Настоящее богатство измеряется не только в денежных знаках, но и в возможности обеспечения себя необходимым количеством энергии. Последние события в мире только подтверждают эту мысль.
Все известные человечеству способы хранения энергии обладают теми или иными недостатками. Прежде всего, они довольно дороги и недостаточно эффективны. Ко всему прочему тревожит истощение запасов ископаемых источников энергии, которые использует человечество, а также их неблагоприятное влияние на экологическую обстановку. А это значит, что по прошествии некоторого времени человечеству придется задуматься над поиском альтернативы — дешевой, мощной и эффективной системы получения и накопления энергии. Ведь сама Планета подталкивает нас к этому!
Что понимают под энергоносителем, энергией и энергонакопителем
Чтобы разобраться в проблеме и найти пути ее решения, нужно разобраться в понятиях.
Энергоноситель — это любая субстанция, которая после некоторых преобразований может дать полезную энергию. Примеры, которые у всех на слуху, — нефть, уголь и газ. Менее распространенный, но становящийся более актуальным энергоноситель — дрова. Более распространенный, но не такой очевидный пример энергоносителя — еда, которую ежедневно потребляет человек.
Энергия, которая выделяется при переработке энергоносителя, обычно сразу пускается в дело и может приносить пользу — обогревать и освещать жилье, двигать автомобили и ракеты, позволяет продолжать существование живым организмам. Но получение энергии из энергоносителя — иногда сложный и высокотехнологичный процесс. Пример — генерирование электрической энергии на электростанциях. Поэтому лучшие умы человечества задумываются о том, чтобы энергию после генерации можно было накапливать, а потом в нужное время в нужном месте использовать, не тратя при этом энергоноситель.
Из накопителей электрической энергии самые известные — аккумуляторы, которые есть в любом современном гаджете. Согласитесь, идея прекрасная — зарядить от электростанции аккумулятор, а потом через некоторое время, переместившись в пространстве, использовать его энергию. Не привлекая при этом уголь, газ и ядерный распад. Все хорошо, но получить электроэнергию от аккумуляторов в приемлемом виде (220 В 50 Гц) и в достаточном количестве — до сих пор большая проблема. И 99 % электроэнергии, которой мы пользуемся, — это та энергия, которую выработал генератор на электростанции в данный момент. Никакого накопления и преобразования при этом не происходит — только трансформация (понижение уровня напряжения).
Другой альтернативный путь — поиск дешевых источников энергии и способов ее преобразования. Но в этой статье я не буду говорить о получении дешевой энергии из эфира или вакуума. Не стану затрагивать и мошеннические системы с КПД более 100 %. Я расскажу, какие существуют реальные альтернативные способы накопления энергии и какое у них будущее. Но сначала — что мы имеем на сегодняшний день.
Проблемы существующих систем накопления энергии
В системах накопления энергии большое распространение получили литий-ионные (литиевые) аккумуляторы и их разновидности. Они обладают высокой плотностью запаса энергии (удельной энергией, Вт·ч/кг) и сравнительно недороги. Но, как уже было сказано, разработанные системы накопления энергии имеют свои недостатки, которые существенно осложняют их повсеместное применение.
Для литий-ионных аккумуляторов критически важно количество циклов заряда и разряда, которые они могут выдержать. Также очень важен температурный режим, своевременное обслуживание, а вся система стоит весьма больших денег. Но самое главное — они очень хорошо горят! В качестве примера могу привести пожар в Австралии, произошедший в 2021 году. Загорелось одно из крупнейших на планете хранилищ электроэнергии — TeslaMegapack, оборудованное литий-ионными аккумуляторами, общая емкость которых составляет 450 МВт·ч.
К слову сказать, тушить водой такие пожары нельзя — это только способствует горению.
Борьба с огнем продолжалась с 30 июля по 2 августа 2021 года. После ликвидации пожара было проведено расследование, которое установило, что возгорание произошло из-за серии коротких замыканий, вызванных утечкой охлаждающей жидкости. Кроме этого инцидента, в мире произошло еще несколько подобных возгораний. В результате было решено приостановить строительство хранилищ электроэнергии промышленных масштабов на литий-ионных батареях.
Активно ведутся разработки и внедрение так называемых проточных аккумуляторов (редокс-батарей), в которых происходит прокачка электролитов на основе солей ванадия через специальный коллектор, разделенный ионоселективной мембраной. Технология держится в секрете, но ясен ее главный плюс и преимущество — абсолютная пожаробезопасность. Главный минус — низкая удельная энергия. И, конечно, как и у любой новинки, кусается цена.
Философия хранения энергии
Большинство современных систем генерации электроэнергии (даже альтернативные) имеют общий недостаток. Полученную энергию требуется преобразовать, сохранить, а затем преобразовать еще раз, чтобы использовать. Например, при работе ветровых или солнечных электростанций механическая или световая энергия преобразуется в электроэнергию, а потом в химическую энергию. Чтобы ее использовать, нужно еще минимум одно преобразование.
При преобразовании значительная часть энергии теряется, причем безвозвратно. Ведь коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя не может быть равен 1. Хорошим показателем будет КПД, равный 0,8. Однако если мы полученную энергию преобразуем для хранения, а затем сохраненную энергию преобразуем обратно, то при таком двойном переходе КПД будет уже меньше и составит в лучшем случае 0,64.
Логика подсказывает, что для повышения эффективности преобразовывать полученную энергию не стоит. В идеале нужно использовать энергию в том виде, в котором ее получили. Например, тепловую энергию — для обогрева, механическую — для движения.
А теперь давайте посмотрим на альтернативные системы накопления энергии, разработка которых ведется по всему миру.
Гравитационные накопители энергии
Перспективные гравитационные системы хранения энергии пока только разрабатываются, к тому же реальная экономическая эффективность их находится под вопросом. Пока компанией Gravitricity в Шотландии построен прототип на 250 кВт стоимостью 1 млн фунтов.
Конструкция такой системы представляет собой два груза по 25 тонн каждый, которые подвешены на вышке, высотой в 16 метров. Для подъема их используется электромотор, а при движении грузов вниз под воздействием гравитации вырабатывается электроэнергия. Получается, что система накапливает потенциальную энергию, которая затем в любое время может быть преобразована в электричество.
Большой плюс такой системы — для накопления может быть использован маломощный мотор или другой привод, если есть время и возможность. А генератор может быть гораздо большей мощности, только выдаваться она будет непродолжительное время. Также могут использоваться опускаемые в шахту грузы. А их подъем может быть за счет других видов энергии — например, от периодического затопления шахты водой в результате приливов. Зачем пропадать такой мощной энергии зря?
Песчаная батарея
Очень часто решение сложных проблем лежит у нас буквально перед носом, ну или под ногами. Нужно только уметь это увидеть. Энергию может накапливать обычный песок. Все просто — такие материалы, как камень или песок, обладают высокой теплоемкостью, то есть они способны много раз нагреваться до значительных температур, а затем медленно остывать.
Если создать аккумулятор тепловой энергии, где в качестве рабочей среды будет применен песок, в длительной перспективе такой способ хранения будет намного эффективнее химических аккумуляторов. Ведь песок не будет деградировать, а значит, количество циклов заряд-разряд неограниченно. Песок — экологически безопасный ма-териал, и его просто утилизировать. Ну и ко всему прочему песок очень дешев, он повсюду.
Недавно финская компания PolarNightEnergy построила первое коммерческое хранилище энергии на основе песка. Хранилище представляет собой стальной бункер диаметром 4 метра и высотой 7 метров, внутрь которого помещен обычный низкосортный песок в количестве 100 тонн.
При помощи продуваемого по трубам горячего воздуха песок может нагреваться до температуры 400-600 °С. Энергию для нагрева получают от возобновляемых источников энергии (солнечный свет и ветер) и от системы охлаждения сервера для обработки данных.
Такая система может накапливать и выдавать до 8 МВт·ч тепловой энергии при номинальной мощности 100 кВт. Хранить запасенную энергию можно в течение нескольких месяцев. Хранилище уже обеспечивает работу централизованной системы городского теплоснабжения, а также муниципального бассейна.
Нужно отметить, что такой накопитель обладает очень высоким КПД, поскольку преобразования энергии не происходит — тепловая энергия накапливается по мере возможности и отдается по мере необходимости. Кроме того, радует невысокая цена системы, минимальное количество обслуживания и расходных материалов, а также экстремально высокая долговечность. Система может быть размещена в заброшенных шахтах и бункерах и легко масштабируется.
Для Финляндии, зима в которой очень продолжительная и холодная, такая система является чрезвычайно важной. Ведь применение таких аккумуляторов тепла позволяет эффективно использовать возобновляемые источники энергии, а из-за последних событий важность этой технологии для Финляндии трудно переоценить.
Несомненно, система имеет и минусы, среди которых — необходимость применения контроллера. Система должна отслеживать множество датчиков и регулировать уровни теплообмена.
Механизмы с маховиком
Как эффективно хранить механическую энергию? Есть один способ, притом весьма старый — использовать маховик. При помощи маховика теоретически можно накапливать очень большое количество энергии. Устройства накопления меха-нической (кинетической) энергии называются гироаккумуляторами.
В качестве примера можно привести изобретение И. П. Кулибина. В 1791 году он изготовил коляску с педальным приводом и маховиком — «самокатку». Это транспортное средство кроме водителя еще и перевозило двух пассажиров. Маховик при помощи педалей раскручивался до требуемой скорости, а затем посредством механической передачи движение передавалось на колеса. Накопленная в маховике энергия позволяла «самокатке» без труда преодолевать подъемы.
Различные изобретатели постоянно экспериментировали с устройствами, в которых применялись маховики. В 1945 году в Швейцарии фирмой «Эрликон» был разработан опытный образец гиробуса — альтернатива грязным и шумным автобусам с двигателями внутреннего сгорания. Также этот вид транспорта должен был заменить троллейбусы, которые требовали непрерывного контакта с проводами. Гиробус приводился в движение тяговыми электродвигателями, которые получали энергию от генератора, который, в свою очередь, приводился в движение стальным маховиком. Масса маховика составляла полторы тонны, а диаметр — полтора метра. При подзарядке генератор переключался в режим электродвигателя, а электрическую энергию он получал через специальные штанги, которые выдвигались при остановке.
Фирмой «Эрликон» с 1953 года было выпущено несколько серий таких транспортных средств, которые работали в течение 20 лет не только в Швейцарии, но и в Бельгии и Конго. Причем в Конго были поставлены даже еще более совершенные модели гиробусов. Пассажирам нравился плавный ход и отсутствие выхлопных газов. Для зарядки требовалось всего 40 секунд, однако из-за невысокого КПД, примерно 50 %, требовалось производить остановки через один-два километра. Кроме того, опыт эксплуатации гиробусов в Конго выявил их низкую надежность.
Подшипники маховиков быстро выходили из строя, и им требовался ремонт каждый месяц. Низкая надежность и вследствие этого высокие затраты на перевозку пассажиров вместе с небезопасной конструкцией привели к прекращению эксплуатации гиробусов в 1959 году.
Такой печальный опыт не прекратил попытки изобретателей повысить надежность и эффективность гироаккумуляторов. Главная проблема — при увеличении массы маховика и его скорости разрушались подшипники и сам маховик. Причем осколки маховика будут обладать огромной неуправляемой кинетической энергией и смогут причинить немало проблем. Поэтому при расчетах такие накопители делают с трехкратным запасом прочности, что, конечно, снижает их эффективность. Даже при использовании лучших сортов стали и применении современных способов обработки внутри заготовки могут образовываться микротрещины, которые неизбежно приведут к разрушению.
Найти решение этой проблемы удалось советскому и российскому ученому Н. В. Гулиа. В 1964 году он подает заявку на изобретение маховика, состоящего из нескольких тысяч витков прочной стальной ленты.
При превышении предела скорости разрушения всего маховика не будет. Вместо этого разорвется внешняя лента, которая будет самой нагруженной. При этом лента прижмется к корпусу и затормозит маховик. После остановки ленту можно будет соединить, и маховик будет снова пригоден для эксплуатации. Но будьте осторожны — маховик будет очень горячим! Ведь кинетическая энергия никуда не исчезнет, а превратится в тепловую.
Даже первые образцы супермаховика из стальной ленты демонстрировали плотность энергии примерно 0,1 МДж/кг. Это превышало показатели свинцовых аккумуляторов. Расчеты показали, что если стальную ленту заменить графитовым волокном, такой маховик сможет запасти энергию в 20-30 раз больше.
Н. В. Гулиа предложил использовать магнитную подвеску в качестве основной, а подшипники — только для фиксации всей системы. Для решения проблемы трения изобретатель предложил использовать вакуумную камеру. Кроме того, для того чтобы передавать энергию маховику можно поместить в камеру электромотор. Соответственно, при передаче энергии от маховика, электромотор будет работать как генератор. Но как часто бывает, развитие эти идеи получили только за рубежом.
Например, в США компанией BeaconPower в 1997 году были разработаны системы хранения энергии на базе супермаховиков, которые могут выдавать мощность до 200 кВт в зависимости от модели. В 2009 году в США компания завершила постройку регулирующей электростанции мощностью 20 МВт на супермаховиках.
В мире создано множество прототипов движущихся механизмов на основе гироаккумуляторов — от игрушек до квадрокоптеров. Особенно эффективно накопление энергии на основе гироаккумуляторов работает на космических аппаратах, где минимизируются проблемы, связанные с трением. Прекрасно работают гибридные автомобили, которые «возят зарядку» с собой, «подзаряжая» маховик от двигателя внутреннего сгорания.
Поскольку гироаккумулятор обладает гироскопическим эффектом, который затрудняет изменение направления движения, перспективно использовать подобный вид накопителя на железнодорожном и крупном морском транспорте. Заметьте важный момент — как и в аккумуляторе тепловой энергии на песке, в аккумуляторе механической энергии на маховике не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Например, в случае с автомобилями вращательное движение от маховика передается через вариатор на колеса без всяких преобразований. Как и с «песчаным» аккумулятором, маховик имеет огромное количество циклов заряда-разряда, особенно если использовать магнитную подвеску вместо самого слабого звена — подшипников.
Что дальше?
Чтобы освоить новые виды энергии и ее накопления, одного желания и инвестиций мало. Нужна перестройка парадигмы получения и использования энергии. Нужно осваивать новые материалы и технологии, создавать новые устройства и системы. Но сегодня, когда рынок нефти и газа — отлаженный механизм, приносящий миллиарды долларов в день, никто всерьез не станет рассматривать альтернативные системы.
Тем не менее жизнь стремительно меняется. 100 лет назад никто не думал, что вместо шумных и грязных паровозов по железным дорогам будут «порхать» электрические «Ласточки». С большой долей вероятности могу предсказать, что мы станем свидетелями больших перемен. Кто сможет внедрить новые технологии получения и хранения энергии в массовое производство, сделав их дешевыми и популярными, — тот будет, без преувеличения, управлять миром.
