Маховик как аккумулятор

6 December 2019
Кинетический накопитель НКЭ-1В. С маховиком массой 700 кг, и мощностью 4 МДж (1,1 кВт*ч.).
Кинетический накопитель НКЭ-1В. С маховиком массой 700 кг, и мощностью 4 МДж (1,1 кВт*ч.).

В первой части я кратко описал причину, по которой маховик до сих пор не стал «аккумулятором будущего».

Однако, одно из преимуществ маховика – способность без ущерба самому себе отдавать огромную энергию за маленький промежуток времени. Этакий механический конденсатор. Получается, он и аккумулятор, и конденсатор в одном лице. Вот это свойство и используется сейчас в промышленности и технике.

Практически все дата-центры используют системы динамического источника бесперебойного электропитания. Это гибрид дизель-генератора с маховиком. Такое решение может поддерживать до 5 секунд бесперебойного питания, пока дизель-генератор не наберёт требуемую мощность.

Дизель-роторный источник бесперебойного питания.
Дизель-роторный источник бесперебойного питания.

Есть и огромные, размером с многоэтажный дом, маховики, поддерживающие питание на заводах.

Маховики применялись и в транспорте. Гиробусы (автобус с маховиком) 1950-х годах, в Швейцарии имели маховик массой около полутора тонн, разогнанный до 3000 об/мин, который обеспечивал запас хода в 6 километров.  Подробнее об этом можно почитать тут.

Гиробус
Гиробус

До сих пор транспортные средства являются предметом научно-технически деятельности. Маховики, как рекуператоры энергии, начали применяться в «Формуле-1».

KERS (Система рекуперации кинетической энергии) Формула 1, сезон 2009 г.
KERS (Система рекуперации кинетической энергии) Формула 1, сезон 2009 г.
KERS в разрезе.
KERS (Система рекуперации кинетической энергии) Формула 1, сезон 2009 г.

И сейчас рассматриваются как рекуператоры для легкового гражданского автотранспорта.  Железнодорожный транспорт тоже не остался без маховиков. Даже в игрушках они есть. 

Авианосец USS Gerald R. Ford. Его электромагнитные катапульты используют маховики как источник высокомощной импульсной энергии.
Авианосец USS Gerald R. Ford. Его электромагнитные катапульты используют маховики как источник высокомощной импульсной энергии.

На самом передовом авианосце «Джеральд Р. Форд» маховики питают электромагнитные катапульты. Потому что ни одна технология больше не способна настолько продуктивно работать.

Они способны накопить энергию в 122 МДж (эквивалентно потреблению 34 кВт•ч) за 45 секунд, и отдать её в сеть за 2-3 секунды. 

Другое дело – кинетические накопители энергии на основе супермаховика. Тут уже сложнее.

Эти устройства прямо предназначены для буферизации электроэнергии, выравнивания частоты и мощности. 

Этап балансировки маховика из углеродного волокна. "Beacon Power".
Этап балансировки маховика из углеродного волокна. "Beacon Power".

Маховик нужно изготавливать из легких композитных материалов, чтобы он мог выдержать требуемые нагрузки и обеспечить электромагнитную левитацию, и раскручивать его до скорости 45000–60000 об/мин. При этом важно качественно снимать запасённую энергию. 

Такие кинетические накопители энергии используются для выравнивания пиков генерации и потребления энергии. Однако, все эти проекты являются больше исследовательскими, чем коммерческими. 

Например, Немецкая компания STORNETIC, в 2018 году начала крупномасштабные испытания своей системы хранения энергии. Это 24 маховичных накопителя энергии, суммарной мощностью 86 кВт•ч. 

Каскад кинетических накопителей энергии. "STORNETIC".
Каскад кинетических накопителей энергии. "STORNETIC".
Монтаж комплекса для буферизации энергии и частотного регулирования биогазового комплекса в г.Гангельт.
Каскад кинетических накопителей энергии. "STORNETIC".
Станция "буферизации" контейнерного типа мощностью 86 кВт*ч.
Каскад кинетических накопителей энергии. "STORNETIC".

С их идеями можно ознакомиться тут.

А также, представлена наглядная анимация.

Наибольшим опытом разработки и эксплуатации маховичных накопителей энергии обладает американская компания «Beacon Power».

С 2008 года в промышленной эксплуатации находится более 400 маховичных накопителей, а общая наработка превысила 9 миллионов часов. 

На сегодняшний день в США реализовано два проекта. В штате Пенсильвания (г. Хейзл) реализован проект станции мощностью 20 МВт, обеспечивающей частотное регулирования в электросети. Эта станция включает в себя 200 маховиков, которые полностью вышли на пик своей эксплуатации в 2014 году. 

Монтаж комплекса в г.Хейзл.
Монтаж комплекса в г.Хейзл.
Идут пусконаладочные работы
Монтаж комплекса в г.Хейзл.
Станция вышла на полную мощность в 2014 году.
Монтаж комплекса в г.Хейзл.

И их пилотный проект в штате Нью-Йорк (г. Стефентаун), где также 200 маховиков обеспечивают частотное регулирование мощностью в 20 МВт.

Монтаж комплекса г.Стефентаун.
Монтаж комплекса г.Стефентаун.
Станция в эксплуатации с 2011 года.
Монтаж комплекса г.Стефентаун.

Несмотря на всю непростую судьбу этого проекта, он вполне доказал состоятельность этой идеи.

Однако, технология довольно сложна, слишком много нюансов и сложностей возникло в период разработки этого проекта. Компания даже успела разориться.

15 лет разработок и испытаний - это довольно долго для подобных проектов.

Маховик как аккумулятор
Маховик как аккумулятор

В результате имеется продукт, который в принципе состоятельный, но не привлекательный… 

Сама идея меня привлекла. Я тоже в стороне не остался и попробовал в «домашних условиях» намотать маховик из стекловолокна. 

Конечно, у меня получилось не то, что я желал. Да и отбалансировать его я самостоятельно так и не смог. 

Началось всё хорошо.
Началось всё хорошо.
И продолжалось тоже.
Началось всё хорошо.
"Данунах"
Началось всё хорошо.
Маховик как аккумулятор
Началось всё хорошо.

Моя жена, увидев это, рассмеялась и спросила:" Зачем ты поросёнка зажарил?" Но это уже другая история. 

Применение маховика и супермаховика можно найти где угодно, но фундаментальный недостаток, заключающийся в огромном саморазряде, сильно ограничивает полномасштабное применение. 

И все достоинства (КПД до 90%, неограниченный цикл заряда-разряда и долговечность) не могут компенсировать его саморазряд. Фактически, маховичный накопитель всегда должен работать в сети, которая поддерживает его в рабочем состоянии. Но если сеть обесточить, через сутки маховик остановится… 

Забегая вперёд, скажу, что и мой проект прямо связан с идеями Нурбея Гулиа, а также с концептуальной идеей компании "STORNETIC" и опытом компании "Beacon Power" и компании «ТВЭЛ» в эксплуатации газовых центрифуг

Давайте представим, что удалось решить проблему подвески супермаховика, и теперь он работает и не требует дополнительных затрат энергии.

Какой накопитель по характеристикам мы получим?

Об этом в следующей статье.