Wikimedia Commons
Пожалуй, самая старая форма современного хранения энергии, привязанного к энергосети. Принцип работы прост: имеется два резервуара для воды, один выше другого. Когда потребность в электричестве низкая, энергию можно использовать для закачки воды наверх. В пиковые часы вода устремляется вниз, вращая гидрогенератор и вырабатывая электричество. Подобные проекты разрабатывает, например, Германия в заброшенных угольных шахтах или сферических контейнерах на дне океана.
Сжатый воздух
Power South
В целом этот способ напоминает предыдущий, за исключением того, что вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При необходимости воздух выпускается и вращает турбины. Эта технология существует в теории уже несколько десятков лет, но на практике, из-за ее высокой стоимости, есть всего лишь несколько рабочих систем и чуть больше - испытательных. Канадская компания Hydrostor разрабатывает в Онтарио и Арубе крупный адиабатический компрессор.
Расплавленная соль
SolarReserve
Солнечную энергию можно использоваться для нагревания соли до нужной температуры. Полученный пар либо немедленно перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплавленной соли, чтобы, например, нагревать дома вечером. Один из подобных проектов - солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - в Арабских Эмиратах. А в лаборатории Alphabet X возможность использования расплавов солей в сочетании с антифризом для того, чтобы сохранить излишки энергии Солнца или ветра. Недавно в Технологическом институте Джорджии построили более эффективную систему, в которой соль заменена на жидкий металл.
Проточные батареи
Ученые ЦЕРНа: «Вселенная не должна существовать»
Окислительно-восстановительные проточные батареи состоят из огромных цистерн с электролитом, которые пропускаются через мембраны и создают электрический заряд. Обычно в качестве электролита используется ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы. Крупнейшую в мире проточную батарею построить в пещерах Германии.
Традиционные аккумуляторы
SDG&E
Calmac
Ночью хранящуюся в цистернах воду замораживают, а днем лед тает и охлаждает соседние дома, позволяя экономить на кондиционерах. Эта технология привлекательна для регионов с жарким климатом и прохладными ночами, например, для или Калифорнии. В мае этого года компания NRG Energy поставила 1800 промышленных ледяных батарей предприятию Southern California Edison.
Супермаховик
Beacon Power
Эта технология предназначена для накапливания кинетической энергии. Электричество запускает мотор, который запасает энергию вращения в барабане. Когда она нужна, маховик замедляется. Изобретение не получило широкого распространения, хотя оно может применяться для обеспечения бесперебойного питания.
Международное энергетическое агентство прогнозирует рост глобальной доли возобновляемой энергетики в общей выработке энергии до 28% к 2021 году. Одновременно будут развиваться технологии, способные решить главную проблему «зелёной» энергетики – неравномерность выработки электроэнергии. Специалисты уверены, что индустрию хранения энергии ожидает бурный рост уже в ближайшем будущем.
Солнечная электростанция эффективно работает только в светлое время дня и при безоблачном небе, а ветряк – когда дует ветер, и эти провалы в выработке нужно как-то компенсировать. Например, накапливать часть вырабатываемой энергии при помощи промышленных аккумуляторов, а расходовать её во время вечерних и утренних пиков потребления.
Хранилища энергии пригодятся и в случае аварий в энергосистемах. Как отмечает глава учебного центра АББ в РФ Максим Рябчицкий, сегодня объёмы выработки и потребления электричества сбалансированы и электростанции подстраиваются под график потребителя. Но в случае внезапных отключений в энергосистеме, по масштабам сопоставимой с российской, ситуацию спасёт аккумулятор мощностью от 10–20 МВт, способный 1,5–2 часа закрывать энергодефицит.
При поддержке государства
По мнению главы «Роснано» Анатолия Чубайса, доля ВИЭ в общем объёме генерации к 2050 году составит 40% мирового энергобаланса, а хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией, в результате чего «мы придём к другой электроэнергетике».
«Мировая и российская электроэнергетика находится в одном шаге от преобразования базового технологического принципа – соответствия уровня генерации и потребления в единый момент времени. Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, – накопление энергии. Эта технология полностью изменит всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики и многое другое. Если к технологии накопления энергии добавить хорошую IT-логику, то это будет, бесспорно, революция», – считает Чубайс.
Есть понимание проблемы и на государственном уровне. В начале этого года вице-премьер Аркадий Дворкович поручил Минэнерго и «Роснано» разработать техзадание на создание госпрограммы поддержки кластера промышленного хранения электроэнергии (power storage). Участники совещания с вице-премьером также сочли, что промышленное хранение электроэнергии находится в стартовой точке бума, который затронет изолированные, малые электрические хозяйства и транспорт.
В «Роснано» считают, что господдержка позволит сформировать на рынке пул национальных игроков. Стимулировать спрос на накопители планируется за счёт компенсации рисков инвестпроектов и повышения их инвестпривлекательности. Использование промышленных аккумуляторов позволит создавать экономически эффективные локальные энергосистемы, сгладить пики потребления и создавать рынки торговли электроэнергией для распределённой энергетики, отмечают в компании.
Электрохимия и жизнь
В настоящее время придумано много способов хранения электроэнергии в больших масштабах, однако приоритет отдаётся строительству обычных электрохимических аккумуляторов размером с дом.
Совокупная мощность работающих и строящихся промышленных хранилищ энергии в мире, по данным консалтинговой компании IHS, составляет около 3 ГВт. Однако аналитики уверены, что индустрию хранения энергии ожидает бурный рост уже в ближайшем будущем.
Основные проблемы опытных промышленных накопителей – дороговизна и низкая ёмкость, массовой экономически оправданной технологии их сооружения пока нет (особняком тут стоит технология Tesla, о которой ниже). По словам Максима Рябчицкого, исследования, которые велись последние 20 лет, создали много образцов (вплоть до самых экзотических) power storage, но они пока не ушли дальше опытно-промышленной эксплуатации, а существующие аккумуляторы слишком дороги и имеют низкий КПД. То есть пока аккумуляторы дороже самих СЭС.
Директор Ассоциации предприятий солнечной энергетики Антон Усачёв прогнозирует, что при росте доли ВИЭ в энергобалансе будет расти потребность в ёмких системах power storage, наибольший спрос будет в странах, планирующих долю ВИЭ в генерации не менее 25–30%.
Мощность используемых сегодня в мире решений power storage, как правило, не выше 1–2 МВт. Так, итальянская Enel запустила осенью 2015 года в Катании первое хранилище электроэнергии при солнечной станции на 10 МВт с ёмкостью батарей 2 МВт ч и планирует ВЭС на 18 МВт на юге Италии с литийионными батареями также в 2 МВт ч.
Крупнейший в Европе промышленный накопитель энергии появился в немецкой деревне Фельдхайм. Предприятие официально называется Региональной регулирующей электростанцией. Назначение станции мощностью 10 МВт и ёмкостью аккумуляторов 10,8 МВт ч – накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ, обеспечивать стабильность электросети, сглаживать временные изменения частоты.
Ряд компаний (RWE, Vionx, LG, SMA, Bosch, JLM Energy, Varta) начали поставлять на рынок промышленные и бытовые системы хранения энергии, которые также работают на основе разновидностей литийионных аккумуляторов, в первую очередь литий-железо-фосфатных (LiFePO4), а также ванадиевых батарей. Дальше других продвинулась Япония с технологией горячих аккумуляторов. В этом ряду нельзя не отметить наработки компании Tesla, которая и здесь впереди планеты всей, не в последнюю очередь благодаря грамотному пиару своей продукции, отличному дизайну, продвинутым технологическим решениям и «агрессивной» цене.
В прошлом году Илон Маск презентовал проект Powerwall – настенную литийионную батарею для дома ёмкостью 10 КВт ч (это примерно дюжина стандартных автомобильных аккумуляторов). Батареи достаточно для покрытия суточной потребности в электроэнергии средней американской семьи. Стоит она $3500. Интересно, что разработка Tesla позволяет наращивать систему до девяти штук, присоединяя к ней дополнительные единицы Powerwall.
Однако по-настоящему промышленным аккумулятором, скорее всего, станет другая разработка Tesla – аккумулятор Powerpack. С виду и по размерам он похож на холодильник и имеет ёмкость в десять раз большую, чем Powerwall – 100 КВт ч. Powerpack также является модулем. Добавляя такие модули в хранилище, можно наращивать ёмкость последнего практически до бесконечности. По словам Илона Маска, в США уже есть энергетические компании, работающие на основе технологии Powerpack и имеющие хранилища ёмкостью 250 МВт ч.
По расчётам компании PwC, хранение и распределение электроэнергии по сети в объёме 5 тысяч МВт ч может быть экономически выгодным в США при стоимости с учётом монтажа на уровне $350 за 1 кВт ч. Цена за пункт ёмкости при использовании модулей Powerpack равна $250.
Альтернативное накопительство
Альтернативой электрохимическим промышленным аккумуляторам может стать строительство объектов «зелёной» энергетики рядом с ГАЭС – гидроаккумулирующими станциями, запасающими энергию в виде воды. Изначальное предназначение ГАЭС – выравнивать неоднородность суточного графика электрической нагрузки. С развитием ВИЭ гидроаккумулирующие станции смогут также нивелировать дискретность выработки энергии СЭС и ветряками.
По данным Департамента энергетики США, в мире в настоящее время работает 292 гидроаккумулирующих комплекса общей мощностью 142 ГВт. Ещё 46 станций общей мощностью 34 ГВт строятся. КПД современных ГАЭС составляет 70–75%.
«Среди всех технологий хранения энергии гидроаккумулирующие комплексы являются самыми надёжными, опробованными и коммерчески выгодными аккумуляторами», – считает сотрудник департамента энергии Национальной лаборатории в Аргонне (штат Иллинойс) Владимир Коритаров. По его мнению, 98% действующих хранилищ энергии в мире и есть ГАЭС. Сегодня ГАЭС вновь в центре внимания, и не в последнюю очередь в связи с бумом ВИЭ, говорит Коритаров.
В Испании, например, где порядка 20% энергии вырабатывается ветром, хранилища ГАЭС гидроузла Cortes-La Muela наполняются ВЭС в ветреные ночи, а когда ветер утихает или потребность в энергии возрастает, вода из верхнего резервуара используется для вращения турбин и выработки энергии. Это самый большой в Европе комплекс такого рода мощностью 1762 МВт, способный обеспечивать энергией 500 000 домов.
В США на стадии планирования находится проект ГАЭС JD Pool в штате Вашингтон мощностью 1200 МВт. Пара его верхних резервуаров будет размещена между рядами ветровых турбин на плато Колумбия. Общая мощность 47 ветровых электростанций, находящихся в штатах Вашингтон и Орегон в непосредственной близости от предполагаемого места строительства ГАЭС, составляет 4695 МВт. Этого достаточно, чтобы не только снабжать электроэнергией ближайшие предприятия и домохозяйства, но и заполнять водой резервуары JD Pool.
А вот в совмещении СЭС и ГАЭС сегодня есть определённые сложности. Как правило, крупные солнечные электростанции размещены в жарких пустынных местностях, где наблюдаются проблемы с водой. Хотя при наличии полноводных подземных горизонтов и эта проблема решаема. Вот только воды из-под земли придётся выкачивать много, ведь ГАЭС – сооружение, размер которого имеет значение.
Фантазия без тормозов
Когда есть заказ и подразумевается бюджет, мозги учёных начинают работать с удвоенной силой. Поиски альтернативных химическим аккумуляторам способов хранения энергии идут в лабораториях всего мира, порождая подчас весьма экзотические проекты.
Британский Департамент энергии и изменения климата проинвестировал разработку хранилища энергии, в котором работает сжиженный воздух. Установка получила название LAES и развивает мощность 350 КВт ч. Её испытания прошли успешно, и проект имеет перспективы по масштабированию.
Работает установка следующим образом. При наличии избыточной электроэнергии воздух сжижается в ёмкости высотой 12 м, а диаметром – 3 м. А когда нужно, снова превращается в ток.
В местности Техачапи (штат Калифорния, США) действует другой необычный экспериментальный накопитель, запасающий энергию при помощи гравитации. Называется он ARES и с виду похож на детскую железную дорогу (ширина колеи – всего 381 мм). Когда ветер дует, вагончик, приводимый в движение электромотором, едет по ветке в гору, накапливая энергию, а когда стихает – устройство скатывается вниз. В этот момент его двигатель работает как генератор, подавая энергию в сеть.
Горка находится рядом с парком ветрогенераторов. Вес экспериментальной тележки – 5670 кг. Один из плюсов проекта – более низкая стоимость жизненного цикла по сравнению с батареями. При этом эффективность системы составляет 86%.
В дальнейшем в соседней Неваде, где по причине отсутствия воды нельзя соорудить ту же ГАЭС, планируется построить систему с объёмом запасаемой энергии 12,5 МВт ч. Это будет однопутная дорога длиной 8 км и уклоном 6,6 градусов. Двигаться по ней будут 17 сцепок: по два локомотива массой по 220 тонн и два вагона с бетонными блоками массой по 150 тонн каждый.
Источники: ИТАР-ТАСС, газета «Коммерсантъ», сайты renewableenergyworld.com, digitalsubstation.ru, tesla.com/powerwall , resilience.org , alternativenergy.ru
Ученые давно пытаются найти способы хранить энергию, чтобы пользоваться ею в любое время, а не тогда, когда заблагорассудится природе. И, надо сказать, определенных успехов человечество в этом добилось. Придумано большое количество способов, заставляющих электроток «отложить» свое действие. Однако все они непригодны для постоянного надежного хранения, а главное – не столь мощны, как хотелось бы.
На высшем уровне
Наконец проблема стала столь велика, что ею занялись на высшем уровне. Вице-премьер Аркадий Дворкович поручил «РОСНАНО» и Минэнерго РФ разработать программу по развитию промышленных технологий хранения электроэнергии. Такие технологии смогут компенсировать дефицит электроэнергии в случае аварий, а также сохранять невостребованную выработку ветровых и солнечных электростанций.Проблема в том, что более-менее приемлемых способов в мире пока не найдено. Однако господдержка, конечно, позволит активизировать поиски. Тем более что планируется компенсировать риски инвестиционных проектов в этой области, тем самым стимулируя спрос на внедрение новых накопителей. Использование накопителей позволит создавать экономически эффективные локальные энергосистемы, сгладить пики потребления и создавать рынки торговли электроэнергией для распределенной энергетики.
Сейчас работа электростанций подстраивается под потребителей, но во избежание резких пусков и возможных аварий необходим аккумулятор мощностью от 10‑20 МВт, способный полтора-два часа закрывать энергодефицит. Поиск его велся последние 20 лет, но пока необходимый аккумулятор так и не был найден, а те, что уже существуют, слишком дороги и имеют низкий КПД.
Сейчас мощность используемых аккумуляторов не превышает 1‑2 МВт. Так, итальянский энергоконцерн Enel осенью 2015 года запустил хранилище электроэнергии при солнечной станции на 10 МВт мощностью 2 МВт-ч.
Наибольший спрос в системах хранения, по прогнозам, будет в странах, активно повышающих долю возобновляемой энергетики в общей генерации (в некоторых странах ее планируется увеличить до 25‑30 %), а также в изолированных энергосистемах, таких, как у государств Азии и Африки. Еще один потенциальный потребитель – Дальний Восток, где возобновляемые источники необходимы в силу удаленности от больших электросетей и активно внедряются, но из‑за нестабильности выработки вынуждены действовать в комплексе с дизельными установками.
Кроме того, такие системы будут востребованы и на электротранспорте, где накопители призваны сгладить график потребления.
«Альтернативная энергетика уже завоевала свое место в мире, – говорит глава «РОСНАНО» Анатолий Чубайс. – Ее доля в общем объеме генерации возросла с 1 % до 10 %, и дальше только будет продолжать расти. По мнению экспертов, к 2050 году до 40 % энергобаланса будет составлять альтернативная энергетика. Я считаю, что в ближайшие 5‑15 лет хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией – и мы перейдем к другой электроэнергетике.
Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, – это накопление энергии. Такая технология изменит наши дома, потому что в этой ситуации потребитель станет независим от производителя электроэнергии. И это вопрос не 2050, не 2030 года – а гораздо более ранних сроков».
На стратегической сессии «Создание системы государственного стимулирования хранения электроэнергии в Российской Федерации», прошедшей в «Роснано», было отмечено, что глобальный рынок систем накопления электроэнергии находится в шаге от скачкообразного роста – за 10 лет его объем может вырасти в 100 раз. Уже сейчас очевидна тенденция к снижению стоимости производства систем хранения и совершенствование технических решений до уровня, который будет востребован промышленностью на рубеже 2020 года.
Задачи сохранения
В целом, проблема эффективного аккумулирования энергии, вырабатываемой в том числе из возобновляемых источников энергии, сейчас является одним из наиболее сложных вопросов энергетики. Конечно, внедрение аккумуляторов сделает энергоснабжение более надежным, позволит резервировать его.С помощью аккумулирующих устройств решаются следующие задачи:
выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает генерирующая установка в условиях, например, постоянно меняющейся скорости ветра;
согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда агрегат не работает или его мощности недостаточно;
увеличение суммарной выработки энергии генерирующей установкой.
Для реализации этих задач сейчас применяют, как правило, так называемые емкостные аккумулирующие устройства, в которых запас энергии рассчитан на 2‑3‑суточное потребление. Они необходимы для использования в периоды достаточно длительных спадов генерации энергии.
При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, должны приниматься во внимание многие характеристики аккумуляторов:
относительная масса;
удельные затраты;
длительность хранения энергии;
сложность энергетических преобразований;
безопасность эксплуатации и т. п.
Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, условий и схемы использования генерирующей установки, мощности нагрузки и схемы потребителя. Она определяется также исходя из технико-экономических показателей, т. к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта.
Гидроаккумулирующие станции
Как сейчас решается проблема сохранения энергии? На самом деле человечество изобрело достаточно много видов аккумуляторов – от уже ставших привычными до совсем экзотических.Самые известные – механические. Например, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).
Гидроэнергия является, по существу, одной из разновидностей механической энергии, но отличается тем, что ее можно аккумулировать в очень больших количествах и использовать при такой мощности и в таких промежутках времени, которые позволяют выравнивать переменную нагрузку энергосистем и обеспечить более равномерный режим работы тепловых электростанций.
Гидроаккумулирующая электростанция включает в себя два водохранилища (верхнее и нижнее), разность уровней которых обычно составляет от 50 до 500 метров. В машинном зале имеются обратимые агрегаты, которые могут работать как в качестве двигателей-насосов, так и турбин-генераторов. При высоком напоре (500 метров и больше) используются отдельные насосные и турбинные агрегаты. Во время, когда нагрузка энергосистемы минимальна (например, ночью) эти агрегаты заполняют водой верхнее водохранилище, а во время пиковой нагрузки системы преобразуют накопленную гидроэнергию в электрическую. КПД такого аккумулирования равен 70‑85 %, себестоимость получаемой таким способом электроэнергии намного выше, чем на тепловых электростанциях, но выравнивание графика нагрузки и возможность уменьшения номинальной мощности тепловых электростанций снижают эксплуатационные расходы энергосистем и вполне оправдывают сооружение ГАЭС. В настоящее время в мире их существует более трехсот.
Когда снижается потребность в электроэнергии, ее избыток используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом «лишняя» электрическая энергия превращается в механическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится перепуск воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором ее потенциальная энергия превращается в электрическую.
Маховики
Второй тип механического аккумулятора предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы удивительно прост. Аккумулятор этого типа – маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов.Запасаемая им энергия – не что иное, как кинетическая энергия самого маховика. Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тысяч оборотов в минуту.
Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20 %.
В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа. Но перспектива использования маховиков-аккумуляторов пока неясна.
Гирорезонансные накопители энергии представляют собой тот же маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). Энергия здесь запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика. Такими конструкциями в конце 1970‑х в Донецке занимался Н. З. Гармаш. По его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей 7‑8 тысяч оборотов в минуту, запасенной энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 километров против 30 километров с обычным маховиком тех же размеров.
Электрохимический аккумулятор
Издавна используется такой класс аккумуляторов энергии, как электрохимические аккумуляторы.Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией. В аккумуляторе она преобразуется в энергию химическую. Выдает же электрохимический аккумулятор накопленную энергию снова в виде электрической энергии.
Аккумулятор этого типа имеет два электрода – положительный и отрицательный, погруженные в раствор – электролит. Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Иными словами, между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.
При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.
Электрохимические аккумуляторы получили очень широкое распространение главным образом при запуске двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной емкости, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную емкость, считаются более надежными и имеющими больший срок службы.
Главным недостатком всех существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной энергии, запасаемой аккумулятором.
Хранение с помощью… вагона
Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES).
Практически все механические накопители имеют простую конструкцию, а следовательно, высокую надежность и большой срок службы. Время хранения однажды запасенной энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.
Энергию, запасенную при поднятии твердых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.
К сожалению, удельная энергоемкость таких устройств невелика. Чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров.
Гидравлика и гравитация
Существуют гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 тонн воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет.К сожалению, гидравлические системы трудно поддерживать в должном техническом состоянии – прежде всего, это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И еще одно важное условие – в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, – скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.
Электролизер
Здесь на этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например из воды выделяется водород – прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно или за ненадобностью «выброшен».На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии. Например, водород может дать сразу тепло, механическую энергию (при подаче его в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке).
Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и ее использования («разрядки»), высокой удельной емкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на килограмм топлива) и возможностью длительного хранения. Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность. Несмотря на эти недостатки, в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.
Конденсаторы
Самые массовые «электрические» накопители энергии – это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную емкость до нужной величины. Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) емкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое редко превышает несколько часов, а часто составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами.Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых – относительно невысокие токи зарядки и разрядки. Емкость их также находится в диапазоне между наиболее емкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами.
Другие типы накопителей
В пружинных механических накопителях большой расход и поступление энергии обеспечивается за счет сжатия и распрямления пружины. Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость. Поэтому спустя время сжатая пружина может оказаться «разряженной» полностью или частично.К газовым механическим накопителям относится ресивер воздушный. В этом классе устройств энергия накапливается за счет упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасенную энергию, сжатый газ подается в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор.
Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить высокую удельную плотность запасенной энергии в течение практически неограниченного времени. Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, – устройства достаточно сложные, имеющие ограниченный ресурс.
Известны также накопители, использующие химическую энергию. Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Она либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью. Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Но здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования.
Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако большинство из них весьма ограничено по плотности запасаемой энергии, по времени ее хранения, и имеют высокую удельную стоимость. Поэтому их эксплуатация всерьез не рассматривается.
С ейчас мы уже не можем представить свою жизнь без электричества и отопления. Вся наша повседневная жизнь связана с использованием множества электроприборов, которые обеспечивают нам необходимый уровень комфорта. Сегодня мы поговорим о том, как можно экономить электричество дома.
На диаграмме слева показана структура расхода электроэнергии для семьи из 3 человек.
С каждым годом затраты на электричество и отопление увеличиваются за счет повышения тарифов и роста количества используемых электроприборов. Так как запасы энергоресурсов очень ограничены, стоимость электроэнергии повышается ежегодно примерно на 15% и, соответственно, увеличиваются и наши платежи за электричество.
Поэтому все больше и больше людей начинают задумываться о том как экономить электричество дома.
Кроме того, экономия электричества позволит сократить потребление природных ресурсов и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, а значит внести посильный вклад в сохранение наших рек, озер и лесов.
Сэкономив 100 Вт электроэнергии, мы можем сохранить 48 кг каменного угля, или 33 л нефти, или 35 м3 природного газа.
В среднем семья из трех человек, проживающих в квартире 50 м2, платит за энергоресурсы около 59% от общей суммы коммунальных платежей, из них: 32% составляют отопление и горячее водоснабжение, 15% - электроэнергия, 12% - газ.
1.Утеплите дверные и оконные проемы специальным утеплителем.
Ведь основные утечки тепла происходят через окна и двери.
2. Вставьте новые энергосберегающие окна, лучше всего - с двойным стеклопакетом.
Если у вас есть балкон или лоджия, то застеклите их тоже. Это самый эффективный способ сберечь тепло в доме.
3. Необходимо правильно проветривать помещение.
Проветривайте при выключенном отоплении!
Полное проветривание в течении 2 минут каждые 3-4 часа сохраняет намного больше тепла, чем постоянное частичное проветривание. Зимой достаточно 2-3 минут полного проветривания. Весной и осенью - до 15 минут.
4. Не закрывайте батареи шторами и декоративными плитами и панелями.
Это предотвратит утечку электричества (потери могут составить до 30 %) и уменьшит опасность поломки бытовой техники и короткого замыкания.
2. Выключайте электроприборы, находящиеся в режиме «standby»
(режима ожидания включения) - телевизор, музыкальный центр, DVD-проигрыватель. 
Большинство приборов активно работают несколько часов в сутки, а остальное время находятся в режиме ожидания, при этом бесполезно расходуется значительное количество энергии.
3. Организуйте правильное освещение.
а. Максимально используйте естественное освещение (используйте светлые занавески, светлые тона отделки стен и потолков, чаще мойте окна, не захламляйте подоконники.) это позволит сделать помещение светлее.
б. Используйте принцип зонального освещения - необходимо рационально использовать общее освещение и местное. Общее освещение предназначено для общего освещения комнаты (люстра). Местное освещение (лампы,бра) позволяют осветить темные углы помещения.
Сочетание местного и общего освещения (комбинированное освещение) позволяет использовать свет более рационально - осветить только тот участок комнаты, который нам нужен. В результате устройства комбинированного освещения на комнату 18-20 м2 экономится до 200 кВт/ч.
4. Замените традиционные лампы накаливания на энергосберегающие.
Они потребляют в несколько раз меньше электроэнергии,а служат в несколько раз дольше.
5. Выключайте осветительные и другие электроприборы, в которых не нуждаетесь в данный момент.
Уходя, гасите свет.
6. Чаще мойте лампы и плафоны.
Как экономить электроэнергию на кухне и при приготовлении пищи
Электрическая плита - самый энергоемкий бытовой прибор, на ее долю приходится, больше половины всей потребляемой электроэнергии. Соблюдая простые правила и приемы при приготовлении пищи, можно сэкономить значительное количество электроэнергии.1. При варке в кастрюле нужно включать конфорку на полную мощность только до закипания воды. Как только вода закипела, сразу же переключайте нагрев конфорки на минимальное положение, при этом расход электроэнергии резко снизится, а время приготовления не увеличится.
2.Обязательно плотно закрывайте кастрюлю крышкой. При варке в открытой посуде расход электроэнергии увеличивается в 2,5 раза. Даже если крышка немного приоткрыта, это равнозначно тому, что крышки нет совсем, т.к. тепло теряется с уходящим паром.
3. Используйте посуду с диаметром дна, соответствующим размеру конфорки. Диаметры днищ кастрюль должны быть больше или равны диаметрам конфорок электроплит, на которые их ставят.
4.Не допускайте бурного кипения воды на включенной на полную мощность конфорке, ведь для кипения на разогретой плите достаточно и гораздо меньшей мощности.
5.Если вы выключите конфорку электроплиты немного раньше до окончания приготовления блюда, то сэкономите электроэнергию за счёт остаточного тепла.
6. При варке овощей используйте минимальное количество воды в кастрюлях.
7. Выбирайте кастрюли по размеру,соответствующем необходимому объему пищи. Если требуется приготовить небольшой объем пищи, то лучше это сделать в маленькой. кастрюльке на самой маленькой конфорке.
8. Донышки у кастрюль и сковородок должны быть ровные и чистые, для того чтобы был плотный контакт с конфорками. Посуда с кривым дном или с нагаром требует электроэнергии на 60 % больше.
9. При покупке посуды выбирайте сковородки и кастрюльки с толстым дном и стекляными крышками.
10. Используйте скороварки. Они очень экономят электроэнергию и время. Время приготовления пищи в них сокращается в три раза, а расход электроэнергии в два раза. Это достигается благодаря герметичности скороварок и особого режима приготовления - температура внутри посуды достигает 120 градусов за счет избыточного давлении пара.
11.Посуда из нержавеющей стали с толстым полированным дном обеспечивает хороший контакт с плитой и позволяет экономить энергию. Посуда из алюминия, эмалированная, с тефлоновым покрытием не экономичны.
12. Состояние конфорок электроплиты имеет большое значение. Если в конфорке сгорели одна или две спирали или конфорка вспучилась от перегрева, потребление электроэнергии возрастает до 50 %. Ее нужно срочно менять.
13. Применяйте специальные электронагревательные приборы (сковородки, кастрюли, грили, кофеварки. и др.), в которых блюда получаются более вкусными и качественными, а электроэнергии тратится намного меньше. Используйте электрочайник, который сам по себе экономит электроэнергию, автоматически выключаясь при закипании в нем воды. Кипятите воды ровно столько, сколько требуется на один раз.
14.Существенно сократить расход на электроэнергию может своевременное удаление накипи внутри электрочайников.
15. Используйте термосы или поттеры для поддержания воды и пищи в нагретом состоянии в течение длительного времени.
16. Не используйте включенные конфорки электроплиты для обогрева помещения, это неэкономно, малоэффективно и опасно.
17. Для разогрева и приготовления пищи используйте микроволновые печи, они сэкономят вам время и энергию.
Что мы обычно делаем неэкономно:
■ выбираем неподходящую посуду - потери электроэнергии 10% -15%
■ Не закрываем плотно посуду при приготовлении пищи. - потери 2%- 6%
■ Используем слишком большой объем воды - потери 5%- 9%
■ Используем посуду не по размерам конфорки - потери 5% -10%
■ Не используем остаточное тепло - потери 10% -15%
А для закрепления материала - замечательная инфографика от Объединенной энергетической компании. Картинка кликабельна.
Используя эти простые советы вы сможете значительно сократить расходы на электроэнергию и сэкономить деньги.
Повторим основные правила:
Чтобы экономить электроэнергию в квартире, необходимо научиться использовать ее рационально. При этом кроме существенной экономии денег при оплате энергии, вы вносите очень важный вклад в решение глобальных экологических проблем.
В статье использованы материалы Информационно-консультационного центра по энергосбережению (ИКЦЭ).
Бурное развитие рынка систем солнечных батарей для частных домохозяйств и малых бизнесов наблюдается уже несколько лет. По логике вещей, следовало ожидать также заметного оживления на рынке мощных аккумуляторов, позволяющих запасать электричество. Однако, в этой области наблюдалось затишье, вплоть до 2015 года, когда компания Tesla провела презентацию своей батареи Powerwall. Вскоре стали подтягиваться конкуренты, в отрасли начался стремительный рост числа игроков.
В Анахайме (Калифорния) прошла международная выставка Solar Power Int., на ней свои новые разработки представил ряд молодых компаний. Технологический стартап под названием SimpliPhi Power презентовал батарею повышенной мощности, ориентированную на частные дома и малые бизнесы. Продукт SimpliPhi Power отличается малым весом, не требует дорогой системы охлаждения и вентиляции, а его гарантийный срок службы больше, чем у литийионных батарей.
Ещё раньше прошла презентация компании Orison, она намерена вывести на небольшой аккумулятор с простыми настройками («включил и работай»), предназначенный для обслуживания домашних солнечных панелей. Отличие решения Orison в том, что этот тип батарей не требует в США специальных разрешений для использования в частном и малом коммерческом секторе. Кроме того, аккумулятор от Orison прост в установке.
Будучи совсем молодым стартапом, фирма Orison ещё не обзавелась собственными производственными мощностями. Она планирует провести кампанию по привлечению инвестиций на Kickstarter, и если всё пройдет успешно, то первые серийные изделия поступят в продажу в начале 2016 года.
Суть новшества, предлагаемого инженерами из Orison в том, чтобы провести полную автоматизацию управления аккумулятором. Устройство подключается к сети через обычную розетку, после чего работает в режиме подзарядки в те периоды, когда энергия поступает извне (например, днем, когда работают солнечные панели). Вечером и ночью батарея производит отдачу энергии в домашнюю сеть.
Владельцы домов, оснащенных солнечными панелями, должны быть заинтересованы в установке аккумуляторов такого типа. В будущем эти системы принесут домовладельцам ощутимый финансовый выигрыш, поскольку позволят лучше управлять процессом взаимодействия с национальной энергетической сетью. Домохозяйство, оборудованное «умным» аккумулятором, сможет экономить, подключаясь к общей сети в не пиковые периоды и получая электроэнергию по сниженным тарифам. Выигрыш ожидает и энергетиков, пиковые нагрузки на генераторы электростанций будут сглаживаться.
В батареях компании SimpliPhi использован фосфорно-кислый железистый литий (lithium iron phosphate). Это соединение феноменально улучшает уровень безопасности, снижая риск перегрева и возгорания аккумулятора.
На данный момент, несмотря на шумную PR-кампанию, сопровождавшую выход на рынок домашних аккумуляторов Tesla, батареи такого типа остаются слишком дорогими и громоздкими для большинства потенциальных клиентов.
Компания SolarCity, крупнейший в США провайдер солнечной энергии, начала предлагать комбинированные системы, включающие солнечные панели и аккумуляторы Powerwall от Tesla этим летом. Однако сейчас это решение доступно только для недавно построенных домов.
Конкурент SolarCity, компания SunEdison ранее в этом году приобрела стартап Solar Grid Storage, владеющий рядом ценных технологий. Но пока сложно сказать, к каким последствиям для рынка хранения энергии домохозяйствами это может привести.
Для многих клиентов желаемая цель состоит в том, чтобы «окончательно перерезать пуповину». Установить у себя достаточное число солнечных панелей и аккумуляторов, чтобы отпала необходимость обращаться к национальной энергетической сети. Но большинство домохозяев не смогут добиться этой цели в обозримом будущем.
Генеральный менеджер SimpliPhi, Кэтрин Фон Бёрг отметила: «Как мы можем видеть рыночную ситуацию, потребители остаются привязанными к общей сети, но развивают собственные мощности генерации и хранения, сеть превращается в резервный вариант».
В изделиях компании Orison применена привычная конструкция батареи, на основе сплава лития, марганца и кобальта. Гендиректор Orison, Эрик Клифтон отказался назвать поставщика материала для батарей. В продуктах SimpliPhi установлена батарея нового типа, на основе фосфорно-кислого железистого лития. Отсутствие в конструкции кобальта, редкого металла, чья цена на рынке подвержена сильным колебаниям, снижает зависимость от сырья. Ещё более важно то обстоятельство, что в продуктах SimpliPhi решена проблема перегрева, которая была серьезной болезнью литийионных батарей. Как известно, обычные литийионные аккумуляторы проявили склонность к разрушению при перегреве (вследствие теплового пробоя) и даже к возгоранию.
При этом батареи на основе фосфорно-кислого железистого лития обладают меньшей производительностью, что ведет к увеличению требуемого объема помещений для их хранения.
Как бы то ни было, пока не известно, готовы ли потребители в массовом порядке платить тысячи долларов ради возможности запасать электроэнергию в своих домах.
Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш