, построенная в Штутгарте, использует генерируемые с помощью солнечных панелей и ветроэнергетических установок (ВЭУ) излишки энергии для электролитической диссоциации воды на кислород и водород. В дальнейшем полученный водород, соединяясь с подаваемым в систему углекислым газом, образует метан, который уже можно хранить и использовать для получения энергии в любое время. По оценкам ученых, эффективность подобного преобразования выше 60%.
Не секрет, что «классические» способы хранения электроэнергии в конденсаторах и аккумуляторных батареях предполагают создание особой (дополнительной и достаточно дорогой) инфраструктуры. В отличие от таких способов для хранения энергии в форме метана в Германии, как и во многих других странах, уже существует вся необходимая инфраструктура — это распределенная система газовых хранилищ большой емкости. Поэтому авторы данной технологии считают, что у нее могут быть неплохие перспективы, ибо такое преобразование с приличным КПД — «это определенно лучше, чем полная потеря электроэнергии, которую нельзя использовать здесь и сейчас». А реальных альтернатив «газовому преобразованию» как способу хранения энергии до настоящего времени предложено не так уж много.
«Ахиллесова пята» гидроаккумуляторов
ГАЭС по внешнему виду могут различаться очень сильно: многие аккумулирующие станции почти невозможно отличить от обычной ГЭС, расположенной на реке со значительным уклоном, но есть и такие, у которых предусмотрен весьма необычный накопительный резервуар, как, например, станция «Taum Sauk» в штате Миссури (США), привлекающая внимание многочисленных туристов. Но в любом случае такому способу хранения и перераспределения энергии присущ серьезный недостаток - необходимость отчуждения больших площадей под верхний и нижний бьефы, а также масштабные (и дорогие) строительные работы.
Водная альтернатива
Одно из древнейших устройств для хранения энергии — гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). Так называют разновидность гидроэлектростанций, специально предназначенную для выравнивания суточной неоднородности электрической нагрузки. ГАЭС использует в работе комплекс электрических генераторов и электрических насосов либо специальные обратимые гидроэлектроагрегаты, способные работать и как генераторы, и как насосы. Во время минимума энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее на перекачку воды в верхний бьеф, т. е. действует как насос. А во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая при этом дорогую «пиковую» электроэнергию, которую отдает в энергосеть, т. е. действует как электрогенератор.
Поскольку в обоих режимах КПД такой станции меньше 100%, понятно, что в итоге ГАЭС потребляет больше электроэнергии, чем вырабатывает, т. е. формально оказывается убыточной. Впрочем, не стоит забывать, что потребляет ГАЭС «дешевую» энергию, а поставляет в сеть «дорогую», так что экономический итог не совпадает с энергетическим балансом и не определяется простыми арифметическими действиями. Дело в том, что в крупных энергосистемах заметную долю составляют мощности тепловых и атомных электростанций, которые не могут быстро сокращать выработку электроэнергии при падении энергопотребления или же делают это с большими потерями. Потому-то коммерческая стоимость электроэнергии в период наивысшего («пикового») потребления в энергосистеме гораздо выше, чем в период ее минимального потребления, и использование ГАЭС оказывается экономически эффективным, повышая как равномерность нагрузки на другие мощности энергосистемы, так и надежность энергоснабжения в целом.
ГАЭС выглядит простой и надежной системой аккумуляции энергии, обладающей множеством достоинств и всего одной, но очень существенной, слабостью: далеко не всюду ее можно возвести, да и занимает она очень много места.
Энергию можно хранить... в холодильнике
Сравнительно недавно было предложено сохранять «энергию ветра» (электроэнергию, полученную от ВЭУ), меняя температуру в огромных складах-холодильниках, что почти не требует капитальных затрат. Группа исследователей из университетов Болгарии, Дании, Испании и Нидерландов разработала проект «Ночной ветер», направленный на создание общеевропейской системы хранения энергии, вырабатываемой ВЭУ, основанной на использовании элементов уже существующей инфраструктуры.
Идея проста: ночью, когда потребление электричества падает, а ВЭУ продолжают работать, вырабатываемую ими электроэнергию предлагается расходовать на то, чтобы понизить температуру в существующих холодильниках крупных продовольственных складов. Как показали оценки, достаточно снизить температуру всего на 1 °C по сравнению с обычной нормой. Иными словами, энергия будет «запасаться» в результате охлаждения многих тысяч тонн разнообразных продуктов, которые будут храниться в обычном режиме где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днем же, когда потребление электричества многократно растет, все эти гигантские холодильники можно будет просто отключить от сети до тех пор, пока температура в них постепенно не поднимется на тот же 1 °C, т. е. не вернется к привычному значению.
И хотя, как хорошо известно, сами по себе холодильники, даже самые гигантские, конечно же, никакого электричества не производят, такие колебания температуры всего на один градус с периодом в сутки, если их применить на всех крупных холодильных складах Европы, по оценкам авторов проекта, будут эквивалентны появлению в общей энергосети супераккумулятора емкостью в 50 ГВт/ч!
Действенность идеи авторы проекта продемонстрировали еще в 2007 г., установив рядом с одним из крупнейших холодильных складов в Бергене (Нидерланды) ветровую турбину и настроив электронную систему управления холодильником по описанному выше принципу. Так что теперь судьба проекта в руках экономистов от энергетики, которые должны решить, насколько целесообразно делать ставку именно на этот способ запасать энергию.
Маховики
Многие эксперты по-прежнему считают весьма перспективным устройством для хранения энергии маховики. Разговоры о них ведутся уже не одно десятилетие. Но только в последнее время разработаны действительно работоспособные проекты, демонстрирующие возможности таких накопителей на практике.
Еще в 1964 г. профессор Н.В. Гулиа (в последнее время заведующий кафедрой Московского государственного индустриального университета) предложил новую разновидность маховика, который должен был служить именно накопителем энергии. Это был не сплошной диск, а сердечник с намотанной на него сотнями и даже тысячами слоев тонкой стальной (впоследствии пластиковой) лентой, заключенный в кожух, внутри которого создавался вакуум, чтобы сократить потери на трение. Как выяснилось, подобные супермаховики могли «вобрать» в себя довольно много энергии на единицу массы, ведь запасаемая ими энергия определялась прежде всего предельной скоростью вращения (поскольку была пропорциональна ее квадрату, а от массы зависела линейно), которая в свою очередь была ограничена прочностью выбранного материала.
Современные супермаховики с намоткой из углеродного волокна имеют удельную энергоемкость до 130 Вт-ч/кг. Это несколько уступает показателям лучших литий-ионных аккумуляторов, но у накопителей на маховиках есть и свои преимущества: они гораздо дешевле, долговечнее и безопаснее (не только для здоровья обслуживающего персонала, но и, что не менее важно, для окружающей среды).
Сам изобретатель еще 40 лет назад много экспериментировал с супермаховиками, поскольку считал их перспективными накопителями энергии на транспорте и даже построил несколько образцов подобных транспортных средств. Об их применении в энергетике как альтернативе аккумуляторам он тоже размышлял, однако до недавнего времени идея использовать маховики для хранения энергии не в лабораториях, а в промышленных масштабах и в существующих энергосетях представлялась специалистам экзотической и даже утопической. Лишь в последние годы некоторые фирмы на Западе начали серьезные исследования в этой области.
Так, специалисты американской компании «Beacon Power» разработали набор стационарных супермаховиков, предназначенных для подключения к промышленным энергосетям. Выполнены они из огромного числа слоев сверхпрочных композитных материалов на основе углеродных волокон, так что выдерживают гигантские нагрузки, позволяя в среде с высоким разрежением доводить скорость их вращения до штатных 22,5 тыс. об./мин. Маховики на магнитных подвесках вращаются в цилиндрических емкостях высотой около 1 м (новые модели будут уже выше человека), внутри которых создан вакуум. Масса подобной конструкции может достигать 1 т.
На стальном валу маховика (там же — внутри герметичного стального цилиндрического кожуха) расположен ротор обратимой электрической машины — мотора-генератора на постоянных магнитах, который и раскручивает маховик, запасая энергию, или отдает ее, вырабатывая электрический ток, при подключении нагрузки.
Расчетный срок службы такой конструкции 20 лет, диапазон рабочих температур от —40 до +50 °C, она выдерживает землетрясения с магнитудой до 7,6 по шкале Рихтера, иными словами, обладает характеристиками, ныне совершенно нереальными для существующих химических аккумуляторов.
Энергию сохранит воздух
Американская компания «Magnum Energy НС» собирается использовать подземные пещеры на глубине около 1,5 км для хранения сжиженного воздуха, используемого для получения электроэнергии. Создать хранилища предполагается возле города Дельта в штате Юта, где располагаются огромные подземные запасы соли, которые рассчитывают вымывать при помощи специальной техники. На первом этапе предполагается обустроить хранилища для природного газа, добываемого неподалеку - в Скалистых горах. Отработав технологию, компания намерена приступить к созданию хранилища... для воздуха.
По мнению авторов этого проекта, сжатие воздуха может считаться одним из самых дешевых способов хранения энергии. Например, в ясный день солнечная электростанция будет производить избыток электроэнергии. Его направят на сжатие и закачку воздуха. Когда электричество понадобится, воздух заставят крутить турбины. Так авторы надеются преодолеть основную трудность в повсеместном внедрении ВИЭ - нестабильность выработки ими электроэнергии и, соответственно, проблему хранения и преобразования энергии от них.
Впрочем, пока величина запасаемой таким образом энергии невелика — до 25 кВт/ч при максимальной мощности до 200 кВт. По оценкам разработчиков, потери энергии, запасаемой и забираемой из таких накопителей, не превышают 2%, что намного лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах (упомянутые ГАЭС, химические аккумуляторы и т.д). В то же время понятно, что срок хранения энергии в маховиках, в отличие от этих систем, невелик — речь пока может идти только об их использовании в качестве буфера, компенсирующего резкие пики и спады потребления электроэнергии в течение суток.
Наборы из множества таких устройств, включенных параллельно, могли бы накапливать уже вполне ощутимые запасы энергии; при этом главным преимуществом стало бы то, что происходило бы это очень быстро (столь же быстро можно было бы и «востребовать» накопленное). А ведь это очень важно. Дело в том, что любые из существующих промышленных генерирующих мощностей (например, на тепловых электростанциях) не могут быстро реагировать на изменение нагрузки, да и вообще всякие изменения режимов их работы крайне невыгодны.
Вот в таких-то ситуациях, связанных с резкими скачками нагрузки в сети, накопители в виде маховиков и могли бы стать вполне разумным решением. По оценкам разработчиков, время реакции подобных систем просто фантастическое — около 5 мс.
Установки с подобными накопителями уже продемонстрировали свою эффективность на испытаниях в ряде населенных пунктов США, жители которых еще не забыли кошмар своих обесточенных городов из-за цепного отключения мощностей и готовы на многое ради того, чтобы снизить вероятность повторения таких событий.
Впрочем, думается, и российской энергосистеме, которая в силу ряда особенностей заметно устойчивее к колебаниям нагрузки, чем энергосети США, подобные накопители могли бы оказаться полезными.
Изобретение... лопасти
Интересный способ сгладить неравномерность выработки электроэнергии от ВЭУ нашел профессор Университета Ноттингема (Великобритания) Симус Гарви, заключивший, что ветряки, расположенные в открытом море, вообще не следует оснащать электрогенераторами, поскольку такие мощные устройства, вырабатывающие ток даже при самых низких скоростях вращения вала, оказываются очень тяжелыми и, соответственно, очень дорогими. Вместо этого он предлагает делать лопасти ветряка... полыми. Внутри каждой из них должен свободно перемещаться тяжелый поршень. Когда лопасть опускается, поршень сдвигается к ее концу, а когда она поднимается вверх, поршень, наоборот, скользит по направлению к оси, сжимая вошедший через отверстия в корпусе воздух. Сжатый воздух закачивается в специальные пакеты из тонкой и прочной синтетической ткани, плавающие на глубине 500 м!
Эти хранилища, удерживаемые от разрыва давлением вышележащих слоев воды, служат своеобразными буферами, гарантирующими равномерную выработку электроэнергии даже при непредсказуемом ветровом режиме. Из подводных баллонов воздух подается по трубам к дополнительным компактным турбинам-генераторам. По оценкам, его запаса должно хватать для поддержания их вращения в течение нескольких дней даже при полном штиле.
Такая «интегрированная возобновляемая энергетическая система на сжатом воздухе» (Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems — ICARES) впечатляет своими масштабами: по оценкам Гарви, чтобы поршни не зависали на концах лопастей из-за центробежных сил, турбина должна двигаться медленно и быть очень крупной — свыше 200 м в диаметре (в идеале — 500 м). Что касается подводных хранилищ энергии, то автор видит их как гигантские грозди огромных воздушных «подушек» (диаметром по 20 м).
Работы по проекту ведутся с 2006 г., а ныне в университете создали компанию «Nimrod Energy», основной задачей которой станет коммерциализация этой технологии. Предполагается, что системы ICARES появятся на рынке уже через год. Но на первых порах использовать их будут для хранения энергии, выработанной энергоустановками других типов. А морские турбины-гиганты от «Nimrod», по прогнозам разработчиков, могут появиться лет через 10—15.
Необычный аккумулятор и некоторые другие способы
Сегодня довольно высокая активность на Западе связана и с проектами хранения электроэнергии, выработанной, в частности, на весьма популярных здесь ВЭУ, в виде полученного с ее помощью водорода. Причем в таких проектах водород предлагается использовать не как топливо, а как временный энергоноситель. Впрочем, по оценкам экспертов, подобные схемы, которые могут быть весьма эффективными с энергетической точки зрения и вполне приемлемыми с точки зрения экологии, увы, пока остаются слишком дорогими.
Не прекращаются и исследования, связанные с различными технологиями закачки сжатого воздуха в подземные или подводные хранилища.
Но, как уже отмечалось, у каждого из упомянутых способов хранения энергии есть свои достоинства и недостатки, каждый из них хорош по-своему, но ни один нельзя признать идеальным. В связи с этим в последнее время появились даже призывы вернуться к, казалось бы, давно и всесторонне изученным химическим аккумуляторам. Впрочем, не совсем обычным — расплавленным.
Вообще-то так называемые горячие аккумуляторы придуманы тоже много лет назад. Известно немало их разновидностей, обладающих завидными удельными характеристиками. Только вот обеспечить необходимую для них рабочую температуру в сотни градусов по шкале Цельсия нелегко, так что это условие накладывает серьезные ограничения на возможные области их применения, а также на возможный срок их действия (все прежние предложения использовать такие аккумуляторы в широких масштабах оказывались неконкурентоспособными из-за крайне непродолжительного срока их действия). Впрочем, в японской префектуре Аомори, к примеру, уже несколько лет действует комплекс из 17 крупных блоков серно-натриевых горячих батарей мощностью 34 МВт, которые подключены к сети через преобразователи переменного/постоянного тока. Данный комплекс входит в состав новой ветровой фермы «Futamata», значительно сглаживая неравномерность выработки электроэнергии ВЭУ (позволяя удовлетворить дневной пик потребления и накапливая энергию ночью).
