Откуда берут энергию и как её сохраняют
Энергия. Её виды и формы
По своей сути энергия является общепринятой мерой различных форм движения материи и принята во всём мире в качестве меры перехода движения материи из одной формы в другую. Эти вопросы достаточно подробно рассматриваются в школьном курсе физики.
Наверняка многие из наших читателей вспомнят и о видах энергии, про которые рассказывают в школе. Самой первой в этом списке оказывается кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Следом изучаются:
- Потенциальная энергия.
- Электромагнитная энергия.
- Гравитационная энергия.
- Ядерная энергия.
- Энергия взрыва.
- Химический потенциал.
Эти виды энергии имеют физический смысл. Но как только речь заходит о солнечной энергии или об энергии ветра, мы уже сталкиваемся с описательным смыслом. Практически все из перечисленных видов энергии сегодня активно используются человеком и нередко предстают перед нами в различных формах. Но в быту мы сталкиваемся, главным образом, с теплом и светом. С них и начнём.
Источники энергии
Когда речь заходит об источниках энергии которые позволяют обеспечивать электро- и теплоснабжение и не только их, первое, что приходит на ум — полезные ископаемые. Примерно здесь и начинается самое интересное. По имеющимся данным, да и без них тоже, очевидно, что с годами энергопотребление растёт просто невероятно.
Так вот, все существующие и известные на сегодняшний день науке источники энергии можно разделить на две большие группы: невозобновляемые и постоянные (или возобновляемые, если угодно). К первым относятся полезные ископаемые: уголь, газ, нефть, радиоактивные элементы. Во вторую категория попадают вода, ветер, солнечный свет, геотермальные источники.
И если воду уже активно используют, то над ветром и светом пока раздумывают. На сегодняшний день вопрос о наиболее эффективных способах использования энергии ветра и солнца является одним из самых обсуждаемых. Ведь эти источники не просто возобновляемые — они практически неисчерпаемы.
Способы получения
Если обратиться к цифрам, они расскажут о том, что 75% всей вырабатываемой сегодня энергии получают из угля и прочих ископаемых. Практически в каждом крупном городе есть тепло-электростанция (ТЭС), государственная районная электростанции (ГРЭС) или теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). Они-то и «раздают» тепло и свет в наши дома.
Главным источником энергии для этих предприятий является каменный уголь, который ежедневно сжигают сотнями тонн, чтобы мы могли хранить продукты в холодильнике, смотреть телевизор или печь пироги в электрической духовке.
Такой способ получения энергии экологичным назвать можно только с очень большой натяжкой. С использованием энергии воды дела обстоят чуть лучше, но и здесь не без бед и, простите за каламбур, подводных камней.
Строительство гидроэлектростанций (ГЭС) не только обходится в солидные суммы, но и связана с такими необратимыми изменениями ландшафтов, как вырубка леса на месте строительства, само строительство, а также с организацией водохранилищ. Много ГЭС построить нельзя: не каждая река может дать необходимую энергию.
Что касается атомных электростанций (АЭС), то этот вопрос является одним из самых острых. После трагедии в Чернобыле и недавних событий на АЭС «Фукусима» целесообразность использования атомной энергетики вызывает всё больше сомнений. Особенно с учётом того, что «экологически чистый» атом может натворить таких бед, что хватит не на одно поколение.
В общем, получать энергию можно из многих источников, но можно ли её сохранять, да ещё и достаточно длительное время и в больших объёмах? Попробуем выяснить.
Сохранение энергии
Энергия, конечно, не зерно и не картошка, но её тоже можно собрать и даже какое-то время хранить, постепенно расходуя. Самые простые примеры устройств для накопления энергии:
- пружина
- маховик
- аккумулятор.
Все они работают по-разному. У пружин энергоёмкость высокая, места они занимают немного. И сохранять накопленную энергию они могут очень и очень долго. Сколько пружина может пробыть в сжатом состоянии? Зависит от качеств материала, из которого она сделана.
Большой популярностью пользуются различные маховики, также способные сохранять и передавать достаточно большое количество энергии. Правда, устройства эти характеризуются рядом недостатков, среди которых — неустойчивость при внешних воздействиях.
Аккумуляторы имеют как плюсы, так и минусы. Даже при правильной эксплуатации они рассчитаны на ограниченное число циклов. А при несоблюдении условий вырабатывают свой ресурс значительно быстрее. Впрочем, для мобильных устройств и автомобилей аккумуляторы весьма удобны.
Возможно и накопление энергии за счёт теплоёмкости. К сожалению, подобные накопители либо чрезвычайно дороги, либо недолговечны. Хотя теоретически они способны работать практически вечно.
Наибольшее распространение получили электрические накопители. Самые массовые из них — обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии, способны работать в широком диапазоне температур многие годы. Разделяют их на два класса: неполярные (не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические).
Есть у конденсаторов и недостатки: во-первых, очень малая удельная плотность запасаемой энергии и, как следствие, небольшая ёмкость; во-вторых, малое время хранения энергии. В итоге область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением.
Источник
Как сохранять МНОГО электричества?
Завершились времена, когда стройные ряды рабочих в семь утра отправлялись к станкам, а в восемь вечера так же организовано покидали фабрики и затем почти одновременно засыпали перед телевизором. Теперь мегаполисы никогда не засыпают, а вместе с ними в режиме 24/7 и всё прогрессивное человечество, «совы», индустрия развлечений и глобальные сетевые корпорации. Всем им нужно электричество, причём в любое время, без выраженной цикличности. А между тем мир переходит к возобновляемым источникам энергии, чья выработка зависит от природных условий, никак не контролируемых человеком. Как в этом мире запасаться, а затем делиться электроэнергией, не допуская блэкаутов? Рассказываем на примере технологий Toshiba.
Плюс электрификация всей планеты
Потребление электричества будет нарастать. Главные направления этого процесса — электрификация автотранспорта, перевод некоторых промышленных процессов от теплоэнергии на электропитание, а также рост бытового потребления электротока. В частности, по прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году по нашей планете будут ездить 130 млн электромобилей, хотя в 2018 году их насчитывалось 5,1 млн единиц. Всего же количество автомобилей сейчас оценивается в 1 млрд, а к 2035 году оно может вырасти до 2 млрд единиц. В пищевой, фармакологической, текстильной, бумажной и других отраслях электричество будет заменять уголь и газ при выработке средне- и низкотемпературного тепла. Продолжится и электрификация бедных стран, где электричество будут шире применять в быту. А доля электричества в общем энергопотреблении увеличится с 19% в 2018 году до 24% в 2040-м.
Соответственно повысятся риски блэкаутов — масштабных аварийных отключений электроснабжения, затрагивающие большое число разнообразных потребителей. По данным Всемирного банка, в 2019 году в среднем по всем странам мира различные организации испытывали 6,8 отключений энергии в месяц. Правда, в странах ОЭСР этот показатель составил 0,4 отключений, а в России — 0,2 отключения в месяц.
Авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году — взгляд из космоса. 14 августа 2003 года 10 млн человек в Канаде и 40 млн человек в США остались без электричества. Источник: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons
В то же время внедрение в производство и быт таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей (в том числе промышленный интернет вещей) требует минимизации отключений электричества, способных серьёзно нарушить работу сложных интеллектуальных систем.
Помимо этого, подход к потреблению энергии изменится и после внедрения возобновляемых источников энергии, которые дают разную выработку в зависимости от времени суток и погоды. В дневные часы или ветреную погоду солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют больше тока, чем ночью и в штиль. Соответственно, излишки энергии лучше сохранять на всякий случай. Но как?
Энергетические метаморфозы
Сохранять энергию, особенно в промышленных масштабах, непросто. Несмотря на то, что природа электричества хорошо изучена, его сохранение требует либо громоздких, либо дорогостоящих (либо и тех и других одновременно) технических решений. Что же защитит сильно электрифицированный мир будущего от блэкаутов?
Если ответить коротко, химия и механика. Практически все способы накопления электроэнергии сводятся к её преобразованию с помощью химических реакций или механического движения.
