Накопление энергии — Википедия

Накопление энергии — аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем. Устройство, хранящее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей. Типичным примером устройства накопления энергии (энергонакопителя) является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона. Менее очевидный пример — гидроэлектростанция: вода в резервуаре выступает в качестве источника потенциальной энергии гравитации. Ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и газ, также являются накопителями энергии, полученной в свое время от солнечного света живыми организмами, которые со временем и превратились в эти виды топлива.

Новейшая история[править | править код]

В двадцатом веке электричество вырабатывалось, прежде всего, за счет сжигания ископаемого топлива. Проблемы с транспортировкой энергии, загрязнением воздуха и глобальным потеплением к росту использования возобновляемых источников энергии — таких, как солнечная энергия и энергия ветра. Энергия ветра зависит от климатических условий и погоды. Солнечная энергия зависит от географического положения, облачного покрова. Она доступна только в дневное время, в то время, как спрос зачастую достигает пика после захода солнца. Интерес к накоплению энергии из этих источников растет, поскольку именно они в последнее время генерируют всё большую часть мирового энергопроизводства.

Использование электричества вне электросетей в XX веке было нишевым рынком, но в XXI веке оно значительно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные батареи получают все более широкое распространение в сельской местности. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики, а не местоположения. Однако в энергоснабжении транспорта сжигание топлива по-прежнему преобладает.

Схема[править | править код]

См. также: Схема аккумулирования энергии

Следующий список включает виды аккумулирования энергии:

• Хранение ископаемого топлива
• Механическое

• Электрический, электромагнитный

• Биологический

• Электрохимический (Система накопления энергии Батареи, BESS)

• Тепловой
  • Тепловой аккумулятор
  • Криогенные системы хранения, Аккумулирование энергии жидкого воздуха (LAES)
  • Криогенный двигатель Дэрмана
  • Эвтектическая система
  • Кондиционер хранения льда
  • Соль в качестве накопителя энергии
  • Фазовый переход вещества
  • Сезонное хранение тепловой энергии
  • Солнечный водоем
  • Паровой аккумулятор
  • Хранение тепловой энергии (Общее)

Механическое накопление[править | править код]

Энергия может сохраняться в воде, перекачиваемой на большую высоту с использованием накачки или путем перемещения твердого вещества в более высокие места (гравитационные батареи). Другие механические методы предполагают сжатие воздуха и маховиков, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую, а возвращая её, когда потребность в электричестве достигает пика.

Гидроэлектричество[править | править код]

Основная статья: Гидроэлектростанция

Гидроэлектростанции с водохранилищами могут эксплуатироваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и высвобождается при высокой потребности. Эффект аналогичен накоплению с перекачкой, но без сопутствующих потерь. Хотя гидроэлектростанция напрямую не накапливает энергию из других источников, она ведет себя эквивалентно, снижая выработку в период избытка электроэнергии, полученной из других источников. В этом режиме плотины являются одной из наиболее эффективных форм аккумулирования энергии, поскольку меняются только сроки её генерации. Гидроэлектрические турбины имеют время запуска порядка нескольких минут^[1].

Гидроаккумулирующая электростанция[править | править код]

Основная статья:

Гидроаккумулирующая электростанция

Во всем мире гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее крупной формой накопления энергии в больших масштабах. Энергетическая эффективность ГАЭС варьируется, на практике, от 70 % до 80 %^[2][3][4][5].

В периоды низкой потребности в электроэнергии, избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из более низкого резервуара в более высокий. Когда спрос растет, вода поступает обратно в нижний резервуар (или водный путь/водоем) через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные турбогенераторные узлы действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса). Почти все подобные сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Насосно-накопительные установки «в чистом виде» перемещают воду между резервуарами, в то время как подход с «откачкой» представляет собой комбинацию насосных хранилищ и обычных гидроэлектростанций, использующих естественное течение воды.

Технология накопления энергии сжатого воздуха[править | править код]

Пневматический аккумулятор использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре^[6].

Пневматический аккумулятор может преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Пневматический аккумулятор удовлетворяет потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая доступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, имеют переменные ресурсы. В результате, добавление других видов энергии необходимо для удовлетворения спроса на энергию в периоды снижения доступности возобновляемых ресурсов. Установки для хранения энергии на сжатом воздухе способны аккумулировать избыточную энергию от возобновляемых источников энергии во время перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована, когда спрос на электроэнергию увеличивается или доступность энергетических ресурсов уменьшается.

Сжатие воздуха создает тепло: при сжатии воздух теплеет. Расширение, со своей стороны требует тепловой энергии. Если не добавлять дополнительной энергии, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое во время сжатия, может аккумулироваться и использоваться во время расширения, эффективность значительно повышается^[7].

Технология накопления энергии маховиком[править | править код]

см. также: супермаховик, маховик

Накопитель энергии маховика (FES) работает за счет ускорения ротора (маховика) до очень высокой скорости, аккумулируя энергию вращения. Когда энергия извлекается, скорость вращения маховика уменьшается; добавление энергии соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются и устройства, которые непосредственно используют механическую энергию^[8].

Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенных на магнитных подшипниках и вращающихся со скоростью от 20000 до более 50000 об/мин в вакуумном корпусе. Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором.

Системы FES имеют относительно долгий срок службы (длятся десятилетия, практически не требуя технического обслуживания^[9]; срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от 10 ⁵ до 10 ⁷ циклов использования), высокая удельная энергия (100—130 Вт · ч/кг или 360—500 кДж/кг) и удельная мощность^[10].

Накопление гравитационной потенциальной энергии твердых масс[править | править код]

Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию через подъемную систему, приводимую в движение электродвигателем / генератором.

Методы включают использование рельсов^[11][12] и кранов^[13] для перемещения бетонных грузов вверх и вниз, использование высотных плавучих платформ на солнечных батареях, поддерживающих лебедки для подъёма и опускания твердых масс.

Накопление тепловой энергии[править | править код]

Аккумулирование тепловой энергии (TES) — это временное хранение или отвод тепла.

Аккумулированная тепловая энергия[править | править код]

Аккумулирование тепла использует преимущества нагрева материала для накопления энергии.

Технологии сезонного накопления тепловой энергии (СНТЭ) позволяют использовать тепло или холод спустя месяцы после того, как оно было получено из природных источников или отходов. Аккумуляция может происходить в водоносных слоях, скоплениях скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллические породы, в выстланных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. Технологии СНТЭ часто имеют срок окупаемости в диапазоне от четырёх до шести лет. Примером является сообщество солнечных батарей Drake Landing в Канаде, для которого 97 % круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, а скважинный накопитель тепловой энергии (СНТЭ) является поддерживающей технологией

[14]. В Браструпе (Дания) система коммунального солнечного теплоснабжения, также использует СНТЭ при температуре хранения 65° C (149° F). Тепловой насос, который работает только при наличии избыточной энергии ветра в единой энергосети, используется для повышения температуры до 80° C (176° F) для распределения. Когда избыточного электричества, генерируемого ветром, нет, используется газовый котел. 20 % процентов тепла Браструпа имеют солнечное происхождение.^[15]

Скрытое накопление тепловой энергии[править | править код]

Скрытые тепловые системы накопления тепловой энергии работают с материалами с высокой скрытой теплоемкостью, известными как материалы с фазовым переходом (PCM). Основным преимуществом этих материалов является то, что их скрытая теплоемкость гораздо больше, чем ощутимое тепло. В определённом температурном диапазоне фазовый переход от твердого к жидкому поглощает большое количество тепловой энергии для последующего использования.

Скрытое накопление тепловой энергии представляет собой процесс, посредством которого энергия в форме тепла либо поглощается, либо выделяется во время фазового перехода материала (PCM). Изменение фазы — это плавление или затвердевание материала. Во время изменения фазы PCM обладает способностью поглощать большое количество энергии из-за высокой температуры плавления.

Электрохимический[править | править код]

Аккумуляторная батарея[править | править код]

Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов. Аккумуляторы бывают разных форм и размеров, от кнопок до мегаваттных энергосистем.

Аккумуляторные батареи имеют более низкие общую стоимость использования и уровень воздействия на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторных батареек доступны в тех же форматах, что и одноразовые. Аккумуляторные имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дёшево перезаряжать и использовать много раз.

Общие химические составы аккумуляторной батареи:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы: свинцово-кислотные аккумуляторы занимают самую большую долю рынка аккумуляторов. В заряженном состоянии отрицательный электрод из металлического свинца и положительный электрод из сульфата свинца погружают в электролит с разбавленной серной кислотой (H ₂ SO ₄). В процессе разряда электроны выталкиваются из ячейки, так как на отрицательном электроде образуется сульфат свинца, а электролит восстанавливается до воды.
  • Технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила широкое развитие. Эксплуатация требует минимального труда, его стоимость низкая. Доступная энергетическая ёмкость батареи подвержена быстрой разрядке, что приводит к малому сроку службы и низкой плотности энергии^[16].

