Твердотельные накопители энергии

Накопление энергии — одна из основных проблем мировой энергетики. Из-за того, что потребление электроэнергии происходит неравномерно в течение суток, электростанции зачастую работают в неоптимальном режиме. Промышленные энергонакопители помогают сделать энергосистему гибкой, сглаживая пики потребления. Поэтому рынок накопителей энергии непрерывно растет.

В современных энергетических системах применяются в основном три вида накопителей, — на воде ГАЭС, на сжатом воздухе (CAES) и электрохимические – аккумуляторы. У каждой из них есть свои плюсы и минусы, но главным критерием для всех накопителей все-таки остается эффективность. КПД ГАЭС – 70%-75%, (CAES) – 45%-55%, электрохимические накопители – 65%-70%.

Российским инженерам из компании «Энергозапас» удалось создать твердотельную аккумулирующую электростанцию (ТАЭС) с КПД прототипа 60%. Идея накопления энергии с помощью твердых грузов возникла еще в 2012 году, но практическая ее реализация берет начало в 2016, год основания компании.   Разработанная автоматизированная технология позволяет накапливать энергию за счет вертикального подъема и спуска тяжелых твердых грузов.

Проблема: как накопить избыток энергии?

Во всем мире существует острая необходимость в накопителях энергии, так как они решают важнейшие для энергетики задачи. Во-первых, они способны выравнивать нагрузку на агрегаты электростанций, снижая аварийность. Во-вторых, сокращаются затраты на обслуживание сетей. В промышленном производстве неизбежно возникают пики мощности, при которых питающие подстанции испытывают перегрузки. Если устанавливать накопители на подстанции или у потребителя, пики потребления будут сглажены, а нагрузка на электросети уменьшится. В-третьих, энергонакопители могут использоваться в независимых энергосетях.

Абсолютное большинство накопителей энергии в мире составляют гидроаккумулирующие электростанции. По данным Министерства энергетики США, на них приходится более 98% всех мировых мощностей. ГАЭС — это два водоема, которые расположены на разных уровнях и соединены между собой системой насосов и генераторов. Во время низкого спроса на электроэнергию вода перекачивается из нижнего водоема в верхний, потребляя дешевую энергию электросети. Во время пика потребления вода сбрасывается из верхнего водоема в нижний, вырабатывая дорогую электроэнергию и возвращая ее в сеть. Это генераторный режим.

Крупнейшие в мире гидроаккумулирующие электростанции: Бас Каунти (США) —   3003 МВт, Хойчжоу (Китай)  — 2448 МВт, Загорская (Россия), — 1200 МВт, Ташлыцкая (Украина) — 900 Мвт. Однако ряд нюансов не позволяет использовать ГАЭС в любом месте, где необходимо. Во-первых, для строительства нужна большая территория и обязательный перепад высот. Во-вторых, обязательным условием является наличие природного источника с большим объемом воды. А при аварии на ГАЭС возникает опасность техногенной катастрофы. Учитывая эти факторы, команда компании «Энергозапас» предложила свое решение — использовать вместо энергии воды потенциальную энергию твердого тела и в 2017 году был разработан первый прототип твердотельной аккумулирующей электростанции.

Решение: земля против воды

Работа ТАЭС строится на тех же принципах, что работа ГАЭС, но вода заменяется спрессованным грунтом. При поднятии грузов на высоту используется электроэнергия из сети. Когда возникает потребность в высвобождении энергии, грузы опускаются под действием силы тяжести. Удельные капитальные затраты становятся оправданными при емкости накопителей от 300 МВт. ч. КПД прототипа составляет 60%, при увеличении мощностей он составит 80%.

Твердотельные АЭС могут строиться на любой местности, вне зависимости от перепадов высот. При этом площадь занимаемой территории будет в несколько раз меньше. По словам Андрея Брызгалова (один из соучредителей «Энергозапас» ), чтобы получить такие же характеристики, что у Загорской ГАЭС, необходимо построить ТАЭС, которая займет территорию в 40 раз меньше. Важно и то, что эксплуатация ТАЭС экологически безопасна, а в случае возможной аварии отсутствует опасность техногенной катастрофы.

Стоит отметить, что энергонакопители, построенные на принципах потенциальной энергии тела, встречаются и в других странах мира. Например, у немецкой компании Heindl Energy есть проект, в котором цельный поршень из гранита диаметром 250 м поднимается вверх водным столбом в цилиндре. А в проекте американской компании ARES тяжелые грузы буксируются вверх железнодорожными составами, затем спускаются вместе с ними вниз, вырабатывая ток.

Но в каждом из этих примеров также нужны уникальные характеристики ландшафта или огромный объем воды. Поэтому компания «Энергозапас» задумалась над совершенно новым подходом, который реализовала в 2018 году в Академгородке Новосибирска.

Лифты, которые перевозят энергию

Решение, предложенное «Энергозапасом», представляет собой систему вертикальных лифтов. В 2018 году был построен прототип ТАЭС высотой в 20 метров и мощностью 10 кВт. В здании вдоль стен располагаются 8 шахт, которые представляют собой вертикальные колонны, связанные горизонтальными и наклонными распорками. В шахтах лифты поднимают грузы на высоту, потребляя излишки электроэнергии из сети. Грузы закрепляются вверху, а лифт спускается за новой партией. Спуск грузов происходит под действием силы тяжести. Это приводит в движение мотор-генератор, с помощью которого вырабатывается электроэнергия.

В лифтах ТАЭС отсутствуют противовесы. В качестве грузов используют крепкие полимерные мешки, наполненные спрессованным грунтом. Груз армируется геосеткой, чтобы снизить боковое давление и уменьшить требования к материалу оболочки.

Чтобы нивелировать воздействие ветра на сооружение, его окружили своеобразной «юбкой» шириной в четверть радиуса ТАЭС. Она преобразует горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку. Также разработчики продумали, как преодолеть сейсмические колебания. В этом помогает сама конструкция. В каждый момент времени перемещается определенное количество грузов, а остальные выполняют роль отвеса и подавляют колебания.

Следующим шагом к полноценной промышленной ТАЭС стало строительство на территории технопарка «Сколково» опытно-промышленной станции высотой 80 метров и мощностью 2,4 МВт.

Запуск опытно-промышленной ТАЭС запланирован на 2021 год. Объем финансирования проекта составил от $1, 3 до $2, 6 млн. Здание имеет цилиндрическую форму диаметром 30 метров. Оболочка окружена так называемой Шуховской сеткой для устойчивости к ветровым нагрузкам. Внутри цилиндра располагаются рекуперативные подъемники и грузы, а также несущий каркас накопителя.

По словам Андрея Брызгалова, сооружение в «Сколково» будет шоурумом, в котором можно тестировать электрофизическую установку, а также демонстрировать результаты потенциальным инвесторам. В опытной установке будут использованы те же механические и электронные компоненты, а также строительные технологии, которые затем воспроизведут в промышленной ТАЭС. Кроме того, инженеры «Энергозапаса» представили VR-модель опытной ТАЭС, которая уже сейчас позволяет увидеть объект внутри и снаружи с большой степенью детализации.

Если все технические характеристики будут одобрены, компания «Энергозапас» планирует запустить первую промышленную ТАЭС в 2025 году. При высоте в 300 метров и застройке площади около 1 км² емкость накопителя составит 10 ГВт. ч, а мощность ТАЭС — 1 ГВт. Отмечается, что мощность и емкость могут быть изменены по требованию заказчика.

Где могут понадобиться ТАЭС

Накопление энергии с помощью ТАЭС может быть использовано в энергосистемах любого типа. В возобновляемых источниках энергии накопитель понадобится, чтобы поставлять электроэнегию во время неподходящих погодных условий. При использовании ТЭС устаревшие агрегаты можно заменить не новыми аналогами, а накопителями. Оставшиеся агрегаты смогут работать в режиме, который обеспечит наименьший износ и максимальный КПД. Атомные электростанции должны работать на постоянной мощности во избежание катастроф, а накопители помогут аккумулировать избыточную энергию АЭС.

Как отмечает Брызгалов, проект твердотельные накопители энергии ориентирован и на иностранные рынки. В ТЭС могут быть заинтересованы такие страны, как Индия, Китай, Вьетнам и Япония. Кроме того, накопители могут быть использованы в Северо-Западных районах России, где зафиксирован переизбыток энергии.

В настоящее время команда «Энергозапаса» работает в сотрудничестве с российскими энергетиками, а их проект входит в программу Национальной технологической инициативы.

Источник: technovery

Спасибо за ваше внимание. smileyЕсли понравилась, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару строк своего мнения