Но новый аккумулятор, прототип которого создали американские ученые, по их оценкам, будет втрое дешевле лучших сегодняшних батарей, намного долговечнее их и главное — гораздо мощнее. Профессор Дональд Сэдовей и его коллеги из Массачусетского технологического института придумали оригинальное устройство для аккумулирования электрической энергии, которое, по их мнению, уже в недалеком будущем позволит использовать по ночам энергию, полученную от солнечных панелей (или энергию ветра в штиль). Такой аккумулятор размером с привычный для американцев контейнер для мусора в индивидуальном доме (его объем — около 150 л), как считает Сэдовей, мог бы стать неотъемлемым атрибутом «зеленого» дома, обеспечивая все его потребности в энергии даже на пике потребления, а подзаряжался бы он от «непостоянных» ветряков и солнечных панелей. Ну а крупным наборам таких аккумуляторов, по мнению разработчиков, вполне по силам было бы снабжение электричеством целых поселений — аккумулирующая станция мощностью в 13 ГВт (достаточная для питания крупного города) заняла бы всего 6 га.
За счет чего достигается такая плотность мощности? Дело в том, что, как уверяют разработчики, эти батареи способны отдавать и принимать в 10 раз более сильный ток, чем все известные типы химических аккумуляторов.
Понимая, что слишком сильный ток может с легкостью повредить устройство, попросту расплавив всю конструкцию, Сэдовей предложил: пусть расплавленное состояние будет нормой для всех частей батареи. В прежних горячих аккумуляторах помимо корпусов и контактов был еще один важный твердый (нерасплавленный) элемент — твердый электролит (специальная проводящая керамика), а в новом аккумуляторе твердых частей внутри нет вообще, кроме внешнего корпуса, все жидкое — и электролит, и электроды. Все элементы новой необычной системы не смешиваются между собой благодаря разной плотности, как не смешиваются масло и вода в покоящемся сосуде. А поскольку новая батарея призвана стать стационарным накопителем энергии, перемешиваться жидкостям вроде бы не от чего.
Разработанный аккумулятор напоминает тугоплавкий «стакан» (корпус служит первым наружным контактом), накрытый крышкой (второй наружный контакт). Между ними — диэлектрик, а вокруг теплоизолирующая оболочка. На дно емкости авторы поместили сурьму (это первый внутренний электрод), следом сульфид натрия (электролит), а сверху магний (второй внутренний электрод). Все компоненты — в расплавленном виде.
При заряде слой электролита в таком аккумуляторе становится тоньше, а расплавленные электроды — толще. При разряде все происходит в обратном порядке: материал электродов (ионов) частично переходит в электролит, так что центральный жидкий слой растет, а боковые — электроды — сокращаются.
Такая система, использующая довольно необычные для химических аккумуляторов принцип работы и конструкцию, как выяснилось, способна выдержать огромное число циклов зарядки и разрядки, многократно превышающее все, что могли продемонстрировать прежние батареи, а кроме того, может отдавать и принимать гигантские токи без каких-либо повреждений (в системе просто нечему выйти из строя). Наконец, все компоненты такого аккумулятора оказались на удивление недорогими, так что установить подобные системы можно где угодно.
Авторы построили опытный образец расплавленной батареи. Ее удельная емкость пока не слишком впечатляет. Но это не столь уж критично — для стационарного накопителя энергии масса системы не слишком важна. К тому же ученые полагают, что все характеристики новой батареи можно будет серьезно улучшить, сохранив принцип работы, но подобрав иные компоненты.
Довести созданный прототип до коммерческого варианта разработчики обещают лет через пять. И это довольно быстро, если учесть, что горячие аккумуляторы прежних типов хотя и были изобретены очень давно, до сих пор несмотря на все попытки их совершенствования все еще считаются экзотикой.
По материалам sciencedaily.com, physorg.com, membrane.ru и других источников