Важка енергетика | Журнал Популярна Механіка

  1. варіанти очевидні
  2. Шкільна фізика
  3. Варіант майже неймовірний
  4. складна наука
  5. накопичувачі
  6. накопичувачі

Штангісти знають, що підняти вагу мало - важливо його утримати. Скільки б ми не зробили чистої - або будь-який інший - енергії, від неї буде мало толку, якщо ми не вміємо її зберігати. Але що здатне накопичувати гігаватт- і терават-години, а в потрібний момент за секунди віддати їх в мережу? Тільки що-небудь по-справжньому серйозне. Водосховища і поїзди, бетонні поплавці і навіть ліфти-багатотонника, розроблені в Новосибірську. Про них ми і поговоримо, згадавши по шляху шкільну фізику.

Професор з Берклі Девід Каммі вважає електромережі найскладнішою машиною, яку коли-небудь створювало людство: «Вона найбільша, найдорожча, включає найбільше компонентів і при цьому елегантно проста. В її основі лежить єдиний принцип - приплив енергії повинен постійно рівнятися відтоку ». Система працює як ресторан швидкого харчування: скільки замовлено страв, стільки і приготовлено, зайве доводиться викидати. Тим часом споживання електроенергії змінюється постійно і досить відчутно.

Поглянувши на графіки, легко помітити, що навантаження на мережу слід добовим і тижневим циклом і підвищена під час зимових холодів. Робота сонячних електростанцій з цими періодами узгоджується погано: випромінювання є саме тоді, коли його енергія найменше потрібна, - днем. А найяскравіше сонце світить влітку. Виробництво електроенергії вітряними станціями теж підпорядковується погодних умов. Реактори АЕС не можна підлаштовувати під потреби споживачів: вони видають постійне кількість енергії, так як повинні функціонувати в стабільному режимі. Регулювати подачу струму в мережу доводиться, змінюючи обсяги палива, що спалюється на газових та вугільних ТЕС. Енергомережу постійно балансує між виробленням електростанцій і потребами споживачів.

Cравненіе споживання і генерації електроенергії різними джерелами на прикладі грудня 2012 (за даними BM Reports) Cравненіе споживання і генерації електроенергії різними джерелами на прикладі грудня 2012 (за даними BM Reports).

Якби теплові електростанції не доводилося регулювати і вони могли працювати завжди в оптимальному режимі, їх ресурс був би вищим, а вартість і споживання палива - нижче. Але для цього мережа повинна мати запас енергії, який накопичувався б в періоди надмірного виробництва і віддавався на піках споживання. Ну а якщо вже ми хочемо зовсім відмовитися від вуглеводнів і використовувати тільки чисту електрику поновлюваних джерел, то без коштів для накопичення енергії і стабілізації її подачі в мережу ніяк не обійтися ... Є ідеї?

варіанти очевидні

Електромережі почали проектувати більше століття назад з урахуванням технологій того часу, і сьогодні навіть в найрозвиненіших країнах вони потребують модернізації, в тому числі у введенні «амортизує» компонента, накопичувачів відповідної потужності. Поки що такими проектами не можуть похвалитися навіть США: за даними за 2017 рік, всі наявні в країні промислові накопичувачі мали потужність лише близько 24,2 ГВт, тоді як генеруючі потужності склали тисяча вісімдесят один ГВт. Поточні можливості Росії в області накопичення - трохи більше 2 ГВт, а всього світу - 175,8 ГВт.

Погодинне споживання в Великобританії протягом одного зимового і одного літнього місяців 2009 року Погодинне споживання в Великобританії протягом одного зимового і одного літнього місяців 2009 року. Максимум споживання припав на шість годин січневого ранку (58,9 ГВт), мінімум - на теплий суботній вечір в липні (22,3 ГВт), різниця більш ніж удвічі.

Майже весь цей обсяг припадає на гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС). Найбільша в Росії Загорська ГАЕС має потужність 1,2 ГВт, а найпотужніша в світі працює в Вірджинії. Станція Bath County потужністю 3 ГВт і висотою 380 м здатна накачувати воду в верхній резервуар і спускати в нижній зі швидкістю близько 50 тис. Т в хвилину. Такі накопичувачі перетворюють електрику в потенційну енергію води і виробляють його назад з втратами лише 30%. Однак їх недоліки цілком очевидні: водосховища вимагають складного рельєфу, великої і часто потрібної площі і пов'язані з неминучими втратами на випаровування.

Сьогодні більше 98% світових потужностей накопичувачів доводиться на ГАЕС, а з залишився кількості близько третини використовується в хімічних акумуляторах. Перш за все, це звичайні літій-іонні батареї: крихітні розміри іонів літію роблять їх відмінними носіями заряду, дозволяючи домогтися високої щільності енергії. За оцінкою Джорджа Крабтрі з Аргонської національної лабораторії міністерства енергетики США, літій-іонним акумуляторам для широкого застосування необхідно стати як мінімум уп'ятеро більше ємними і на стільки ж дешевшими. Але навіть в цьому випадку вони залишаться токсичними і вибухонебезпечними.

Деяких їх недоліків позбавлені альтернативні проекти: сьогодні створено цілий «зоопарк» електрохімічних елементів. Наприклад, акумулятори професора Дональда Садоуея на основі рідких металевих електродів і розплаву солі вимагають для роботи високих температур, зате вони безпечні і набагато дешевше літій-іонних. Однак будь-які батареї з часом неминуче деградують і вже років через десять зажадають серйозних і регулярних вкладень в оновлення ... Що нам залишається, крім цього?

Шкільна фізика

Інженери люблять прості і дотепні рішення, і багато проектів накопичувачів засновані на досить простий фізики. Базові формули, що дозволяють оцінити енергію таких систем, проходять ще в середній школі. Скажімо, обертальна кінетична енергія пропорційна масі і квадрату швидкості, що дозволяє зберігати електричну енергію в обертанні важкого маховика. Такі накопичувачі відрізняються чудовою керованістю і надійністю, вони використовуються на транспорті і навіть в космосі. Однак найпотужніші з них здатні забезпечити хіба що невелику електростанцію, стабілізуючи видачу струму, і ефективні лише на невеликих проміжках часу - не більше чверті години.

З тієї ж шкільної фізики ми пам'ятаємо, що енергія ідеального газу пропорційна його тиску, що дає можливість накопичити її у вигляді стислого повітря. Ємністю для нього можуть служити герметичні цистерни, як у 9-мегаватного накопичувача Next Gen CAES на одній з електростанцій в Нью-Йорку, штольні занедбаних шахт або природні печери-каверни. На тому ж принципі різниці тисків працює запропонований німецькими інженерами концепт ORES. Порожні бетонні ємності занурюються на дно і підключаються до офшорної електростанції: надлишок енергії вони накопичують, закачуючи всередину воду, а при необхідності вона під тиском стисненого всередині повітря викидається назовні, запускаючи генератор.

Баланс на масштабах від секунд до тижнів Накопичувачі енергії, що працюють на різних принципах, мають свої переваги і недоліки, і можуть підходити для різних завдань Баланс на масштабах від секунд до тижнів Накопичувачі енергії, що працюють на різних принципах, мають свої переваги і недоліки, і можуть підходити для різних завдань. Одні оптимальні в підтримці електростанцій, інші - на етапі передачі і розподілу енергії, треті - для великих споживачів, четверті - для кінцевих користувачів, в їх будинках і мобільних гаджетах.

Стане в нагоді нам і енергія теплова: наприклад, концерн Siemens вже споруджує для однієї з вітряних електростанцій під Гамбургом накопичувач, запасающий енергію в теплі 100 тонн каменю. Надлишок вироблення спрямовуватиметься на їх нагрівання, щоб потім вантаж, остигаючи, перетворював воду в пар, що обертає турбіну генератора. Втім, частіше енергію градієнта температури використовують для накопичувачів енергії на сонячних електростанціях. Дзеркала концентраторів фокусують світло, розжарити теплоносій (зазвичай розплавлений сольовий розчин), який продовжує віддавати тепло і вдень, і вночі, коли сонце вже не світить, - в повній згоді з вивченими в школі началами термодинаміки.

Ще ближче нам елементарна формула потенційної енергії тіла в полі тяжіння Землі: E = mgh (де m - маса вантажу, h - висота його підйому, g - прискорення вільного падіння). Саме в такому вигляді запасають її потужні і надійні ГАЕС або проект німецької компанії Heindl Energy, що піднімає водним стовпом всередині циліндра цілісний гранітний поршень діаметром до 250 м. Потенційну енергію накопичують і важкі поїзди проекту ARES, які буксирують бетонні вантажі вгору і виробляють струм, коли спускаються з ними. Але для всього цього потрібно мати напоготові пагорб висотою в кілька сотень метрів і - як у випадку з ГАЕС - велику площу під будівництво ... Чи є інші можливості?