Первая идея, возникающая у каждого пользователя смартфона или владельца электромобиля: почему бы не использовать в промышленных масштабах огромные литий-ионные аккумуляторы? Попытки создания крупных накопителей такого типа уже есть. К примеру, сейчас Tesla занимается увеличением мощности (со 100 до 150 МВт) самого большого в мире литий-ионного хранилища электричества, собранного в 2017 году в штате Южная Австралия на Зелёном континенте. Оно состоит из литий-ионных батарей Tesla Powerpack, созданных для коммунальных и промышленных потребителей. Внутри — 16 отдельных аккумуляторных блоков, каждый с изолированным преобразователем постоянного тока.
Мощность каждой из них достигает 130 кВт, а энергоемкость — 232 кВт·ч. Южно-австралийское хранилище на основе Tesla Powerpack помогает сохранять энергию расположенной здесь же ветряной станции. При полной зарядке этот «аккумулятор» емкостью 129 МВт·ч может обеспечить электроэнергией до 30 тыс. домовладений.
Подпись: Каждый Powerpack — это как кирпич, из которого строится хранилище энергии. К одному инвертору можно подключить от одного до 20 Powerpack’ов. Из таких блоков батарей и инверторов можно создавать хранилище огромной энергоемкости. Источник: Tesla
Однако помимо известных недостатков таких батарей, есть еще и такая: увеличивая до промышленного масштаба литий-ионные батареи, в такой же степени мы усиливаем проблему их утилизации. Поэтому оставаясь экологически чистыми в период работы, огромные аккумуляторы в будущем создадут угрозу для окружающей среды и хлопоты при их списании.
Другой способ преобразования энергии — электролиз.
Поясним на примере нашей установки H2One, о которой мы уже рассказывали: солнечные батареи обеспечивают процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород; водород либо запасается, либо подается потребителю, причем водород может дать сразу тепло, механическую энергию или электричество при окислении в топливной ячейке. Проблема пока лишь в том, что пока энергии одной станции H2One хватает только небольшим объектам, например, железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония). Промышленные масштабы — в будущем.
Наиболее простые по принципу, но сложные по воплощению варианты — механические. Общая схема такова: электроэнергия в период пика выработки запасается с помощью накачки газа или воды в специальные резервуары, поднятия на высоту грузов или сжатия пружины. В период нехватки электричества энергия высвобождается механическим путем за счет обратной подачи вещества, груза или ослабления пружины. Принцип простой, экологически чистый, промышленно масштабируемый и очень долговечный. Именно поэтому, по данным Vygon Consulting, 95% накопителей энергии в мире — это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), использующие для хранения энергии лишь то, что дала нам природа — воду и гористые ландшафты.
Кручу, верчу, намагнитить хочу
Впервые использовать воду и гористые ландшафты для накопления энергии придумали в Швейцарии. В 1909 году недалеко от города Шаффхаузен в одноименном кантоне была построена первая в мире гидроаккумулирующая станция Engeweiher мощностью 1,5 МВт. Воплощенный в той установке принцип работы ГАЭС сохранился в целом и в наши дни.
Станция состоит из насоса, двух резервуаров, размещенных на разной высоте, и турбины. Когда электроэнергия в избытке, насос закачивает воду в верхний резервуар. Когда электричества в сети не хватает, воду отводят в нижний накопитель через турбину, которая дает электричество. Простота и надежность этого принципа доказана временем, а также историей самой станции Engeweiher, которая работает до сих пор, — её мощности оказались весьма кстати на фоне развития ВИЭ в Швейцарии.
Аккумулирующая гидроэлектростанция — один из старейших возобновляемых источников энергии в мире. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Следующий шаг в развитии технологии был сделан в 1930-е гг. Было понятно, что водяные турбины, соединенные с генераторами, могут работать с более высокой эффективностью, если регулировать их скорость вращения. Поэтому в 1930 году Toshiba разработала асинхронный гидрогенератор-двигатель мощностью 750 кВ·А, который был установлен на станции Ёсино в городе Канадзава (преф. Исикава, Япония). Скорость вращения турбины в нем могла изменяться для достижения максимальной эффективности выработки.
Однако широкого применения эта технология тогда не нашла, и впоследствии использовались в основном синхронные гидрогенератор-двигатели, которые работают с неизменной (синхронной) скоростью вращения, из-за чего нельзя менять и входную мощность. Это значит, что подстраивать работу станции под изменяющийся спрос (скажем, ночью, когда нужно тратить больше энергии на закачку воды и меньше отдавать её в сеть) было непросто — снижалась эффективность либо закачки, либо выработки.
В 1990-м году компания Toshiba вновь обратилась к технологии асинхронного гидрогенератор-двигателя.: совместно с Токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) на ГАЭС Ягасава была разработана и установлена первая в мире насосная установка с регулируемой скоростью, использующая двигатель-генератор с вторичным возбуждением переменного тока низкой частоты. Она управляется высокоскоростным и высокопроизводительным цифровым контроллером, который может изменять входную и выходную мощность гораздо быстрее, чем в обычных гидроагрегатах, что позволяет быстрее стабилизировать колебания мощности в сети, скажем, в случае аварийных ситуаций. С тех пор асинхронные генераторы-двигатели на ГАЭС стали применяться чаще, а сейчас являются наиболее перспективной моделью для гидроаккумуляции.
В июне 2014 года начала работать самая большая в мире насосная установка с регулируемой скоростью вращения и мощностью 475 МВ·А для четвёртого блока ГАЭС Кадзуногава (преф. Яманаси, Япония), которая имеет ещё и самую большую в мире высоту напора насоса (785 м) для одноступенчатой насосной турбины. Эта станция также управляется TEPCO. Источник: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
Гидроагрегат с переменной частотой вращения повышает КПД насосного и турбинного режима, увеличивая тем самым эффективность полного цикла ГАЭС, а также снижает вибрацию и механический износ системы. Более того, такая машина может моментально реагировать на резкие изменения в спросе на электроэнергию, связанные, к примеру, с использованием нестабильных возобновляемых источников энергии или при блэкаутах.
И сказали мы: «Гидроаккумулирующие электростанции с асинхронным генератором двигателя, плодитесь и размножайтесь!». Источник: Абубакиров Ш. И. Опыт и перспективы использования асинхронизированных гидрогенераторов в проектах ОАО «Институт Гидропроект» // Гидроэнергетика. — 2010.— № 2 (19).
В поисках баланса
Описанные решения, как можно видеть, имеют большой — промышленный — масштаб. Но насколько разумна такая централизация? И не лучше ли внедрять распределенные решения, которые могут решать вопросы выравнивания дисбалансов в системе электроснабжения? Ничего не мешает сочетать два этих подхода, объединяя в рамках одной системы энергоснабжения крупные накопители энергии и локальные, такие, которые строятся на базе индивидуальных батарей, установленных на конкретных объектах и даже в жилых домах.
Для решения таких проблем лучше подходят аккумуляторные батареи, особенно SCiBTM, разработанная Toshiba. В основе её анода оксид лития-титана (LTO), который позволяет добиться большей эффекимвной ёмкости, а также обеспечивает длительный срок службы, работу при низких температурах, быструю зарядку, высокую мощность на входе и выходе. Toshiba SCiBTM можно применять в самых разных областях: от небольших (кВт) стационарных накопителей для жилых помещений до автомобилей, автобусов, железнодорожных вагонов, лифтов, электростанций и крупномасштабных хранилищ энергии (МВт) для электрических сетей, интеллектуальных сетей и солнечных электростанций. Источник: Toshiba
Более того, отдельные локальные хранилища электроэнергии могут в свою очередь быть также объединены в крупные структуры — виртуальные электростанции, о которых мы уже рассказывали в этом блоге. И такие решения уже реализуются.
К примеру, в Германии крупнейшая распределительная компания TenneT совместно с производителем домашних систем хранения электричества Sonnen объявила о создании своеобразного энергетического блокчейна: они планируют соединить домашние накопители энергии в сеть для выравнивания дисбалансов в энергетической системе на уровне страны. Однако пока число владельцев подходящих для этого накопителей гораздо меньше, чем хозяев домашних станций на ВИЭ.
Сочетание огромных хранилищ электроэнергии и небольших локальных, связанных воедино, как раз и поможет сгладить дисбалансы потребления и выработки, о которых мы говорили вначале, и минимизировать возможность блэкаутов.
Источник