Проточная батарея[править | править код]

Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки / разрядки элемента. Напряжение тока химически определено уравнением Нернста, и на практике составляет от 1,0 до 2,2 В. Ёмкость накопителя зависит от объёма ёмкостей, в которых находится раствор.

Проточная батарея технически близка как топливному элементу, так и элементу электрохимического аккумулятора. Коммерческие приложения предназначены для длительного полупериода хранения, например, для резервного энергоснабжения.

Суперконденсатор[править | править код]

Основная статья: Суперконденсатор

Суперконденсаторы, также называемые электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC) или ультраконденсаторами, являются общими терминами для семейства электрохимических конденсаторов, которые не имеют обычных твердых диэлектриков. Ёмкость определяется двумя параметрами аккумуляции: двухслойная емкость и псевдоёмкость^[17][18].

Суперконденсаторы ликвидируют разрыв между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями. Они хранят наибольшее количество энергии на единицу объёма или массы (плотности энергии) среди конденсаторов. Они поддерживают до 10 000 фарад / 1,2 В^[19], до 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов, но выдают или принимают менее половины мощности в единицу времени (плотность мощности)^[20].

В то время, как суперконденсаторы имеют удельную энергию и удельные плотности энергии примерно 10 % в сравнении с батареями, их плотность мощности обычно в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки. Кроме того, они будут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем батареи.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр применений, включая:

• Низкий ток питания для резервного копирования памяти в статической оперативной памяти (SRAM)
• Питание для автомобилей, автобусов, поездов, кранов и лифтов, в том числе рекуперация энергии при торможении, кратковременное накопление энергии и подача питания в импульсном режиме

Другие химические вещества[править | править код]

Технология Power-to-Gas (P2G)[править | править код]

Технология Power-to-Gas — это технология, которая преобразует электричество в газообразное топливо, к примеру, водород или метан. Известны три метода использования электричества для превращения воды в водород и кислород посредством электролиза.

При первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа. Второй метод заключается в реакции водорода с диоксидом углерода для получения метана, с использованием реакции метанирования (такой, как реакция Сабатье) или биологического метанирования, что приводит к дополнительной потере преобразования энергии на 8 %. Затем метан можно подавать в природную газовую сеть. Третий метод использует выходной газ из генератора древесного газа или биогазовой установки после того, как модификатор биогаза смешан с водородом из электролизера, чтобы улучшить качество биогаза.

Водород[править | править код]

Основная статья: Хранение водорода

Водород тоже можно рассматривать как накопитель энергии: электричество в этом случае производится посредством водородного топливного элемента.

Для синтеза килограмма водорода требуется около 50 кВт⋅ч (180 МДж) солнечной энергии, поэтому стоимость электроэнергии является критически важной.

Подземное хранение водорода производится в подземных пещерах, соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях.^[21]Imperial Chemical Industries в течение многих лет хранит в подземных пещерах большие количества газообразного водорода без каких-либо проблем. Европейский проект Hyunder указал в 2013 году, что для аккумуляции энергии ветра и солнца с использованием подземного водорода потребует 85 пещер.

Метан[править | править код]

Основная статья: Синтетический природный газ

Метан — простейший углеводород с молекулярной формулой СН ₄. Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Имеется полноценная инфраструктура его хранения и сжигания (трубопроводы, газометры, электростанции).

Синтетический природный газ (синтез-газ или SNG) может быть создан в многоступенчатом процессе, начиная с водорода и кислорода. Водород реагирует с диоксидом углерода в реакции Сабатье, производя метан и воду. Метан может храниться, а затем использоваться для производства электроэнергии. Полученная вода рециркулируется, уменьшая потребность во внешних её источниках. На стадии электролиза, кислород сохраняется для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции.

При сгорании метана образуются углекислый газ (CO₂) и вода. Диоксид углерода может быть переработан для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. Производство метана, хранение и сгорание перерабатывают продукты реакции.

Биотопливо[править | править код]

Основная статья: Биотопливо

Ископаемое топливо могут заменять различные виды биотоплива, такие как биодизельное топливо, растительное масло, спиртовое топливо или биомасса. Химические процессы могут превращать углерод и водород (в составе угля, природного газа, растительной и животной биомассы и органических отходов), в простые углеводороды, подходящие в качестве замены для традиционных углеводородных видов топлива. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша, метанол, диметиловый эфир и синтез-газ. Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. По тем же причинам Южная Африка производит большую часть дизельного топлива из угля.

Алюминий[править | править код]

Рядом исследователей в качестве энергонакопителя был предложен алюминий. Электрохимический эквивалент алюминия почти в четыре раза больше, чем у лития. Энергия может извлекаться из алюминия путем его взаимодействия с водой с образованием водорода. Однако для реакции с водой алюминий должен быть отделен от его естественного оксидного слоя. Это процесс, который требует измельчения, а также химических реакций с едкими веществами или сплавами. Побочным продуктом реакции с образованием водорода является оксид алюминия, который может быть переработан обратно в алюминий в рамках процесса Холла-Херулта, делая реакцию теоретически возобновляемой. Если процесс Холла-Херулта запускается с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий может использоваться для хранения энергии, причем у такого процесса эффективность более высока, чем при прямом солнечном электролизе^[22].

Бор, кремний и цинк[править | править код]

В качестве альтернативных накопителей энергии рассматриваются также бор^[23], кремний и цинк^[24].

Другие химические вещества[править | править код]

Органическое соединение норборнадиен, в реакции превращения в квадрицикл, при воздействии света, сохраняет солнечную энергию, в форме энергии химических связей. Функционирующий образец был разработана в Швеции и позиционируется как молекулярная солнечная тепловая система^[25].

Электрические методы[править | править код]

Конденсатор[править | править код]

Основная статья: Электрический конденсатор

Конденсатор — это пассивный двухполюсный электрический компонент, используемый для электростатического накопления энергии. На практике конденсаторы сильно различаются, но все они содержат, по меньшей мере, два электрических проводника (пластины), разделенных диэлектриком (изолятором). Конденсатор может накапливать электрическую энергию, когда он отключен от своей зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие виды перезаряжаемой системы накопления энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания при замене батарей (это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти). В среднем конденсаторы имеют плотность менее 360 джоулей на килограмм, в то время как у обычной щелочной батареи этот параметр составляет порядка 590 кДж / кг.

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле между пластинами. Благодаря разности потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле проходит через диэлектрик, заставляя положительный заряд (+Q) собираться на одной пластине и отрицательном заряде (-Q) на другой пластине. Если аккумулятор подключен к конденсатору в течение достаточного времени, через конденсатор не может протекать ток. Однако если через выводы конденсатора подается напряжение, может возникать ток смещения.

На практике диэлектрик между пластинами пропускает небольшое количество тока в виде утечки и имеет предел напряженности электрического поля, известный как напряжение пробоя. Однако эффект восстановления диэлектрика после пробоя высокого напряжения может привести к созданию нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов^[26][27].

Сверхпроводящие индуктивные накопители[править | править код]

Система хранения сверхпроводящей магнитной энергии — сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) хранит энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже её сверхпроводящей критической температуры. Типичная система СПИН включает в себя сверхпроводящую катушку, систему кондиционирования и холодильник. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не распадается, и магнитная энергия может храниться бесконечно долго.

Накопленная энергия может быть передана в сеть путем разрядки катушки. Соответствующий инвертор / выпрямитель обеспечивает примерно 2-3 % потерь энергии в каждом направлении. СПИН теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе накопления энергии, по сравнению с другими методами хранения энергии.

Из-за энергетических требований охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода, СПИН используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии Эта система хранения применяется так же в балансировке сетки.

Мельницы[править | править код]

Классическим применением накопления энергии до промышленной революции было управление водными путями для приведения в действие водяных мельниц для обработки зерна или приводной техники. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены, чтобы хранить и выпускать воду (и потенциальную энергию, которую она содержит), когда требуется.

Домашнее накопление энергии[править | править код]

Ожидается, что накопление энергии в домашних условиях станет все более распространенным явлением, учитывая растущую важность распределенного производства возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и значительную долю потребления энергии в жилых зданиях^[28]. Чтобы повысить самообеспеченность (самостоятельность) на 40 % в доме, оборудованном фотоэлектрическими приборами, необходимо накопление энергии^[28]. некоторые производители производят аккумуляторные батареи для хранения энергии, как правило, для удержания избыточной энергии солнечной/ветровой генерации. Сегодня для хранения энергии в домашних условиях литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их аналогичную стоимость, но гораздо более высокую производительность^[29].

Tesla Motors выпускает две модели Tesla Powerwall. Одна из них представляет собой версию на 10 кВт⋅ч в неделю, а другая — версию на 7 кВт⋅ч для применения с ежедневным циклом^[30]. В 2016 году ограниченная версия, Telsa Powerpack 2, стоила 398 долларов США / кВт⋅ч для хранения электроэнергии, стоимостью 12,5 цента / кВт⋅ч (средняя цена на энергосистему США), что положительно сказывалось на рентабельности инвестиций, если цены на электроэнергию не превышали 30 центов / кВт⋅ч^[31].

