Куда девать электричество, когда его слишком много? Инженеры придумали откровенно необычные «консервы» для энергии, чтобы запасти впрок, то, что дают АЭС, ветряки, ГЭС и поля солнечных панелей. И если для вас аккумулятор это то, что в автомобиле или Ni-MH «мизинчики» в пульте телевизора, то вам будет чему удивиться…
Аккумулятор из песка
Такой необычный вид аккумулятора сейчас тестируется в Финляндии. Как обычно, есть источник энергии, который куда-то должен сбрасывать её излишки. В роли «куда-то» выступает бункер, в который засыпан теплоноситель — песок или дроблёный камень.
В моменты, когда есть излишки энергии или когда её цена падает до нужного уровня, начинается нагрев засыпанного в бункер песка. Бункер с песком термоизолирован, так что тепло может сохраняться долго (а ведь несколько десятков кубометров песка будут остывать в закрытом помещении очень долго). Технически, тепло отбираемое от песка через теплообменник можно снова превратить в электричество, но КПД такого процесса будет очень низкое.
Гораздо более оправданным решением будет пустить его на нагрев воды, которая пойдёт для отопления. Тестовый образец упомянутого выше аккумулятора в Финляндии запустили в 2022 г, сейчас же в строй должна войти полноразмерный накопитель энергии ёмкостью в 100МВт, чего должно хватить для обогревал финского местечка Порнайнен, где и установлен этот аккумулятор.
Углекислотный аккумулятор
Первый в мире такой аккумулятор был установлен в Сардинии, чтов в Италии и издалека его купол напоминает огромный пузырь. Под его стальную стенку закачан газообразный диоксид углерода, улавливаемый из атмосферы и хранящийся при нормальной температуре и давлении.
В периоды высокой выработки возобновляемой энергии этот газ дополнительно сжимается и конденсируется до жидкого состояния, а выделяемое в ходе этого процесса тепло, накапливается. При необходимости подачи электроэнергии жидкий CO2 совершает обратный переход в газообразную фазу и раскручивает турбину генератора, вырабатывая электроэнергию.
Компания-производитель заявляет, что КПД ее аккумулятора в режиме ожидания (RTE) составляет 75%. Это значит что после полной зарядки на 100% с аккумулятора можно получить до 75% запасённой энергии в виде электричества, что вполне сопоставимо с литий-ионными батареями.
Однако такой углекислотный аккумулятор превосходит литий-ионные аккумуляторы в том, что он полностью изготовлен из простых и доступных компонентов. Кроме этого, поскольку в нем используется только углекислый газ, он испытывает типичную для Li-ion деградацию (прорастание дендритов) электролита — ведь электролита там нет вообще. Создание такого аккумулятора обходится менее чем в половину стоимости Li-Ion накопителя энергии, а также не сопряжено с риском токсичности или возгорания во время или после использования.
Еще одна такая гигантская аккумуляторная батарея уже есть США, кстати.
Механический (гравитационный аккумулятор)
Если аккумулятор из песка выше хорош для запасания тепловой энергии, то гравитационный аккумулятор отлично справляется с преобразованием электричества в потенциальную энергию и обратно. Принцип работы такого аккумулятора исключительно прост и элегантен. Кстати, тут тоже вполне может работать песок, но уже не как теплоноситель, а как груз.
Итак, как обычно, у нас есть запас энергии, который нужно во что-то перевести, чтобы потом изъять обратно. На что же потратить эту лишнюю энергию? Может быть на то, чтобы что-то поднять? Сказано — сделано. Строим шахту или наклонную плоскость. Ставим платформу и наполняем её тем же самым песком. В моменты, когда есть лишняя энергия, пускаем её на то, чтобы тянуть эту платформу вверх. Подняли, застопорили, поднимаем другую.
Тут есть варианты — можно поднимать одну очень тяжёлую, можно поднимать несколько с меньшим весом по очереди. Последний вариант мне видится более предпочтительным. Если сломается одна платформа, то будут работать остальные, да и нагрузка на двигатель при подъёме будет меньше. Предположу что и регулировать выходную мощность с такого массива относительно лёгких платформ будет легче.
Ну, а дальше уже понятно. Когда появляется нужда в электричества, то платформа идёт вниз, тянет трос, трос вращает ротор генератора и тот вырабатывает электричество. Сейчас такие гигантские аккумуляторы уже работают, можете посмотреть на один такой в видео ниже. Такая построенная рядом с ветряной электростванцией установка должна иметь ёмкость до 100 МВтч и выходную мощность в 25 МВт с КПД порядка 75-80%.
Li-Ion аккумуляторы
Ну куда же без классического li-ion? Речь, разумеется, не о привычных 18650, 21700 и подобных аккумуляторах. Речь о колоссальных сборках, которыми занимается… да, Tesla. И стоит ли удивляться? Раз ты крупнейший в мире производитель электромобилей, то и запас аккумуляторов у тебя колоссальный, да и компетенции и технические решения в области накопления энергии тоже есть.
