что такое накопители энергии

Накопитель энергии

Накопитель энергии – устройство, с которым большинство из людей постоянно сталкивается в быту. Всем знаком аккумулятор мобильного телефона, автомобиля, пальчиковые батарейки, которые не предусматривают повторной зарядки. Однако понятие энергетического накопления гораздо шире представлений среднестатистического индивидуума. Есть множество теорий, футуристических проектов и изысканий. Но интересно посмотреть, что реально может накапливать энергию и уже используется в самых разных областях деятельности человека.

Потенциальная энергия

Самый неочевидный накопитель собирает показатель потенциала, поднятого на высоту тела. Это устройство знакомо многим. Часы-ходики с массивными грузиками используют именно физический потенциал. Пока одна из гирь опускается, механизм работает. Для накопления запаса энергии требуется завести часы – переместить грузы определенным способом. Другие аккумуляторы потенциала работают не таким очевидным способом.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Накопители тепловой энергии

Тепловые накопители – распространенные устройства. Самый знакомый рядовому потребителю – электрический нагревательный котел. Он накапливает тепло, которое затем используется для бытовых нужд, отопления.

Менее понятный класс – тепловые накопители энергии, выполняющие роль стабилизаторов. К ним относятся:

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

Современные системы тепловой защиты позволяют долго сохранять характеристики накопителя тепловой энергии. Но здесь играет роль баланса стоимости защиты и целевого использования энергии. Поэтому накопители тепла идеальны в роли компенсаторов. В это же время их эффективность в качестве мощного источника энергии со стабильными показателями отдачи весьма спорна.

Аккумуляторы энергии сжатого газа

Пневматический инструмент, газопоршневые генераторы, небольшие кары – вот краткий список устройств, которые используют энергию сжатого газа. Устройство накопителя энергии знакомо практически всем. Это надежная, прочная колба из стали, в которую под огромным давлением закачивается газ.

Уровень выхода энергии накопителя сжатого газа нестабилен. Он велик, пока давление внутри баллона близко к максимуму. И снижается по мере расходования газа. Для стабилизации выхода используются редукторы. Они обеспечивают постоянное давление на выходе, что не только создает оптимальные условия работы потребителя, но и продлевает срок эффективного расходования запаса газа.

Накопители энергии сжатого газа применяются и в роли компенсаторов. Стабилизация работы компрессора производится при помощи расширительной емкости. В нее закачивается газ основным двигателем, поддерживается конкретное давление. При использовании энергии пневмоинструментом, компрессор может включаться периодически, поддерживая стабильное состояние системы. Основная мощность поступает именно из накопителя, расширительного баллона, совмещенного с редуктором.

Главное достоинство аккумулятора сжатого газа – простота манипулирования. Соблюдается некий термический баланс, когда в режиме компенсатора выделенное тепло при сжатии газа соответствует количеству энергии при расширении рабочего тела. К другому плюсу относится надежность инженерного решения. Прочность баллона такова, что он может заправляться неоднократно, служить на протяжении десятков лет. Третий плюс – при наличии надежной перекрывающей арматуры или запайки емкости, газ может сохранять свои параметры и энергетику очень долго.

Накопители электрической энергии

Аккумуляцию электроэнергии можно проводить разными способами. Сегодня к самым распространенным и широко используемым средствам относятся конденсатор, ионистор, химические преобразователи, накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Данный класс аккумулятора электрической энергии – знакомое всем устройство, конструкцию, так называемой, лейденской банки проходят еще в школьном курсе физики. Заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку, изготовленную из полимера с высокими показателями пробоя. Это позволяет:

Соединенные параллельно элементы позволяют построить батарею с нужным показателем емкости. Данный тип накопителя не может сохранять энергию долго без потерь. К тому же, собирается ее довольно мало. Но при малом потреблении конденсатор может быть достаточно эффективен. Сегодня именно такие накопители используют в аварийных светодиодных лампах.

Во время питания конденсатор заряжается, при отсутствии энергоснабжения светильник работает в течение получаса, чтобы люди могли принять меры к устранению причин перебоя, лечь спать или перевести оборудование в режим консервации.

Ионистор

Ионисторы, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько другую схему накопления энергии. Здесь заряд распределяется в объеме рабочего тела в виде заряженных частиц. В результате достигаются огромный (по сравнению с конденсаторами) срок хранения энергии и емкость, но наблюдается крайняя чувствительность к температуре. Чем ниже температура рабочей среды, тем меньше отдача тока от накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимическая ячейка – основа большинства автомобильных, мотоциклетных и других привычных типов аккумуляторов. Схема работы накопителя проста:

При зарядке происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает показатели электролита, переносит металл на пластину-донор. Достоинств у электрохимического аккумулятора множество. Можно получить стабильный и высокий выходной ток, что ценно для пуска мощного оборудования. Легко создать устройство с высокой емкостью, полезное для долгой работы различного оборудования.

К недостаткам электрохимической ячейки классического типа относится конечное число циклов заряда-разряда. Некоторое количество солей металла становятся инертными, пластины приходят в негодность, истощается электролит. Данные недостатки в большой степени нейтрализованы в гелевых батареях. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В нем лучше проходят процессы образования ионов. Но есть и недостаток – повышается чувствительность к температуре. При ее понижении гель твердеет, показатель отдачи тока падает.

В качестве заключения

Накопители разного типа энергии можно рассматривать очень долго. Это механические – различные пружины. Кинетические – маховики большой массы, используемые, например, в троллейбусах. Аккумуляторы с разным типом носителя ионов – литиевые, никель-марганцевые, кадмиевые. Но использование любого типа накопителя, прежде всего, обуславливается балансом между его характеристиками и показателями потребления энергии.

Источник

Накопители энергии для эффективной работы энергосистемы

С самого момента появления электрических сетей большой проблемой была зависимость уровня потребления энергии от времени суток. В наше время к ней прибавилась зависимость выработки электроэнергии от множества факторов, быстро меняющихся в течение дня. Да, увы, такова плата за прогресс — внедрение альтернативной энергетики. Помочь решить проблему способны накопители электроэнергии.

Для гармонизации пиков производства и потребления электроэнергии нужно использовать накопители большой емкости. И в первую очередь следует определиться, где их устанавливать.

Загорская ГАЭС

Накопитель, установленный на электростанции

Довольно распространенное решение в солнечной энергетике. В готовый комплект солнечных панелей, применяемых в жилом секторе, как правило, входят аккумулятор и контроллер, управляющий его зарядом-разрядом. В итоге пользователь получает привычный ему интерфейс — стандартную розетку, с которой можно стабильно снимать мощность не выше определенного значения. На солнечных электростанциях, работающих по технологии Thermal Solar, а это, как правило, очень крупная электрогенерация, под действием солнца плавятся минеральные соли, их расплав держит тепло длительное время, хоть всю ночь. Благодаря данной особенности генерация электричества стабильно происходит круглые сутки.

Накопитель, установленный у потребителя

Решение, активно продвигаемое сейчас на рынок рядом производителей, в том числе компанией Tesla. Аккумулятор заряжается от сети в промежуток времени, который задал контроллеру пользователь. Например, это может быть временной интервал, когда цены на электроэнергию самые низкие. Тогда накопитель позволяет экономить средства клиента, а для электросетевой компании — получить реальный эффект снижения пиковой нагрузки на сеть за счет применения нескольких тарифов в зависимости от времени суток. Другое преимущество — появляется возможность подключать к электросети приборы с большей мощностью, чем позволяет линия электропередачи, идущая к клиенту. Накопитель потихоньку запасает энергию на протяжении длительного промежутка времени, а затем отдает большую мощность на протяжении относительно короткого промежутка времени. Скажем, не позволяют провода, идущие к потребителю, передавать ток более 10 А.

Но современные электропечи для кухни потребляют не менее 16 А. Выход простой — ставим накопитель. Пока вы спите или занимаетесь своими делами, он в течение 4 часов накапливает нужное количество энергии, отдавая потом в электропечь на протяжении 2 часов ток 16 А, позволяя вам запечь индейку (пример учитывает потери в преобразователе и аккумуляторе).

Накопитель, установленный в ключевых узлах электросети

Идея, на самом деле, довольно старая. Например, в 1987 году рядом с Москвой была построена Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), позволяющая сгладить пики потребления, характерные для большого города. Самый известный проект, реализованный в 2017 году — увеличение суммарной подключаемой мощности в одном из удаленных регионов Австралии без реконструкции ЛЭП. Компания Tesla поставила гигантский накопитель, который равномерно запасает электроэнергию, не создавая ярко выраженных пиковых нагрузок на ЛЭП, что позволило избежать ее реконструкции. Но клиенты электрической компании могут получать от накопителя на пиках потребления гораздо большую мощность, чем могла бы выдержать ЛЭП.

В зависимости от места установки определяется емкость накопителя. Емкость накопителя, используемого в солнечных электростанциях для индивидуального применения, составляет не более 2 кВтч. Накопители, устанавливаемые у бытового потребителя, имеют емкость не более 7 кВтч. Для промышленных потребителей под заказ изготавливают накопители емкостью 100 кВтч. Что же касается накопителей, устанавливаемых в узлах энергосистемы, то их емкость составляет порядка сотен МВт — единиц ГВт.

Аккумуляторы

Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (при-ходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.

Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме. Тем не менее для накопителей энергии, сглаживающих пики потребления в сети, данные аккумуляторы непригодны из-за ярко выраженного «эффекта памяти». При неполном разряде и последующем заряде емкость аккумулятора снижается. Требуется полностью разряжать аккумулятор и потом заряжать его до 100%. Для рассматриваемого применения такие аккумуляторы непригодны. Более продвинутые никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы обладают большей емкостью, «эффект памяти» в них менее выражен, но все-таки присутствует.

Аккумуляторы типоразмера 18650 используются в электромобилях,
и они же являются основой накопителей энергии

Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях. По мере износа аккумуляторной батареи в электромобиле производитель забирает ее себе обратно (почему — будет сказано далее). Аккумуляторы, которые уже не могут обеспечить нужную тягу электромобилю, тем не менее подходят для использования в бытовом накопителе энергии. После всестороннего тестирования их туда и ставят. Что же касается накопителей, устанавливаемых на узлах электросети, то в них используют новые аккумуляторные батареи, но есть проекты построения таких накопителей и на основе аккумуляторов, ранее стоявших в электромобилях.

Накопитель Tesla Powerwall 2

Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность. Но есть и недостатки. При неправильных зарядке и эксплуатации аккумуляторы не просто выходят из строя, они могут воспламеняться и даже взрываться. Проблема решается с помощью микропроцессорных контроллеров в зарядных устройствах, тем не менее, иногда такие устройства могут давать сбои. Литий — чрезвычайно токсичный химический элемент, вот почему производители электромобилей в обязательном порядке забирают себе обратно отработавшие свое аккумуляторы. Наконец, запасы лития в мире ограничены, уже в ближайшее время прогнозируется нехватка этого металла.

Большие надежды возлагаются на так называемые водородные аккумуляторы, в которых вода расщепляется путем электролиза на кислород и водород. Энергия хранится в виде водорода, который потом используется для выработки электричества. В настоящее время по-прежнему этот проект находится на стадии исследований, так как водород взрывоопасен и легко улетучивается из резервуара, где он хранится.

Суперконденсаторы

Принципиальным недостатком аккумуляторов является то, что электрическая энергия в них при заряде превращается в химическую, а при разряде — из химической в электрическую. Такие преобразования обуславливают потери энергии, а также ограниченное количество циклов заряд-разряд (до 3000 у массово выпускаемых Li-Ion аккумуляторов).

Решение проблемы заключается в том, чтобы накапливать непосредственно электрическую энергию в конденсаторе. В накопителях применяют так называемые суперконденсаторы (другие названия — ультраконденсаторы, ионисторы) емкостью от 1000 Ф каждый, соединенные в большие массивы.

Суперконденсаторы — перспективная технология, но пока она слишком дорогостоящая

Ультраконденсаторы имеют КПД, близкий к 100%, количество циклов заряда-разряда у них практически не ограничено. И, что немаловажно, суперконденсаторы безопасны в эксплуатации и не содержат вредных для природы веществ.

К недостаткам суперконденсаторов следует отнести дороговизну этих устройств, а также сопутствующего оборудования. Кроме этого, по плотности хранения энергии суперконденсаторы пока уступают Li-Ion аккумуляторам, что обуславливает большие размеры накопителей.

В сша был проведен эксперимент по использованию накопителя на суперконденсаторах в солнечной электростанции, питающей кампус крупного университета. В итоге эффективность работы электростанции возросла в 1,5 раза по сравнению с использованием li-ion аккумуляторов. Но пока широкого применения для сглаживания пиков энергопотребления конденсаторы не получили.

Гидроаккумулирующая электростанция состоит из нижнего водохранилища, верхнего водохранилища и реверсивных турбин. При избытке электроэнергии в регионе турбины потребляют энергию, поднимая воду из нижнего водохранилища в верхнее. При недостатке электроэнергии турбины переходят в режим генерации, вода из верхнего водохранилища поступает в нижнее, в результате вырабатывается электроэнергия.

Недостатком ГАЭС является то, что при их строительстве приходится вмешиваться в уже сложившиеся природные комплексы. Кроме этого, наиболее успешные проекты ГАЭС были реализованы в горной местности, где есть твердые горные породы и легко обеспечить перепад уровней между двумя водохранилищами. Строительство Загорской ГАЭС в Московской области сопровождалось большими трудностями, связанными с оползнями, из-за чего на полную мощность электростанция заработала в 2003 году. Вторую очередь Загорской ГАЭС начали строить в 2007 году, и, по тем же причинам, на момент написания статьи строительство так и не было завершено.

Зеленчукская ГЭС-ГАЭС

Пневматические системы

Принцип их работы достаточно прост. С помощью насоса сжимается воздух и закачивается в резервуар. При необходимости расходования электроэнергии воздух выпускается из резервуара, проходя через турбину, вырабатывающую электроэнергию. Идея тоже древняя, относится к XIX веку. Главный недостаток — КПД не превышает 55%. Тем не менее в XX веке аккумулирующие электростанции на основе сжатого воздуха широко использовались в США и Германии. Кстати, в Германии для закачки воздуха использовались заброшенные соляные шахты. Но потом все сошло на нет — последняя электростанция на сжатом воздухе была запущена в США в 1991 году.

В 2010-х годах идею возродили, и на деньги Европейского союза запущен исследовательский проект Ricas 2020, направленный на поиск новых способов использования сжатого воздуха для накопления энергии с более высоким КПД. Но пока ни о каких реальных результатах не известно.

Супермаховик

Накапливать электроэнергию можно и в механическом виде. Раскрутить тяжелый маховик, и он некоторое время будет вращаться, приводя в действие генератор. Для того, чтобы не мешало трение воздуха, маховик вращается внутри герметичного кожуха, из которого откачан воздух. Технически реализовать эту идею очень просто, КПД достигает 98%. Выпускаются накопители на супермаховиках с емкостью до 25 кВтч. Но широкого применения они пока не получили. Причина заключается в том, что не удается быстро управлять отдачей электроэнергии в сеть. Кроме этого, со временем частота вращения маховика падает, и мощность, отдаваемая накопителем в сеть, падает.

Электромобиль как накопитель

В электромобиле есть аккумуляторы, выпрямитель и инвертор — все элементы накопителя для выравнивания пиков потребления электроэнергии. Почему бы не задействовать электромобиль в качестве накопителя энергии, пока он стоит в гараже?

Компании Renault и Nissan уже выпускают электромобили, способные отдавать энергию, накопленную в аккумуляторе. А Schneider Electric создала электрическую зарядную станцию, поддерживающую данную функцию. В Великобритании рассматривается вопрос о том, что-бы предоставлять электромобилям бесплатную парковку в обмен на определенное количество электроэнергии, отдаваемое во время стоянки в сеть.

Компания Renault начала выпуск электромобилей, способных работать как накопители

Наконец, в той же Великобритании рассматривается законопроект, обязывающий владельцев электромобилей подключать их к электросети для выравнивания баланса все то время, пока они не ездят. С 2018 года компания Renault проводит масштабный эксперимент на португальском острове Мадейра по испытанию технологии обратной поставки электроэнергии в сеть от электромобиля.

Будущее — за распределенным хранением энергии?

Технологии сглаживания пиков выработки электроэнергии и ее потребления, существовавшие до недавних пор, исходили из реалий XX века — централизованной энергосистемы без возможности управления оборудованием, установленным у клиента. Установка гигантского накопителя на аккумуляторах в Австралии — это всего лишь способ улучшить энергосистему, созданную в прошлом веке, но не изменить ее кардинально.

С распространением альтернативной энергетики генерация становится все более децентрализованной. При этом уже нельзя точно определить место в энергосистеме, куда следует подключить гигантский аккумулятор, чтобы выровнять баланс. По мнению автора статьи, будущее принадлежит не только децентрализованной генерации, но и децентрализованному хранению электроэнергии. В каждой квартире, в каждом офисе или заводе будет стоять локальный накопитель электроэнергии. Путем предоставления скидок или жесткого законодательного регулирования пользователя простимулируют (обяжут) подключать такой накопитель к управляющей системе. Электроэнергетическая компания будет с помощью технологии «Интернета вещей» дистанционно регулировать процесс накопления электроэнергии и отдачи ее в сеть. Тем самым будут сглаживаться пики выработки и потребления электроэнергии.

На самом деле, «первой ласточкой» такого подхода уже стали серьезные вложения британского правительства в разработку технологии использования электромобилей как накопителей для электросети и проект законодательно обязать владельцев электромобилей использовать их в таком качестве.

В итоге гигантские накопители энергии вроде ГАЭС или же огромной аккумуляторной батареи, установленной в австралийской пустыне, станут просто не нужны. Накопление электроэнергии будет осуществляться только у пользователей, в недорогих компактных устройствах. Развитие технологии суперконденсаторов позволит обеспечить надежность и безопасность таких накопителей.

Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» № 3 май-июнь 2019

Источник