Компания Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электроэнергией. Система сохраняет 1,2 кВт⋅ч энергии и 275 Вт / 500 Вт выходной мощности^[32].

Аккумуляция энергии ветра или солнца с использованием накопителя тепловой энергии, хотя и менее гибкое, значительно дешевле, чем батареи. Простой 52-галлонный электрический водонагреватель может хранить примерно 12 кВт⋅ч энергии для добавления горячей воды или отопления помещения^[33].

Электросеть и электростанции[править | править код]

Накопление возобновляемой энергии[править | править код]

Самый большой запас возобновляемой энергии предоставляется сейчас и гидроэлектростанциями. Большое водохранилище около гидроэлектростанции может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между сухим и влажным сезонами. Хотя гидроэлектростанция не накапливает напрямую энергию от прерывистых источников, она уравновешивает энергосистему, удерживая воду, когда энергия генерируется солнечным или ветровым излучением.

Важнейшее направление накопления энергии — гидроаккумулирующие электростанции. Такие регионы, как Норвегия, Уэльс, Япония и США эксплуатируют географические особенности, используя электрические насосы для заполнения резервуаров. При надобности вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество^[34].

Среди виды энергонакопителей, используемых при производстве электроэнергии, следует отметить гидроэлектростанции с насосным накопителем, аккумуляторные батареи, тепловые энергонакопители (включая расплавленные соли), которые могут эффективно хранить и высвобождать очень большое количество тепловой энергии^[35], и хранилища энергии сжатого воздуха, маховики, криогенные системы и сверхпроводящие магнитные катушки.

Избыточная мощность также может быть преобразована в метан (реакция Сабатье) с запасом в сети природного газа^[36][37].

В 2011 году Администрация энергетики Бонневилля (северо-запад США) разработала экспериментальную программу по поглощению избыточного ветра и гидроэнергии, генерируемых ночью или во время штормовых периодов, сопровождаемых сильными ветрами. При наличии центрального управления бытовые приборы поглощают избыточную энергию, нагревая керамический кирпич в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру в резервуарах с подогревом горячей воды. После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и подачу горячей воды по мере надобности. Экспериментальная система была создана с учётом последствий сильного шторма 2010 года, который довел ситуация до перепроизводства возобновляемой энергии а такой степени, что все обычные источники энергии были закрыты, или в случае АЭС — редуцированы до минимально возможного рабочего уровня, оставляя большую область почти полностью на возобновляемых источниках энергии.

Ещё один продвинутый метод, который использовался в бывшем проекте Solar Two в Соединенных Штатах и Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, получаемой от солнца, а затем преобразует её и отправляет в виде электрической энергии. Система перекачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы, которые нагреваются солнцем. Изолированные резервуары хранят раствор. Электричество производится путем превращения воды в пар, который подается в турбины.

1. ↑ Robert A. Huggins. Energy Storage. — Springer Science & Business Media, 2010-09-01. — 424 с. — ISBN 9781441910233.
2. ↑ Packing some power // The Economist. — 2012-03-03. — ISSN 0013-0613.
3. ↑ Packing some power // The Economist. — 2012-03-03. — ISSN 0013-0613.
4. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (1 августа 2014). Дата обращения 16 марта 2019.
5. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (5 сентября 2012). Дата обращения 16 марта 2019.
6. ↑ Wald, Matthew L.. Pushed Along by Wind, Power Storage Grows (англ.), The New York Times (27 июля 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
7. ↑ Gies, Erica. A Storage Solution Is in the Air (англ.), The New York Times (1 октября 2012). Дата обращения 16 марта 2019.
8. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (16 мая 2011). Дата обращения 16 марта 2019.
9. ↑ Flywheels: Spinning into Control (англ.). sciencewriter.org (22 August 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
10. ↑ Next-gen Of Flywheel Energy Storage | Product Design and Development (неопр.). web.archive.org (10 июля 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
11. ↑ Nathanael Massey,ClimateWire. Energy Storage Hits the Rails Out West (англ.). Scientific American. Дата обращения 16 марта 2019.
12. ↑ Energy-Storing Train Gets Nevada Approval (англ.). Fortune. Дата обращения 16 марта 2019.
13. ↑ Akshat Rathi, Akshat Rathi. Stacking concrete blocks is a surprisingly efficient way to store energy (англ.). Quartz. Дата обращения 16 марта 2019.
14. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (4 марта 2016). Дата обращения 16 марта 2019.
15. ↑ Braedstrup Solar Park in Denmark is now a reality! (неопр.). web.archive.org (26 января 2013). Дата обращения 16 марта 2019.
16. ↑ Liangzhong YAO, Bo YANG, Hongfen CUI, Jun ZHUANG, Jilei YE. Challenges and progresses of energy storage technology and its application in power systems (англ.) // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. — 2016-10-01. — Vol. 4, iss. 4. — P. 519–528. — ISSN 2196-5420. — DOI:10.1007/s40565-016-0248-x.
17. ↑ ScienceDirect (неопр.). www.sciencedirect.com. Дата обращения 16 марта 2019.
18. ↑ Сосенкин В.е, Михалин А.а, Вольфкович Ю.м, Бограчев Д.а. УГЛЕРОДНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ С БОЛЬШОЙ ПСЕВДОЕМКОСТЬЮ ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ // Электрохимия. — 2012. — Т. 48, вып. 4. — ISSN 0424-8570.
19. ↑ Capacitor cells — ELTON (неопр.). web.archive.org (23 июня 2013). Дата обращения 16 марта 2019.
20. ↑ B. E. Conway. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. — Springer US, 1999-04-30. — 734 с. — ISBN 9780306457364.
21. ↑ (PDF) Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: A brief overview (англ.). ResearchGate. Дата обращения 16 марта 2019.
22. ↑ Current Efficiency, Specific Energy Consumption, Net Carbon Consumption — The Aluminum Smelting Process (неопр.). www.aluminum-production.com. Дата обращения 16 марта 2019.
23. ↑ Boron: A Better Energy Carrier than Hydrogen? (28 February 2009) (неопр.). www.eagle.ca. Дата обращения 16 марта 2019.
24. ↑ The Ergosphere: Zinc: Miracle metal? (неопр.). Дата обращения 16 марта 2019.
25. ↑ Liquid storage of solar energy: More effective than ever before (англ.). ScienceDaily. Дата обращения 16 марта 2019.
26. ↑ A. Belkin, A. Bezryadin, L. Hendren, A. Hubler. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown // Scientific Reports. — 04 20, 2017. — Т. 7, вып. 1. — С. 932. — ISSN 2045-2322. — DOI:10.1038/s41598-017-01007-9.
27. ↑ Y. Chen, H. Li, F. Lin, F. Lv, M. Zhang. Study on Self-Healing and Lifetime Characteristics of Metallized-Film Capacitor Under High Electric Field // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2012-8. — Т. 40, вып. 8. — С. 2014–2019. — ISSN 0093-3813. — DOI:10.1109/TPS.2012.2200699

ru.wikipedia.org

12 домашних накопителей энергии, которые могут соперничать с Тесла …

В конце октября прошлого года Маск представил Tesla Powerwall 2.0, новое поколение своей системы аккумуляции энергии для дома. Батарея имеет улучшенный дизайн и характеристики, но самое главное, что Powerwall показывает общее видение энергетики будущего. Идея в том, чтобы эффективно совместить частные солнечные станции и аккумуляторы, и дать людям больше возможностей производить чистую энергию, быть энергонезависимыми, и экономить средства.

Читайте также:
Как сделать аккумулятор Tesla PowerWall из батарей от ноутбука (видео)
Сколько солнечных панелей и аккумуляторов нужно для вашего дома
SUN2WHEEL — самодостаточный солнечный гараж для электромобилей

Интегрированные системы аккумуляции накапливают энергию, сгенерированную солнечными панелями, или заряжаются от сети, когда солнце не светит или потребление очень высокое. Они также обеспечивают владельца дома аварийным источником энергии для экстренных случаев. И хотя такие системы еще не проникли на рынки многих стран, компактность, гарантия, и отсутствие необходимости в обслуживании делают их очень перспективными.

Но Тесла — не единственная компания, которая предлагает свои системы аккумуляторов. Подобные решения уже есть у нескольких других производителей. Именно их мы и сравним здесь.

Что собой представляет Tesla Powerwall

Tesla Powerwall 2.0 — это блок литий-ионных батарей, который весит 122 кг, и монтируется на стене. Аккумуляторы производит компания Panasonic, тогда как Tesla производит все остальные компоненты. В будущем аккумуляторы для Powerwall будут производиться на собственных мощностях Tesla — Гигафабрике.