Так что Илон Маск это не только Tesla и Falcon со Space X, это еще и Gigafactory, которая безостановочно «печёт» аккумуляторы. И аккумуляторы эти идут как в Tesla, так и в Megapack, гигантские аккумуляторы от 2.6 до почти 4МВт*ч ёмкость. Решение это очень дорогое, да и менее долговечное в сравнении с тем же гравитационным аккумулятором. На морозе, опять-таки, не лучший выбор.
Но в каких-то ситуациях именно может оказаться наиболее подходящим, да и масштабировать его проще. Не надо строить рядом очередную башню с кранами, которые поднимают бетонные блоки. Поставил рядом сколько-то контейнеров и нарастил ёмкость.
Вполне возможно что в обозримом будущем Li-Ion уйдёт в историю и его заменит какая-то по-настоящему долговечная химия, срок службы которой будет исчисляться десятками лет. Вот в таком случае (ну и при разумной цене) подобные хранилища энергии могут стать весьма востребованными.
Гидроаккумулирующая электростанция
Если про ГЭС знают едва ли не все, то ГАЭС (Гидроаккумулирующая электростанция) известны немногим. А ведь именно ГАЭС — самый большой аккумулятор в мире. Технически, к слову, это разновидность гравитационного аккумулятора.
Как и в случае с ГЭС электричество вырабатывается за счёт того, что падающая вода крутит турбины. И потом, когда есть провал в потреблении и электричество дешёвое (допустим, рядом есть АЭС, которая ночью гонит столько же мегаВатт, сколько и днём — и их надо запасти), вода закачивается обратно из нижнего бьефа в верхний. А потом уже утром, когда потребление подскочит, вода пойдёт опять вниз крутить турбины.
Башня с расплавленной солью
Если финский аккумулятор нагревает песок до относительно небольшой температуры (хотя и её хватает, чтобы отапливать окрестные дома), то технология башен с расплавом соли это существенно более горячая штучка.
В вашей местности жарко и солнечно? Отлично, вы можете поставить массив из сотен зеркал, направить их на башню, в которую засыпана соль и нагреть её до температуры плавления, этак до 500-600°C. Такой температуры за глаза хватит, чтобы разогреть воду до пара. Дальше всё идёт по отлично известной и отлаженной схеме: пар крутит турбину, турбина крутит генератор, генератор даёт ток.
К преимуществам такого способа сохранения энергии можно отнести изрядную «зеленость». Тут нет ядовитой химии или радиации, опасность зеркала несут только окрестным птицам. Тут нет массы каких-то движущимся частей, которые так любит энтропия. КПД зеркал не падает с временем, в отличие от солнечных панелей. Вся система устроена исключительно просто и понятно. Разумеется, свои сложности есть и тут.
К примеру, такой энергостанции необходимо огромное количество воды для чистки зеркал и охлаждения.
Сейчас самой мощной и известной солнечной электростанцией на расплаве солей является Нур Уарзазат (Noor Ouarzazate CSP), что в Марокко. Мощность этой станции составляет 510 МВт и требует она 140.000 тонн солевой смеси!
Супермаховики
Презанятнейшая штука, про которую я впервые узнал из постапокалипсиса Паоло Бачигалупи (гораздо более реального и грустного чем ламповое «Путешествие Иеро»). Там в мире, где нефть была съедена бактериями, клонированные мамонты «заводили» маховики гигантских гироскопов. Те в свою очередь могли заряжать гироскопы меньших размеров или крутить генераторы.
Собственно, суть супер-маховика, отлично иллюстрирует обычная юла. Раскрутите её, а потом ловите освобождающуюся при остановке энергию. И если обычная юла отдаст ничтожные долли ватта, то огромный маховик весом в несколько тонн способен запасти и передать на генератор киловатты энергии! Ночью, когда энергия дешёвая и её в избытке, электричество раскручивает маховик. Днём же, когда электричество дорогое и его не хватает, маховик начинает сам крутить генератор и отдавать ток. КПД для такой связки называется исключительно высоким, 90+ процентов!
Отечественному читателю из тех, что интересуются научно-техническим прогрессом, может быть известен Нурбей Гулиа, который являлся главным популяризатором этой технологии на всем постсоветском пространстве.
Сейчас технологией супермаховиков занимается американская компания Beacon Power, модели которой позволяют запасти до 25кВт*ч! Не так впечатляюще как ГАЭС, но тут и размеры меньше, КПД выше, да и общая элегантность технологии тоже заслуживает внимания. Разумеется, вред для природы тут минимальный.
Технически, супермаховик, вполне способен даже двигать автомобильный транспорт, что и подтвердили эксперименты Гулиа.
А что еще? Кроме интересных идей по запасанию электричества, люди постоянно придумывают как его выработать. К примеру, в США уже создан генератор, работающий на отходах от лесозаготовки. Мало? Как насчёт батарейки на микробах?
Изображение в превью: