61 178 subscribers

Перспективные технологии буферизации в альтернативной энергетике

4,5k full reads
5,4k story viewsUnique page visitors
4,5k read the story to the endThat's 83% of the total page views
3,5 minutes — average reading time
Внутреннее строение ВЭУ.  Картина из интернета
Внутреннее строение ВЭУ. Картина из интернета

Самым проблемным (узким) местом в альтернативной энергетике является  буферизация. То есть, затраты ресурсов на выравнивание и аккумулирование энергии. Согласно исследованию, буферизация - неотъемлемая часть любой электростанции. 

В современном мире самый эффективный способ буферизации по всем энергоэкономическим показателям  - это гидроаккумулирующие электростанции. Я упоминал ГАЭС в статье про свой проект.  

Но, обо всём по порядку. 

Электрохимические источники. 

Аккумуляторы Powerwall. Картина из интернета
Аккумуляторы Powerwall. Картина из интернета

Наиболее удачными в промышленной буферизации можно считать аккумуляторы Powerwall.

Но, как и все электрохимические аккумуляторы, они не «вечные». 

Исходя из условий эксплуатации, потеря мощности доходит до 10% за 2 года, и раз в 6–8 лет они подлежат полной замене. Да, они могут сохранить рабочее состояние в течение 10 лет, но утрата 1/3 мощности от изначальной является недопустимой в промышленной буферизации. Потому промышленная буферизация энергии, основанная на литий-ионных аккумуляторах, или других современных электрохимических источниках энергии, будет существенно дороже, чем само производство электроэнергии.

 Однако, это второй по эффективности после ГАЭС способ аккумулирования электроэнергии, реально применяемый в промышленности.

Гравитационные накопители энергии. 

Проектируема гравитационная башня. Источник - youtube.
Проектируема гравитационная башня. Источник - youtube.

На сегодняшней момент являются экспериментальными. Вся суть в том, чтобы запасать электрическую энергию с помощью поднятия грузов на высоту. Принцип работы таков: при излишках энергии, мотор-генераторы начинают поднимать груз, тем самым переводя электрическую энергию в потенциальную. Потенциальная энергия груза хранится на высоте, пока не понадобится для использования. Груз опускается вниз, раскручивая генераторы, а они вырабатывают электрическую энергию.

Идея простая, но сложнореализуемая, так как нужно сконструировать совершенную с инженерной точки зрения установку, где был бы найден компромисс между мощностью, стоимостью, и эффективностью данного накопителя энергии. 

Проектов существует большое количество, начиная от вагонеток, которые катятся по рельсам, заканчивая различными экспериментами с жидкими рабочими телами. 

Плюсы подобного метода буферизации – простота конструкции, а значит надёжность всего комплекса и, как следствие, «дешевизна» подобной конструкции. 

Минусов достаточно: 

1. Удельная энергоёмкость, то есть мощность, которую может накопить в себе подобная конструкция, очень маленькая.  Существует наглядный пример: чтобы вскипятить воду в литровом чайнике, нужно запасти столько энергии, сколько выработается при падении груза массой в 1 тонну с 35 метров! 

2. Энергия грузов, не может высвободиться в короткий промежуток времени - свободное падение тел накладывает физические ограничения. На Земле тело не может свободно ускоряться (то есть увеличивать свою кинетическую энергию) быстрее, чем 9,8 м/с². Это прирост энергии менее 10 Джоулей на каждый килограмм массы тела, пролетевшего 1 метр пути, и это без учёта естественного сопротивления самого генератора и воздуха. 

Однако, согласно расчётам и заявлениям компании «Energy Vault» , которые строят уже промышленную гравитационную экспериментальную станцию, КПД будет 85%, а общая эффективность в 5 раз превзойдёт эффективность лучших промышленных аккумуляторов.

Невзирая на все недостатки, этот проект действительно может существенно сократить затраты на буферизацию альтернативных источников энергии. 

Воздух.

Газотурбинная пневматическая электростанция. США 1991 год.
Газотурбинная пневматическая электростанция. США 1991 год.

Сжимая воздух фактически до жидкого состояния, можно затем (при его расширении) получить высокую мощность. По расчёту, сжимая 1 кубометр воздуха в 500 раз, запасается около 50 кДж энергии. 1 Кубометр воздуха весит 1 килограмм. Требуется сжать 7 кубометра воздуха, чтобы вскипятить литровый чайник. Это уже лучше, чем поднимать груз в 1 тонну на высоту 35 метров. 

Эта идея известна давно, даже разработан транспорт на сжатом воздухе. Но почему она до сих пор промышленно не реализована? Дело в КПД пневматического аккумулятора. Почти половина энергии переходит в тепло, тем самым снижая КПД до 40%.

Есть теоретически изыскания на проблему повышения КПД до 80%, однако за 15 лет подобных рассуждений и заявлений, не представлено ни одного действующего прототипа, а только отдельные агрегаты.

Современный реальный пневматический аккумулятор – слишком малоэффективный.

Остальные технологии промышленного хранения энергии (криогенные, или термические, аккумуляторы) дальше чертежей и лабораторных испытаний так и не продвинулись. 

Кинетические аккумуляторы. 

20 Мегаваттная станция состоящая из 200 маховиков. Городе Хейзл, штат Пенсильвания, 2014 год.
20 Мегаваттная станция состоящая из 200 маховиков. Городе Хейзл, штат Пенсильвания, 2014 год.

Маховик накапливает энергию, вращаясь. А замедляясь, отдаёт энергию. В теории маховик, изготовленный из карбона, способен накопить до 1.8 МДж энергии на 1 килограмм массы. Это в 7 раз больше энергии, чем в аккумуляторах Powerwall.

Однако, теория расходится с реальностью. Эксперименты с маковичными накопителями энергии идут уже более 50 лет. Созданы промышленные образцы, выявлены характеристики. Маховики - наиболее проработанный тип промышленный аккумуляторов будущего, и требует написание отдельной статьи. 

Перспективных технологий по накоплению энергии довольно много. Даже есть проекты плазменных аккумуляторов. Но реально есть 5 технологий, которые можно промышленно освоить в настоящее время.

1.ГАЭС.

2.Гравитационная башня. 

3.Литий-ионные аккумуляторы, и их разновидности.  

4.Сжатый воздух.

5.Маховики. 

Из них наиболее перспективным источником  для альтернативной энергетики считается гравитационная башня. 

Допустим, гравитационная башня окажется успешной реализацией буферизации для альтернативной энергетики. Как она повлияет на общий EROEl? Об этом в следующей статье