Цена Tesla Powerwall 2.0 — около $ 5,500, включая инвертор. Она может хранить до 13,5 кВт * ч энергии.
Установка является модульной, то есть при необходимости можно объединять до девяти аккумуляторов в мощную систему. По расчетам Tesla, монтаж будет стоить около $ 1,000, и доставки начнутся с января этого года.

11 альтернатив акумуляторам Tesla Powerwall

1. Аккумуляторы LG Chem RESU выглядят крупнейшим конкурентом Tesla Powerwall на сегодня. Хотя эта модель и не получает такого медиа внимания, но по характеристикам они очень похожи. Сейчас Chem RESU очень популярны на австралийском рынке, и осваивают рынки США и Европы.

Аккумуляторы могут накопить до 6,5 кВт * ч энергии, стоят около $ 4,000, но инвертор вы можете приобрести отдельно. Цена также не включает монтаж.

2. Sunverge предлагает системы аккумуляторов, которые дадут вам от 6 до 23 кВт * ч. Блок весит до 170 кг, и должен устанавливаться сертифицированным специалистом Sunverge.
Система комплектуется соответствующим приложением, которое мониторит потребление энергии, степень заряда от солнечных панелей. Цена системы колеблется от $ 8,000 до $ 20,000 в зависимости от емкости.

3. Компания ElectrIQ создает накопители энергии для дома в США, в нем хранится 10 киловатт-часов энергии и они будут доступны в конце года. Его розничная цена составляет $ 13 000 и включает в себя стоимость инвертора. Батарея должна быть установлена квалифицированным электриком.

4. Решение от Panasоnic даст вам 8 кВт * ч электроэнергии. Прибор доступен в Австралии, но планируется выход и на рынок Европы. Известно, что Panasonic поставляет аккумуляторы для всей продукции Tesla.

5. Nissan предлагает системы аккумуляции под брендом XStorage, которые сохраняют 4,2 кВт * ч энергии. Заказы начали приниматься в сентябре прошлого года, но модель пока доступна только в Европе.
Стоимость системы $ 4,500, включая стоимость монтажа. Nissan позиционирует себя как экологически ответственный производитель, используя бывшие в употреблении аккумуляторы в своих продуктах.

6. Аккумуляторы от Mercedes-Benz пока продаются в Германии и Австралии. Каждый накопитель сохраняет 2,5 кВт * ч энергии, но их можно сочетать в блоки до 20 кВт * ч. Инвертор не входит в стоимость оборудования.
Компания оценивает свою систему от $ 9,000 до $ 10,000. Владелец может мониторить заряд аккумуляторов с помощью специального мобильного приложения.


7. Стартап Orison предлагает 18 килограмовую батарею на дому. Это значительно легче, чем Powerwall Тесла, но она имеет место лишь 2,2 кВт · ч энергии. Один Orison блок стоит $ 1600.

Тем не менее, в отличие от батареи Тесла, вам не нужно обученного электрика, чтобы установить Orison. Продукт Orison приходит в виде плоской панели на стену или в виде напольной лампы, как показано ниже. Вы можете комбинировать панели или использовать несколько стоящих единиц для увеличения хранения.

8. Sonnen, немецкая компания, продает несколько вариантов домашних батарей-накопителей емкостью до 16 кВт · ч. Экологически компактная версия изображенная здесь имеет 4 кВтч энергии и стоит $ 5950. Она поставляется с инвертором.

Sonnen недавно привлекла $ 85 млн, чтобы расширить свою деятельность в Италии, Австралии, США и Великобритании. Компания продала более 15000 аккумуляторов и в настоящее время получает две трети своих доходов от своих немецких сделок. Но компания рассчитывает увеличить свою долю доходов за рубежом в следующем году.

9. SimpliPhi — компания производитель батарей для хранения энергии в домашних условиях, занимается этим примерно с 2002 года, но ее первоначальное название было LibertyPak. SimpliPhi предлагает несколько вариантов батарей, самая большая из которых хранит 3,4 кВт · ч энергии.

Батареи SimpliPhi могут быть объединены, чтобы образовать большой аккумулятор при необходимости. SimpliPhi публично не раскрывает информацию о ценах.

10. BMW предлагает вариант батареи 6,4 кВт · ч на дому, но не дает цену за единицу. Как и Nissan, BMW принимает устойчивый подход, многократно используя батареи из своей серии i3 BMW. BMW планирует в конечном итоге предложить две единицы, которые могут хранить 22 кВт и 33 кВт · ч.

11. Serenis ESS — аккумуляторная система с украинскими корнями. Особенность системы — она включает несколько модулей — литий-ионную батарею, гибридный инвертор, высокотехнологичные контроллеры, систему онлайн-мониторинга и управления энергопотоками. Это позволяет ей работать с солнечными модулями и ветрогенераторами, продавать энергию по «зеленому» тарифу.

rodovid.me

Тяжелая энергетика | Журнал Популярная Механика

Штангисты знают, что поднять вес мало — важно его удержать. Сколько бы мы ни произвели чистой — или любой другой — энергии, от нее будет мало толка, если мы не умеем ее хранить. Но что способно накапливать гигаватт- и тераватт-часы, а в нужный момент за секунды отдать их в сеть? Только что-нибудь по‑настоящему серьезное. Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники, разработанные в Новосибирске. О них мы и поговорим, вспомнив по пути школьную физику.

Профессор из Беркли Дэвид Каммен считает электросети самой сложной машиной, которую когда-либо создавало человечество: «Она самая большая, самая дорогая, включает больше всего компонентов и при этом элегантно проста. В ее основе лежит единственный принцип — приток энергии должен постоянно равняться оттоку». Система работает как ресторан быстрого питания: сколько заказано блюд, столько и приготовлено, лишнее приходится выбрасывать. Между тем потребление электроэнергии меняется постоянно и довольно ощутимо.

Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, — днем. А ярче всего солнце светит летом. Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС. Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей.

Cравнение потребления и генерации электроэнергии различными источниками на примере декабря 2012 года (по данным BM Reports).

Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива — ниже. Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления. Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись… Есть идеи?

Варианты очевидные

Электросети начали проектировать больше века назад с учетом технологий того времени, и сегодня даже в самых развитых странах они нуждаются в модернизации, в том числе во введении «амортизирующего» компонента, накопителей соответствующей мощности. Пока что такими проектами не могут похвастаться даже США: по данным за 2017 год, все имевшиеся в стране промышленные накопители имели мощность лишь около 24,2 ГВт, тогда как генерирующие мощности составили 1081 ГВт. Текущие возможности России в области накопления — чуть больше 2 ГВт, а всего мира — 175,8 ГВт.

Почасовое потребление в Великобритании в течение одного зимнего и одного летнего месяцев 2009 года. Максимум потребления пришелся на шесть часов январского утра (58,9 ГВт), минимум — на теплый субботний вечер в июле (22,3 ГВт), разница более чем вдвое.

Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии. Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%. Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными.

Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов. Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных. Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление… Что нам остается, помимо этого?

Школьная физика

Инженеры любят простые и остроумные решения, и многие проекты накопителей основаны на довольно простой физике. Базовые формулы, позволяющие оценить энергию таких систем, проходят еще в средней школе. Скажем, вращательная кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости, что позволяет сохранять электрическую энергию во вращении тяжелого маховика. Такие накопители отличаются великолепной управляемостью и надежностью, они используются на транспорте и даже в космосе. Однако самые мощные из них способны обеспечить разве что небольшую электростанцию, стабилизируя выдачу тока, и эффективны лишь на небольших промежутках времени — не больше четверти часа.

Из той же школьной физики мы помним, что энергия идеального газа пропорциональна его давлению, что дает возможность накопить ее в виде сжатого воздуха. Емкостью для него могут служить герметичные цистерны, как у 9-мегаваттного накопителя Next Gen CAES на одной из электростанций в Нью-Йорке, штольни заброшенных шахт или естественные пещеры-каверны. На том же принципе разницы давлений работает предложенный немецкими инженерами концепт ORES. Полые бетонные емкости погружаются на дно и подключаются к офшорной электростанции: избыток энергии они накапливают, закачивая внутрь воду, а при необходимости она под давлением сжатого внутри воздуха выбрасывается наружу, запуская генератор.

Баланс на масштабах от секунд до недель Накопители энергии, работающие на разных принципах, имеют свои преимущества и недостатки, и могут подходить для различных задач. Одни оптимальны в поддержке электростанций, другие — на этапе передачи и распределения энергии, третьи — для крупных потребителей, четвертые — для конечных пользователей, в их домах и мобильных гаджетах.

Пригодится нам и энергия тепловая: например, концерн Siemens уже сооружает для одной из ветряных электростанций под Гамбургом накопитель, запасающий энергию в тепле 100 тонн камня. Избыток выработки будет направляться на их нагрев, чтобы затем груз, остывая, превращал воду в пар, вращающий турбину генератора. Впрочем, чаще энергию градиента температуры используют для накопителей энергии на солнечных электростанциях. Зеркала концентраторов фокусируют свет, раскаляя теплоноситель (обычно расплавленный солевой раствор), который продолжает отдавать тепло и днем, и ночью, когда солнце уже не светит, — в полном согласии с изученными в школе началами термодинамики.

Еще ближе нам элементарная формула потенциальной энергии тела в поле тяжести Земли: E = mgh (где m — масса груза, h — высота его подъема, g — ускорение свободного падения). Именно в таком виде запасают ее мощные и надежные ГАЭС или проект немецкой компании Heindl Energy, поднимающий водным столбом внутри цилиндра цельный гранитный поршень диаметром до 250 м. Потенциальную энергию накапливают и тяжелые железнодорожные составы проекта ARES, которые буксируют бетонные грузы вверх и вырабатывают ток, когда спускаются с ними. Но для всего этого нужно иметь наготове холм высотой в несколько сотен метров и — как в случае с ГАЭС — большую площадь под строительство… Есть ли другие возможности?

Гравитационный накопитель Проект профессора Эдварда Хейндля обещает мощность до 8 ГВт — этого достаточно для того, чтобы обеспечивать энергией 2 млн потребителей в течение суток.

Вариант почти невероятный

Накопитель в новосибирском Академгородке много места не занимает. За самым обыкновенным забором стоит новенькое здание размером с пятиэтажку — шоу-рум, в котором размещен действующий прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) высотой 20 м и мощностью 10 кВт. Внутри здания вдоль стен расположены две узкие ячейки ТАЭС шириной около 2 м и длиной около 12.

Принцип работы их основан на накоплении потенциальной энергии: двигатель потребляет электроэнергию из сети и с помощью каната поднимает наполненные грунтом полимерные мешки. Они крепятся наверху и в любой момент готовы начать спуск, вращая вал генератора. По словам основателя проекта «Энергозапас» Андрея Брызгалова, инженеры изучили почти сотню идей для промышленных накопителей энергии, но не нашли подходящего варианта и создали собственный.

Твердотельный накопитель Полномасштабная ТАЭС будет достигать 300 м в высоту и сможет накапливать до 10 ГВт·ч. При грузообороте до 14 млн т в сутки она будет производить на грунт давление до 4 кг/см2 — меньше, чем обычная пятиэтажка. Расчетный срок службы: 50 лет.

В самом деле, Россия — страна богатая, но не рельефом. «Это практически ровный стол, — рассказывает Андрей Брызгалов, — возводить ГАЭС можно лишь в отдельных районах, остальное — равнинная плоскость». В отличие от водохранилища, ТАЭС можно установить где угодно: для строительства не требуется водохранилищ и естественного перепада высот. Мешки заполняются местным грунтом, который добывают при строительстве фундамента, а строить можно в чистом поле, которого в России достаточно.

Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км² составит 10 ГВт·ч, то есть станция займет примерно в пять раз меньше места, чем аналогичная ГАЭС. Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15 млн т груза. «Ежедневный грузооборот одной такой ТАЭС будет всемеро больше, чем у крупнейшего мирового порта, Шанхайского, — объясняет Андрей Брызгалов. — Вы представляете себе уровень задачи?» Неудивительно, что дальше начинается физика уже отнюдь не школьного уровня.

«Мы не можем позволить себе строить сразу 300-метровую башню, — говорит Андрей Брызгалов, — это по меньшей мере легкомысленно. Поэтому мы делаем конструкцию минимальных размеров, при которых она обладает свойствами полноразмерной ТАЭС». Как только проект получит господдержку в рамках Национальной технологической инициативы, в «Энергозапасе» приступят к работе. Возведение 80-метровой башни мощностью более 3 МВт позволит испытать строительные решения, которые на данный момент прошли только модельные испытания на многоядерных компьютерных кластерах.

Сложная наука

В самом деле, какой бы простой ни была высотная конструкция, ей предстоит столкнуться с опасностью землетрясений и нагрузкой ветра. Но вместо обычных решений с применением все более мощных и тяжелых несущих элементов из стали и бетона ТАЭС использует массу инженерных находок. Для борьбы с ветром ее окружат защитной «юбкой», которая раскинется на ширину примерно в четверть радиуса самой станции. Она будет превращать горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку, на которую рассчитана конструкция. «Это позволяет значительно сократить расходы на металл, который применяют для компенсации изгибных нагрузок, снизить себестоимость ТАЭС и тем самым поднять ее конкурентоспособность», — объясняют разработчики.

Сейсмические колебания демпфирует сама конструкция — матрица вертикальных колонн, к каждой четверке которых подвешено до девяти 40-тонных грузов. «В любой конкретный момент перемещается лишь небольшое количество груза, остальное действует как отвес, подавляя раскачивание. Несмотря на огромную массу, даже благодаря ей мы получили самое сейсмостойкое здание в мире, — уверяет Андрей Брызгалов, — причем практически без дополнительных расходов». Легкая, простая, лишенная перекрытий, такая башня будет в несколько раз дешевле обычного здания тех же размеров.

Накопители

Тип	Мощность	Время отклика	Продолжительность накопления и отдачи	Эффективность накопления-отдачи
Гравитационные / ГАЭС, ТАЭС /	МВт, ГВт	Секунды, минуты	От часов до недель	70−85%
Термические / солевые /	МВт	Минуты	Часы	80−90%
Электрохимические / МВт Li-Ion и другие /	Вт, МВт	Миллисекунды	Минуты, часы, дни	До 98%
Механические / маховики /	Вт, кВт	Миллисекунды	Секунды, минуты	До 98%
Химические / водород, метан, этанол и т. п. /	ГВт	От секунд до минут	Часы	До 45%

Накопители

Тип	Типичные сроки службы	Оптимальные участки использования	Плюсы	Минусы
Гравитационные / ГАЭС, ТАЭС /	Десятилетия	Генерация, распределение	Дешевизна, техн. зрелость	Требовательность к строит. участку, малая плотность
Термические / солевые /	Десятилетия	Генерация	Простота, техн. зрелость, экономичность	Подходят лишь для солнечных электростанций с концентраторами
Электрохимические / МВт Li-Ion и другие /	Годы	Генерация, распределение, потребление	Высокая плотность накопления, глубоко развитая технология	Подходят лишь для солнечных электростанций с концентраторами
Механические / маховики /	Годы	Потребление	Высокая точность, отзывчивость, надежность	Не подходят для накопления в больших или достаточных масштабах
Химические / водород, метан, этанол и т. п. /	Годы	Генерация, распределение	Технология дешева и легко масштабируется от «домашних» до промышленных масштабов	Низкая плотность накопления, опасность возгорания

Несмотря на внешнюю простоту, разработка накопителя потребовала не только знаний сложной физики и материаловедения, но даже аэродинамики и программирования. «Возьмите, например, провод, — объясняет Андрей Брызгалов. — Ни один не выдержит десятки миллионов циклов сгибания-разгибания, а мы рассчитываем на полвека бесперебойной работы. Поэтому передача энергии между подвижными частями ТАЭС будет реализована без проводов». Накопитель ТАЭС буквально нашпигован новыми технологиями, и десятки инженерных находок уже запатентованы.

Матричные преобразователи частоты тока позволяют мягко и точно управлять работой моторов и сглаживать выдачу энергии. Сложный алгоритм автоматически координирует параллельную работу нескольких тележек-подъемников и требует лишь удаленного присмотра со стороны оператора. «У нас есть специалисты десятков направлений, — говорит Андрей Брызгалов, — и все они работают, не ожидая моментального результата и окупаемости проекта в ближайшие 2−3 года. При этом создано решение, равного которому нет нигде в мире. Теперь его можно лишь повторить, но сделать такое с нуля было возможно только в России, только в Сибири, где есть такие люди».

Впрочем, без уверенности в том, что проект рано или поздно станет прибыльным, ничего бы не состоялось. «Проблема российской энергосистемы — избыток мощностей, — продолжает Андрей Брызгалов. — Исторически сложилось так, что мы генерируем больше, чем надо, и это позволяет немало экспортировать, но и создает серьезный запрос на аккумулирующие мощности». По оценкам Navigant Research, к 2025 году этот рынок будет расти средними темпами в 60% ежегодно и достигнет 80 млрд долларов. Возможно, эти деньги преобразуют типичный российский пейзаж, и где-то у горизонта обычной бесконечной плоскости появятся и станут привычными гигантские гравитационные накопители.

Статья «Накопители: очевидные и невероятные» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2018).

www.popmech.ru

Какие бывают накопители энергии

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

• объем запасаемой энергии;
• скорость ее накопления и отдачи;
• удельная плотность;
• сроки хранения энергии;
• надежность;
• стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

• механические;
• тепловые;
• электрические;
• химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих устройствах энергия хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

Кинетическая энергия в колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры — и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия — это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии — это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии – десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы. Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса – полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы — не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии – до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а потребление электроэнергии на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона – это компактный внешний аккумулятор, помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для дома также не обходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, гашеная известь при нагреве переходит в негашеное состояние. При «разрядке» запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

fb.ru

Накопители энергии для эффективной работы энергосистемы

С самого момента появления электрических сетей большой проблемой была зависимость уровня потребления энергии от времени суток. В наше время к ней прибавилась зависимость выработки электроэнергии от множества факторов, быстро меняющихся в течение дня. Да, увы, такова плата за прогресс — внедрение альтернативной энергетики. Помочь решить проблему способны накопители электроэнергии.

Для гармонизации пиков производства и потребления электроэнергии нужно использовать накопители большой емкости. И в первую очередь следует определиться, где их устанавливать.

Загорская ГАЭС

Накопитель, установленный на электростанции

Довольно распространенное решение в солнечной энергетике. В готовый комплект солнечных панелей, применяемых в жилом секторе, как правило, входят аккумулятор и контроллер, управляющий его зарядом-разрядом. В итоге пользователь получает привычный ему интерфейс — стандартную розетку, с которой можно стабильно снимать мощность не выше определенного значения. На солнечных электростанциях, работающих по технологии Thermal Solar, а это, как правило, очень крупная электрогенерация, под действием солнца плавятся минеральные соли, их расплав держит тепло длительное время, хоть всю ночь. Благодаря данной особенности генерация электричества стабильно происходит круглые сутки.

Накопитель, установленный у потребителя

Решение, активно продвигаемое сейчас на рынок рядом производителей, в том числе компанией Tesla. Аккумулятор заряжается от сети в промежуток времени, который задал контроллеру пользователь. Например, это может быть временной интервал, когда цены на электроэнергию самые низкие. Тогда накопитель позволяет экономить средства клиента, а для электросетевой компании — получить реальный эффект снижения пиковой нагрузки на сеть за счет применения нескольких тарифов в зависимости от времени суток. Другое преимущество — появляется возможность подключать к электросети приборы с большей мощностью, чем позволяет линия электропередачи, идущая к клиенту. Накопитель потихоньку запасает энергию на протяжении длительного промежутка времени, а затем отдает большую мощность на протяжении относительно короткого промежутка времени. Скажем, не позволяют провода, идущие к потребителю, передавать ток более 10 А.

Но современные электропечи для кухни потребляют не менее 16 А. Выход простой — ставим накопитель. Пока вы спите или занимаетесь своими делами, он в течение 4 часов накапливает нужное количество энергии, отдавая потом в электропечь на протяжении 2 часов ток 16 А, позволяя вам запечь индейку (пример учитывает потери в преобразователе и аккумуляторе).

Накопитель, установленный в ключевых узлах электросети

Идея, на самом деле, довольно старая. Например, в 1987 году рядом с Москвой была построена Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), позволяющая сгладить пики потребления, характерные для большого города. Самый известный проект, реализованный в 2017 году — увеличение суммарной подключаемой мощности в одном из удаленных регионов Австралии без реконструкции ЛЭП. Компания Tesla поставила гигантский накопитель, который равномерно запасает электроэнергию, не создавая ярко выраженных пиковых нагрузок на ЛЭП, что позволило избежать ее реконструкции. Но клиенты электрической компании могут получать от накопителя на пиках потребления гораздо большую мощность, чем могла бы выдержать ЛЭП.

В зависимости от места установки определяется емкость накопителя. Емкость накопителя, используемого в солнечных электростанциях для индивидуального применения, составляет не более 2 кВтч. Накопители, устанавливаемые у бытового потребителя, имеют емкость не более 7 кВтч. Для промышленных потребителей под заказ изготавливают накопители емкостью 100 кВтч. Что же касается накопителей, устанавливаемых в узлах энергосистемы, то их емкость составляет порядка сотен МВт — единиц ГВт.

Аккумуляторы

Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (при-ходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.

Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме. Тем не менее для накопителей энергии, сглаживающих пики потребления в сети, данные аккумуляторы непригодны из-за ярко выраженного «эффекта памяти». При неполном разряде и последующем заряде емкость аккумулятора снижается. Требуется полностью разряжать аккумулятор и потом заряжать его до 100%. Для рассматриваемого применения такие аккумуляторы непригодны. Более продвинутые никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы обладают большей емкостью, «эффект памяти» в них менее выражен, но все-таки присутствует.

Аккумуляторы типоразмера 18650 используются в электромобилях,
и они же являются основой накопителей энергии

Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях. По мере износа аккумуляторной батареи в электромобиле производитель забирает ее себе обратно (почему — будет сказано далее). Аккумуляторы, которые уже не могут обеспечить нужную тягу электромобилю, тем не менее подходят для использования в бытовом накопителе энергии. После всестороннего тестирования их туда и ставят. Что же касается накопителей, устанавливаемых на узлах электросети, то в них используют новые аккумуляторные батареи, но есть проекты построения таких накопителей и на основе аккумуляторов, ранее стоявших в электромобилях.

Накопитель Tesla Powerwall 2

Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность. Но есть и недостатки. При неправильных зарядке и эксплуатации аккумуляторы не просто выходят из строя, они могут воспламеняться и даже взрываться. Проблема решается с помощью микропроцессорных контроллеров в зарядных устройствах, тем не менее, иногда такие устройства могут давать сбои. Литий — чрезвычайно токсичный химический элемент, вот почему производители электромобилей в обязательном порядке забирают себе обратно отработавшие свое аккумуляторы. Наконец, запасы лития в мире ограничены, уже в ближайшее время прогнозируется нехватка этого металла.

Большие надежды возлагаются на так называемые водородные аккумуляторы, в которых вода расщепляется путем электролиза на кислород и водород. Энергия хранится в виде водорода, который потом используется для выработки электричества. В настоящее время по-прежнему этот проект находится на стадии исследований, так как водород взрывоопасен и легко улетучивается из резервуара, где он хранится.

Суперконденсаторы

Принципиальным недостатком аккумуляторов является то, что электрическая энергия в них при заряде превращается в химическую, а при разряде — из химической в электрическую. Такие преобразования обуславливают потери энергии, а также ограниченное количество циклов заряд-разряд (до 3000 у массово выпускаемых Li-Ion аккумуляторов).

Решение проблемы заключается в том, чтобы накапливать непосредственно электрическую энергию в конденсаторе. В накопителях применяют так называемые суперконденсаторы (другие названия — ультраконденсаторы, ионисторы) емкостью от 1000 Ф каждый, соединенные в большие массивы.

Суперконденсаторы — перспективная технология, но пока она слишком дорогостоящая

Ультраконденсаторы имеют КПД, близкий к 100%, количество циклов заряда-разряда у них практически не ограничено. И, что немаловажно, суперконденсаторы безопасны в эксплуатации и не содержат вредных для природы веществ.

К недостаткам суперконденсаторов следует отнести дороговизну этих устройств, а также сопутствующего оборудования. Кроме этого, по плотности хранения энергии суперконденсаторы пока уступают Li-Ion аккумуляторам, что обуславливает большие размеры накопителей.

В сша был проведен эксперимент по использованию накопителя на суперконденсаторах в солнечной электростанции, питающей кампус крупного университета. В итоге эффективность работы электростанции возросла в 1,5 раза по сравнению с использованием li-ion аккумуляторов. Но пока широкого применения для сглаживания пиков энергопотребления конденсаторы не получили.

ГАЭС

Гидроаккумулирующая электростанция состоит из нижнего водохранилища, верхнего водохранилища и реверсивных турбин. При избытке электроэнергии в регионе турбины потребляют энергию, поднимая воду из нижнего водохранилища в верхнее. При недостатке электроэнергии турбины переходят в режим генерации, вода из верхнего водохранилища поступает в нижнее, в результате вырабатывается электроэнергия.

Недостатком ГАЭС является то, что при их строительстве приходится вмешиваться в уже сложившиеся природные комплексы. Кроме этого, наиболее успешные проекты ГАЭС были реализованы в горной местности, где есть твердые горные породы и легко обеспечить перепад уровней между двумя водохранилищами. Строительство Загорской ГАЭС в Московской области сопровождалось большими трудностями, связанными с оползнями, из-за чего на полную мощность электростанция заработала в 2003 году. Вторую очередь Загорской ГАЭС начали строить в 2007 году, и, по тем же причинам, на момент написания статьи строительство так и не было завершено.

Зеленчукская ГЭС-ГАЭС

Пневматические системы

Принцип их работы достаточно прост. С помощью насоса сжимается воздух и закачивается в резервуар. При необходимости расходования электроэнергии воздух выпускается из резервуара, проходя через турбину, вырабатывающую электроэнергию. Идея тоже древняя, относится к XIX веку. Главный недостаток — КПД не превышает 55%. Тем не менее в XX веке аккумулирующие электростанции на основе сжатого воздуха широко использовались в США и Германии. Кстати, в Германии для закачки воздуха использовались заброшенные соляные шахты. Но потом все сошло на нет — последняя электростанция на сжатом воздухе была запущена в США в 1991 году.

В 2010-х годах идею возродили, и на деньги Европейского союза запущен исследовательский проект Ricas 2020, направленный на поиск новых способов использования сжатого воздуха для накопления энергии с более высоким КПД. Но пока ни о каких реальных результатах не известно.

Супермаховик

Накапливать электроэнергию можно и в механическом виде. Раскрутить тяжелый маховик, и он некоторое время будет вращаться, приводя в действие генератор. Для того, чтобы не мешало трение воздуха, маховик вращается внутри герметичного кожуха, из которого откачан воздух. Технически реализовать эту идею очень просто, КПД достигает 98%. Выпускаются накопители на супермаховиках с емкостью до 25 кВтч. Но широкого применения они пока не получили. Причина заключается в том, что не удается быстро управлять отдачей электроэнергии в сеть. Кроме этого, со временем частота вращения маховика падает, и мощность, отдаваемая накопителем в сеть, падает.

Электромобиль как накопитель

В электромобиле есть аккумуляторы, выпрямитель и инвертор — все элементы накопителя для выравнивания пиков потребления электроэнергии. Почему бы не задействовать электромобиль в качестве накопителя энергии, пока он стоит в гараже?

Компании Renault и Nissan уже выпускают электромобили, способные отдавать энергию, накопленную в аккумуляторе. А Schneider Electric создала электрическую зарядную станцию, поддерживающую данную функцию. В Великобритании рассматривается вопрос о том, что-бы предоставлять электромобилям бесплатную парковку в обмен на определенное количество электроэнергии, отдаваемое во время стоянки в сеть.

Компания Renault начала выпуск электромобилей, способных работать как накопители

Наконец, в той же Великобритании рассматривается законопроект, обязывающий владельцев электромобилей подключать их к электросети для выравнивания баланса все то время, пока они не ездят. С 2018 года компания Renault проводит масштабный эксперимент на португальском острове Мадейра по испытанию технологии обратной поставки электроэнергии в сеть от электромобиля.

Будущее — за распределенным хранением энергии?

Технологии сглаживания пиков выработки электроэнергии и ее потребления, существовавшие до недавних пор, исходили из реалий XX века — централизованной энергосистемы без возможности управления оборудованием, установленным у клиента. Установка гигантского накопителя на аккумуляторах в Австралии — это всего лишь способ улучшить энергосистему, созданную в прошлом веке, но не изменить ее кардинально.

С распространением альтернативной энергетики генерация становится все более децентрализованной. При этом уже нельзя точно определить место в энергосистеме, куда следует подключить гигантский аккумулятор, чтобы выровнять баланс. По мнению автора статьи, будущее принадлежит не только децентрализованной генерации, но и децентрализованному хранению электроэнергии. В каждой квартире, в каждом офисе или заводе будет стоять локальный накопитель электроэнергии. Путем предоставления скидок или жесткого законодательного регулирования пользователя простимулируют (обяжут) подключать такой накопитель к управляющей системе. Электроэнергетическая компания будет с помощью технологии «Интернета вещей» дистанционно регулировать процесс накопления электроэнергии и отдачи ее в сеть. Тем самым будут сглаживаться пики выработки и потребления электроэнергии.

На самом деле, «первой ласточкой» такого подхода уже стали серьезные вложения британского правительства в разработку технологии использования электромобилей как накопителей для электросети и проект законодательно обязать владельцев электромобилей использовать их в таком качестве.

В итоге гигантские накопители энергии вроде ГАЭС или же огромной аккумуляторной батареи, установленной в австралийской пустыне, станут просто не нужны. Накопление электроэнергии будет осуществляться только у пользователей, в недорогих компактных устройствах. Развитие технологии суперконденсаторов позволит обеспечить надежность и безопасность таких накопителей.

Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» №3 Май-Июнь 2019

www.elec.ru

Какие существуют накопители энергии? :: SYL.ru

Концепции рационального расхода энергии становятся все более актуальными на общем фоне технологического развития. Связано это с тем, что энергоэффективность как таковая перешла из разряда дополнительных и зачастую эксклюзивных свойств в ранг одной из ключевых потребительских характеристик продукта. Достаточно вспомнить простейшие аккумуляторы, которые используются в цифровой технике, электрооборудовании, оснащении силового инструмента и т. д. Существуют и более масштабные сферы применения аккумулирующих энергию систем, для которых особенно важна экономность энергопотребления. И этот запрос находит отклик у специализированных производителей, которые выпускают накопители энергии с улучшенными эксплуатационными качествами.

Общие сведения об энергетических накопителях

В природе немало постоянных и неисчерпаемых источников энергии, которая и применяется для обслуживания различных потребностей человечества. Но для конечного ее использования она должна пройти много этапов переработки и аккумуляции. Эту функцию выполняют энергостанции и подстанции. В список их непосредственных задач входит генерация энергии с приемлемыми для использования характеристиками, а также ее преобразование и распределение. Основная инфраструктура энергообеспечения жилых домов, объектов промышленности, инженерного оборудования и других ответственных потребителей реализуется через стационарные электросети. В них осуществляется постоянное снабжение, но сегодня стабильно растет спрос на автономное оборудование, устройства и электроприборы. Специально для таких потребителей используется емкостной накопитель энергии, который является независимым источником питания, но условно – с определенными интервалами он должен и сам заряжаться от тех же стационарных сетей. Простейшим примером такого накопителя является телефонная батарея. К примеру, элемент Li-Ion может иметь емкость порядка 2000-3000 мАч. Ее будет достаточно на несколько часов или дней автономной работы обслуживаемого устройства в зависимости от его модели. Но после исчерпания этого объема аккумулятор должен подключаться к розетке на 220 В для восстановления.

Механические накопители

Данная категория накопителей имеет самую долгую историю существования. Для иллюстрации таких устройств можно привести в пример гравитационные системы. Сегодня уже почти не используются, но прежде были широко распространены подъемно-поворотные ворота с противовесами. В них используется энергия груза, которая аккумулируется и в нужный момент возвращается в той или иной форме – это зависит от конструкционного исполнения накопителя. Помимо обычных грузов, в качестве активного аккумулирующего элемента выступает и жидкость. К достоинствам таких систем можно отнести конструкционную гибкость. Инженеры могли использовать разветвленные сети трубопроводов, проходя через которые вода отдавала энергию сопряженным резервуарам. В наше время подобные накопители энергии представлены в виде гидроаккумулирующих станций. Правда, жидкостные накапливающие устройства характеризуются небольшим временем хранения, так как вода испаряется и требует регулярного обновления.

Кинетические накопители

Эту группу в основном представляют колебательные механизмы, в которых процесс аккумуляции реализуется через возвратно-поступательные, вращательные или линейные движения того же груза. Особенностью таких конструкций является то, что при необходимости возврат энергии будет осуществляться так же не беспрерывно, а порциями – тактами. Классическим примером кинетического накопителя являются механические часы. В данном случае «заряд» производится посредством завода механизма, после чего следует постепенная отдача энергии от пружинного маятника. Более современную интерпретацию кинетических механизмов представляет гироскопический аккумулятор. Накопитель энергии в этом случае базируется на вращающемся маховике с ударной функцией. Такие системы находят применение в гидравлической и пневматической технике.

Тепловые накопители

С технологической точки зрения это простейший пример аккумуляции энергии, с процессами которого человек встречается повсюду. Нагретый под прямыми лучами солнца металлический забор уже становится аккумулятором тепла, так как сохраняет его в своей структуре. Также и другие материалы могут выступать накопителями тепла. Эффективность их работы в этом качестве будет зависеть от удельной и объемной теплоемкости. К примеру, теплоемкость воды составляет 4,2 кДж, а у стали она небольшая – лишь 0,46 кДж. И все же когда речь идет о целенаправленной аккумуляции, то чаще используют металлические накопители тепловой энергии или масляные. Это решение оправдано стремлением к оптимизации конструкции. Современные конвекторы и радиаторы преимущественно изготавливаются из стали и алюминия. Опять же, некоторые модели наполняются более выгодными в показателях удержания тепловой энергии материалами.

Электрические накопители энергии

Самый массовый вид энергии – электричество. Поэтому данная категория развивается наиболее активно, предлагая все новые и более совершенные решения. На данный момент самым распространенным аккумулятором электроэнергии является радиотехнический конденсатор. Он характеризуется высокой скоростью отдачи и накопления энергии, не ограничивая рабочие процессы окружающими условиями. Например, большинство моделей могут использоваться в условиях повышенных или крайне низких температур. И опять же, в целях оптимизации электрические накопители энергии наполняются специальными электролитическими элементами с высокой удельной емкостью.

Химические накопители

В процессе работы таких накопителей происходит химическая реакция. Источником энергии в данном случае будет сама организация условий для этой реакции и обеспечение активности задействованных компонентов. Причем на выходе может образовываться энергия разных типов. Например, из воды может выделяться водород в ходе прямого электролиза. Чаще всего при таких способах накопления выделяется именно топливо. Оно может быть преобразовано внутри комплекса обеспечения химической реакции или же передаваться потребителю в первоначальном виде. Поэтому накопители энергии могут выступать и преобразователями, хотя подобное расширение функций технически усложняет систему.

Электрохимические накопители

Этот вид накопителей, как видно из названия, является комбинированным или гибридным. Поскольку химические реакции отличаются высокой степенью эффективности и дешевизной, их логично объединили с задачей выработки наиболее востребованного типа энергии – электричеством. Активным элементом в таких устройствах выступает электролит. В частности, накопитель энергии для телефона обычно изготавливается на основе литий-ионных или литий-полимерных элементов. Это же касается аккумуляторных блоков для электроинструмента. По характеристикам это вполне выгодные элементы питания, отличающиеся достойной производительностью, высокой емкостью и небольшими размерами. Но электрохимические батареи имеют ограниченное число циклов заряда-разряда, в чем и заключается их главный минус.

Современные решения

Передовые компании, занимающиеся разработкой высоких технологий, продвигают и направление емкостных аккумуляторов. Так, например, инженеры Tesla создали блок Powerwall 2 массой 122 кг, основанный на тех же литий-ионных батареях. Данная установка является модульной и способна хранить порядка 13,5 кВт*ч. Аналогичные разработки предлагает LG. Например, система Chem RESU вмещает порядка 10 кВт*ч, но в остальных эксплуатационных качествах не уступает блоку Tesla. Данный аккумулятор является универсальным накопителем энергии, который можно использовать как в быту, так и в промышленности на производствах. Главное, чтобы мощности соответствовали требованиям к потребляющим системам.

Заключение

В сегменте энергетических накопителей также выделяются разные направления технологического развития. Объединяются они лишь одним – соответствием требованиям конечных потребителей. К примеру, накопители электрической энергии для малогабаритной аппаратуры и оборудования должны отвечать требованиям надежности и безотказности. Широкий рынок цифровой техники скорее ориентирован на компактные размеры накопителей и повышение их емкости. Очевидно, что совместить в одном устройстве все перечисленные качества непросто, поэтому разработчики все же стремятся изначально ориентировать свою продукцию на конкретные области применения.

www.syl.ru

Готовые комплекты МАП «Энергия»

Бесперебойное питание на базе инверторов: как правильно выбрать систему?

Современные модификации инверторов МАП «Энергия» зарекомендовали себя как надежные и качественные приборы с широкими возможностями. Как правильно подобрать систему под свои потребности из всего ассортимента предложений не переплатив за лишние функции? Представим простой алгоритм.

1) Выбор мощности

Нужно иметь ввиду, что соответствующие параметры, указанные в названии МАПа, относятся к максимальной мощности, которую инвертор способен продержать 20-30 минут. Показатель номинальной мощности в 1.5 раза меньше, так:

• МАП SIN «Энергия» Pro 4.5/48 имеет максимальную мощность: 4,5кВт; номинальную: 3кВт, пиковую: 7кВт
• МАП SIN «Энергия» Pro 6.0/48 имеет максимальную мощность: 6кВт; номинальную: 4кВт, пиковую: 9кВт.

При расчете имейте ввиду, что максимальная длительная нагрузка (свыше 2-х часов) на инвертор не рекомендуется свыше 60% от номинальной мощности.

Как посчитать мощность потребителей в частном доме? Вам нужно открыть распределительный электрощиток (ГРЩ) и определить, какие автоматы вы будете резервировать, а затем посчитать все необходимые параметры вам поможет:

Калькулятор расчета мощности и потребления

Если необходимо быстро прикинуть мощность , то условно можно рассчитывать так:

• для газифицированного дома площадью 100-200кв. м достаточно модели МАП 6.0/48
• до 300-350кв.м – 9.0/48
• если выше следует обратить внимание на модели от 12кВт.

2) Автономия

Как выбрать аккумуляторы? Для этого нам необходимо понимание усредненной мощности нагрузки на инвертор и желаемого времени автономной работы в случае отключения электричества. Первое можно получить из нашего калькулятора расчета мощности, а второе – это вопрос вашего желания. В описаниях к нашим комплектам вы можете найти таблицу «Мощность/Автономия», которая позволит легко сориентироваться. Имейте ввиду, усредненная нагрузка существенно ниже суммы мощности всех приборов, т.к. редко вся нагрузка работает одновременно.

В представленных комплектах мы используем надежные и качественные аккумуляторы Delta серий DTM и HR, Leoch серий DJM сроком службы 10-12лет, оптимально подходящих для условий работы с инверторами. К инверторам с цифровым обозначением «—/24» — подключается последовательно 2 и более аккумуляторов, кратным 2 (4-6-8шт.) (подключение дополнительных АКБ осуществляется паралельно-последовательно). При максимальной мощности свыше от 6 кВт мы рекомендуем использовать схему «—/48», т.е. с подключением 4-х и более АКБ, кратным 4 (8-12-16шт.)

3) Подключение

Схема монтажа зависит от того, какие потребители будут подключены к бесперебойному питанию. Рассмотрим несколько вариантов:

а) Инверторы мощностью до 3кВт можно подключать через вилки/розетки. Т.е. у вас есть блок бесперебойного питания с розетками, к которому можно подключиться в случае отключения «света»

б) Резервирование части или всех потребителей при однофазном подключении дома: в этом случае, вы определяете автоматы, и монтажник их выводит на питание через инвертор.

в) Часть потребителей при трехфазном подключении дома: если схема электрики позволяет, все автоматы в щитке выбранных потребителей подключаются на одну или две фазы.

г) Резервирование всего дома, подключенного по трехфазной схеме или при невозможности выделить потребителей на одну фазу. Тут есть два пути:

• использование АКФ – автоматический коммутатор фаз, который соединит все фазы в случае отключения электричества и запитает их от инвертора
• поставить три инвертора по одному на каждую фазу, но с одним батарейным банком

Специалисты компании «Ток» имеют большой опыт реализации всех возможных сценариев монтажа с минимальной стоимостью для заказчика. Стоимость монтажа зависит от сложности и степени подготовленности объекта. Примеры некоторых наших работ вы можете посмотреть в блоге.

Дополнительные возможности и опции

Работа с генератором

В случае, если вы сталкиваетесь с отключениями электричества на длительное время (от 16 часов и более) или вы проектируете автономное электропитание, можно рассмотреть систему бесперебойного электроснабжения в совокупности с генератором и тут возможны два варианта:

• Автоматический запуск генератора в случае, если заряд на аккумуляторах близок к минимальному: МАП Dominator даст сигнал на запуск электростанции и заглушит её, когда заряд АКБ закончится.
• Ручной запуск генератора. При минимальном заряде АКБ, при соответствующих настройках, МАП начинает издавать звуковые сигналы. Вы запускаете электростанцию и переключаете реверсный рубильник – питание пошло на инвертор, который продолжает питать нагрузку и параллельно зарядит АКБ.

В паре с МАП через сетевой фильтр мы рекомендуем использовать генераторы инверторного или щеточного типа, т.к. они дают достаточно качественный синусоидальный сигнал на выходе и не повредят импульсными выбросами бытовую и мультимедийную технику.

Подкачка мощности

Часто управляющие компании коттеджных поселков ограничивают максимальную мощность, выделенную на участок, а подключение дополнительной неоправданно дорого. Но есть выход – использование инвертора МАП серии Hibrid, который способен подкачивать недостающую мощность с аккумуляторов в пики потребления, которые, как правило, не очень продолжительные.

Стабилизаторы напряжения и УЗМ-51М

В инверторах МАП «Энергия» отсутствует встроенный стабилизатор напряжения, как и у всех профессиональных инверторов на рынке. В связи с этим, мы рекомендуем устанавливать дополнительную защиту для ваших потребителей:

• Если напряжение «скачет», просаживается или ниже/выше нормы следует перед МАПом установить стабилизатор напряжения.

Бюджетный, но надежный релейный стабилизатор мощностью 6800Вт

Гибридный стабилизатор: релейниый+электромеханический (8000Вт)

Электронный быстродействующий стабилизатор (8000Вт)

Мощность: 6,8кВт Диапазон: 120-285В
Точность: 5-8% Родина: Китай

10 820р.

Тип: гибридный; 10кВА
Предельный диапазон: 105-265В
Точность: 10%
Производство: Китай

15 100р.

Тип: тиристорный; 10кВА
Предельный диапазон: 110-320В
Точность: 4,5%
Производство: Россия

45 760р.

• Если напряжение стабильно, мы рекомендуем использовать реле контроля напряжение со встроенным вариатором (защита от импульсов) — УЗМ 51М.
• При воздушном вводе в дом дополнительно УЗИП (защита от «молний»).

Солнечные панели

КПД солнечных батарей растет, как и стоимость кВт/ч от энергетических компаний и, в связи с этим, использование солнечной энергетики становится всё более актуальным. МАП сери Hibrid и Dominator имеют возможность работы с солнечными панелями посредством MPPT-контроллеров.

Паспорт-инструкция к МАП «Энергия»

tok-shop.ru