Гравітаційний накопичувач Проект професора Едварда Хейндл обіцяє потужність до 8 ГВт - цього достатньо для того, щоб забезпечувати енергією 2 млн споживачів протягом доби Гравітаційний накопичувач Проект професора Едварда Хейндл обіцяє потужність до 8 ГВт - цього достатньо для того, щоб забезпечувати енергією 2 млн споживачів протягом доби.

Варіант майже неймовірний

Накопичувач в новосибірському Академмістечку багато місця не займає. За самим звичайним парканом стоїть новеньке будівля розміром з п'ятиповерхівку - шоу-рум, в якому розміщений діючий прототип твердотільної акумулюючої електростанції (ТАЕС) висотою 20 м і потужністю 10 кВт. Всередині будівлі уздовж стін розташовані дві вузькі осередку ТАЕС шириною близько 2 м і довжиною близько 12.

Принцип роботи їх заснований на накопиченні потенційної енергії: двигун споживає електроенергію з мережі і за допомогою каната піднімає наповнені грунтом полімерні мішки. Вони кріпляться нагорі і в будь-який момент готові почати спуск, обертаючи вал генератора. За словами засновника проекту «енергозапаси» Андрія Бризгалова, інженери вивчили майже сотню ідей для промислових накопичувачів енергії, але не знайшли відповідного варіанту і створили власний.

Твердотільний накопичувач Повномасштабна ТАЕС сягатиме 300 м у висоту і зможе накопичувати до 10 ГВт · год Твердотільний накопичувач Повномасштабна ТАЕС сягатиме 300 м у висоту і зможе накопичувати до 10 ГВт · год. При вантажообігу до 14 млн т на добу вона буде виробляти на грунт тиск до 4 кг / см2 - менше, ніж звичайна п'ятиповерхівка. Розрахунковий термін служби: 50 років.

Справді, Росія - країна багата, але не рельєфом. «Це практично рівний стіл, - розповідає Андрій Бризгалов, - зводити ГАЕС можна лише в окремих районах, решта - рівнинна площину». На відміну від водосховища, ТАЕС можна встановити де завгодно: для будівництва не потрібно водосховищ і природним способом. Мішки заповнюються місцевим грунтом, який добувають при будівництві фундаменту, а будувати можна в чистому полі, якого в Росії достатньо.

Оптимальна потужність ТАЕС при висоті 300 м буде близько 1 ГВт, а ємність визначається площею накопичувача і при забудові 1 км² складе 10 ГВт · год, тобто станція займе приблизно в п'ять разів менше місця, ніж аналогічна ГАЕС. Тисячі спеціальних многошахтних ліфтів, забезпечених системою рекуперації, будуть переміщати за добу близько 15 млн т вантажу. «Щоденний вантажообіг однієї такої ТАЕС буде всемеро більше, ніж у найбільшого світового порту, Шанхайського, - пояснює Андрій Бризгалов. - Ви уявляєте собі рівень завдання? »Не дивно, що далі починається фізика вже аж ніяк не шкільного рівня.

«Ми не можемо дозволити собі будувати відразу 300-метрову вежу, - говорить Андрій Бризгалов, - це щонайменше легковажно. Тому ми робимо конструкцію мінімальних розмірів, при яких вона має властивості повнорозмірною ТАЕС ». Як тільки проект отримає держпідтримку в рамках Національної технологічної ініціативи, в «енергозапаси» приступлять до роботи. Зведення 80-метрової вежі потужністю понад 3 МВт дозволить випробувати будівельні рішення, які на даний момент пройшли тільки модельні випробування на багатоядерних комп'ютерних кластерах.

Зведення 80-метрової вежі потужністю понад 3 МВт дозволить випробувати будівельні рішення, які на даний момент пройшли тільки модельні випробування на багатоядерних комп'ютерних кластерах

складна наука

Справді, який би простий не була висотна конструкція, їй доведеться зіткнутися з небезпекою землетрусів і навантаженням вітру. Але замість звичайних рішень із застосуванням все більш потужних і важких несучих елементів зі сталі і бетону ТАЕС використовує масу інженерних знахідок. Для боротьби з вітром її оточать захисної «спідницею», яка розкинеться на ширину приблизно в чверть радіуса самої станції. Вона буде перетворювати горизонтальний тиск вітру в вертикальне навантаження, на яку розрахована конструкція. «Це дозволяє значно скоротити витрати на метал, який застосовують для компенсації згинальних навантажень, знизити собівартість ТАЕС і тим самим підняти її конкурентоспроможність», - пояснюють розробники.

Сейсмічні коливання демпфує сама конструкція - матриця вертикальних колон, до кожної четвірці яких підвішено до дев'яти 40-тонних вантажів. «У будь-який конкретний момент переміщається лише невелика кількість вантажу, інше діє як схил, пригнічуючи розгойдування. Незважаючи на величезну масу, навіть завдяки їй ми отримали саме сейсмостійке будівля в світі, - запевняє Андрій Бризгалов, - причому практично без додаткових витрат ». Легка, проста, позбавлена ​​перекриттів, така вежа буде в кілька разів дешевше звичайного будинку тих же розмірів.

накопичувачі

Тип Потужність Час відгуку Тривалість накопичення і віддачі Ефективність накопичення-віддачі Гравітаційні / ГАЕС, ТАЕС / МВт, ГВт Секунди, хвилини Від годин до тижнів 70-85% Термічні / сольові / МВт Хвилини Годинник 80-90% Електрохімічні / МВт Li-Ion і інші / Вт, МВт Мілісекунди Хвилини, години, дні До 98% Механічні / маховики / Вт, кВт

мілісекунди

Секунди, хвилини До 98% Хімічні / водень, метан, етанол і т. П. / ГВт Від секунд до хвилин Годинники До 45%

накопичувачі

Тип Типові терміни служби Оптимальні ділянки використання Плюси Мінуси Гравітаційні / ГАЕС, ТАЕС / Десятиліття Генерація, розподіл Дешевизна, техн. зрілість Вимогливість до будує. ділянці, мала щільність Термічні / сольові / Десятиліття Генерація Простота, техн. зрілість, економічність Підходять лише для сонячних електростанцій з концентраторами Електрохімічні / МВт Li-Ion і інші / Роки Генерація, розподіл, споживання Висока щільність накопичення, глибоко розвинена технологія Підходять лише для сонячних електростанцій з концентраторами Механічні / маховики / Роки Споживання Висока точність, чуйність, надійність чи не підходять для накопичення у великих або достатніх масштабах Хімічні / водень, метан, етанол і т. п. / Роки Генерація, розподіл Технологія дешева і легко масшт біруется від «домашніх» до промислових масштабів Низька щільність накопичення, небезпека загоряння

Незважаючи на зовнішню простоту, розробка накопичувача зажадала не тільки знань складної фізики і матеріалознавства, але навіть аеродинаміки і програмування. «Візьміть, наприклад, провід, - пояснює Андрій Бризгалов. - Жоден з них не витримає десятки мільйонів циклів згинання-розгинання, а ми розраховуємо на півстоліття безперебійної роботи. Тому передача енергії між рухомими частинами ТАЕС буде реалізована без проводів ». Накопичувач ТАЕС буквально нашпигований новими технологіями, і десятки інженерних знахідок вже запатентовані.

Матричні перетворювачі частоти струму дозволяють м'яко і точно управляти роботою моторів і згладжувати видачу енергії. Складний алгоритм автоматично координує паралельну роботу декількох візків-підйомників і вимагає лише віддаленого нагляду з боку оператора. «У нас є фахівці десятків напрямків, - каже Андрій Бризгалов, - і всі вони працюють, не чекаючи моментального результату і окупності проекту в найближчі 2-3 роки. При цьому створено рішення, рівного якому немає ніде в світі. Тепер його можна лише повторити, але зробити таке з нуля було можливо тільки в Росії, тільки в Сибіру, ​​де є такі люди ».

Втім, без впевненості в тому, що проект рано чи пізно стане прибутковим, нічого б не відбулося. «Проблема російської енергосистеми - надлишок потужностей, - продовжує Андрій Бризгалов. - Історично склалося так, що ми генеруємо більше, ніж треба, і це дозволяє чимало експортувати, але і створює серйозний запит на акумулюють потужності ». За оцінками Navigant Research, до 2025 року цей ринок буде рости середніми темпами в 60% щорічно і досягне 80 млрд доларів. Можливо, ці гроші перетворять типовий російський пейзаж, і десь на обрії звичайної нескінченної площини з'являться і стануть звичними гігантські гравітаційні накопичувачі.

Стаття «Накопичувачі: очевидні і неймовірні» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2018 ).

Але що здатне накопичувати гігаватт- і терават-години, а в потрібний момент за секунди віддати їх в мережу?
Є ідеї?
Що нам залишається, крім цього?
Чи є інші можливості?
Ви уявляєте собі рівень завдання?
Новости