Scienty

Каждое качественно новое обращение с энергией порождало техническую революцию. По пути к современной цивилизации последовательно осваивались способы использования энергии в первоначальной форме, превращения её в работу и транспортировки.

В недавнем, с точки зрения истории, времени появились широко используемые технологии для накопления энергии. Технологические и социальные изменения, связанные с ними, только начались и приобретут всё большую значимость.

Вместо подробного изложения физики, для этой задачи рассмотрим следующее определение. энергииЭто количественная характеристика, определяющая предельную величину. работыЭто свойство, присущее организму или системе, согласно которому энергия не поддаётся созданию и разрушению. закону сохранения энергииЭнергия может перемещаться между объектами или переходить из одной формы в другую. Общее количество энергии во Вселенной ограничено, и полное её использование недостижимо: всегда будут потери энергии из-за неизбежных потерь при любом действии. энтропия).

Чудо превращения

Солнце является главным источником энергии для Земли, выделяя её в виде электромагнитного излучения.
Это излучение нагревает всё живое и используется фотосинтезирующими организмами для превращенияНеорганических веществ переходят в органику. Последняя становится основой всей пищевой цепи, являющейся с физической точки зрения последовательностью преобразований энергии.

Человечество двинулось вперед и научилось не только насыщать свой голод, но и улучшать эффективность своего существования. Полное использование доступной энергии стало определяющим фактором для становления современной цивилизации. Всё началось более миллиона лет назад — существуютДостоверные подтверждения о том, что ко времени этого момента члены нашего рода HomoЛюди уже умели использовать естественные источники огня, а через 400 тысяч лет кострища появились на всех обитаемых землях.

Дрова оказались первыми ресурсами, найденными человеком. первичным источником энергииЭтот термин особенно важен — так называется любая форма энергии, которая ещё не была преобразована или использована для совершения работы. В данном случае первичная энергия применялась практически без изменений (с минимальным числом преобразований): топливо превращалось в тепло, которое использовалось для обогрева, приготовления пищи и обработки инструментов.

Эти методы добычи энергии гораздо проще тех, которые можно получить естественным путём. Всё же эти способы помогли нашим предкам стать самыми удачливыми млекопитающими на Земле и ускорили их эволюцию.

Тепловые машины

До конца XVII века человек мог трудиться или использовать для работы животных. Извлечение энергии в работу было ограниченным явлением — только с помощью ветряных или водяных мельниц. Но область применения таких устройств была узкой: либо из-за привязки к реке, либо из-за непостоянства погоды. Поэтому первичная энергия, помимо гидро- и ветровой, использовалась исключительно в виде тепла.

Изменения произошли в 1712 году, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен Thomas Newcomen) довел наконец свою пароатмосферную машинуПростой в устройстве механизм способствовал откачке воды из рудников, радикально переменив добычу полезных ископаемых: стала доступна разработка прежних недрах.

Последующие усовершенствования шотландским инженером Джеймсом Уаттом (James WattИзобретение парового двигателя двойного действия привело к началу промышленной революции, в честь этого учёного название единицы мощности — ватт.

Внедрение паровых машин значительно повысило производительность труда в промышленности. Результат — индустриализация и перемены общественно-экономической жизни во всем мире, вызванные универсальным способом преобразования энергии в механическую работу.

Электричество

Оставалась одна проблема: источник первичной энергии не мог находиться далеко от места выполнения работы из-за невозможности транспортировки. Следовательно, тепло нужно было конвертировать в промежуточную форму энергии (вторичную), которую можно передавать на расстояния, а также легко превращать в полезное действие там, где требуется.
Задача была решена электромоторами и генераторами, промышленные образцы которых удалось создать в конце XIX века.

Электричество позволило существенно повысить результативность труда людей на глобальном уровне. В первую очередь, исчезла зависимость от солнечного света. фонарей ЭдисонаЛюбая работа выполнялась либо днём, либо сопровождалась серьёзной угрозой пожара или взрыва (на шахтах, мельницах и фабриках).

Эффективность тепловых машин тем выше, чем они крупнее: потери на трение и переизлучение тепла растут линейно, а рабочий объем (следовательно, количество переходящего в работу тепла) увеличивается пропорционально кубу размеров. Множество небольших паровых двигателей (на каждое предприятие или станок) всегда будет менее эффективным, чем один крупный, равный их суммарной мощности. Выгоднее вырабатывать вторичную энергию (электричество) на мощном генераторе и транспортировать её до потребителей.

Запас на черный день, час, секунду

Человечество практически достигло пика эффективности производства первичной энергии, её преобразования в электричество и последующей передачи. Небольшие усовершенствования могут появиться, а новые способы генерации будут найдены, но революционных прорывов не ждём даже от термоядерной энергетики.

Для увеличения производительности энергосистем важно распределять нагрузку и поддерживать её баланс. Из-за этого хранилища энергии в ближайшем будущем могут стать главными технологиями, способствующими развитию экономики и промышленности.

До индустриализации человечество преимущественно применяло один вид накопителей энергии — гончарный круг. Это маховик, кинетический накопитель энергии, приводящийся в движение короткими усилиями (толчки рукой или качание рычага ногой) и совершающий равномерно работу на протяжении более длительного времени. Он не только запасает энергию, но и переносит во времени — позволяет тратить её дольше и позднее, чем она накапливалась.

В течение длительного времени, даже после промышленной революции, эти два свойства не представляли особой важности для энергосистем. С появлением электросетей городского масштаба балансировка нагрузки возлагалась на резервные мощности – их включали по мере необходимости.
Такие электростанции менее эффективны, но им не нужно работать постоянно. Равномерность характеристик тока и поставляемой мощности обеспечивалась размерами энергосети благодаря ее большой емкости. Колебания напряжения и частоты из-за быстрых изменений нагрузки были допустимы для подавляющего числа потребителей.

Для обеспечения транспорта и других нужд за пределами основной энергосистемы эффективным вариантом оказалось углеводородное топливо — по сути, накопитель энергии. Его производство связано с использованием первичной энергии, при этом затраты также несут характерные особенности. Однако экологические проблемы и ограниченность ископаемых ресурсов в ближайшем будущем могут стать причиной отказа от его использования.

По тем же причинам меняется и структура генерирующих мощностей — всё большая часть первичной энергии берется из возобновляемых источников. Последние отличаются зависимостью от природных условий, и при их использовании важность резервных (пиковых) электростанций только возрастает. Скорее даже накопителей энергии, потому что пиковая генерация, в среднем, «грязнее» и менее эффективна, чем базовая.

Что такое накопители и какие они бывают

Для инженера или физика понятия аккумулятор и накопитель энергии совпадают — это любое устройство, позволяющее запасать энергию в той или иной форме.
В связи с большим количеством форм энергии способы её запасания тоже весьма разнообразны и классифицировать их непросто.
Можно за основу взять наличие или отсутствие преобразований энергии в самом накопителе. Тогда можно было бы условно разделить все аккумуляторы на два класса:

• Внешнее преобразование энергии происходит в виде кинетической (колеса), тепловой, гравитационной (поднят груз) и гидравлической.
• И с внутренними — обратимые электрохимические батареи.

Различие между ними состоит в том, что первые способны напрямую выполнять механическую работу за счет запасенной энергии, а вторые выдают электричество или тепло, которые ещё нужно преобразовать в полезное действие. Тем не менее такое разделение интересно исключительно в теоретических целях, а на практике определяющими являются конкретные параметры аккумуляторов. Вот самые важные среди них. плотность энергии, удельная энергияГравиметрическая плотность энергии, скорость накопления и отдачи заряда и разряда, удельная и максимальная выходная мощность, доступность компонентов (стоимость), эффективность (КПД преобразований), срок службы и скорость саморазряда (потери энергии).

Рассмотрим основные типы накопителей энергии, оценивая их по способности хранить энергию в течение определенного времени и доступной емкости.

Достоверно, результативно, быстро и легко, однако ненадолго.

Хорошо известные нам с помощью гончарного круга ручные приводы, созданные современными технологиями — невероятно эффективнКПД составляет 95-97%. По сравнению с другими решениями для накопления энергии данная технология отличается простотой конструкции, долговечностью и надежностью. Среди минусов – высокая опасность при разрушении. Вероятность такого события мала, но последствия могут быть катастрофическими. Частично проблему решают супермаховики – их изготавливают не из монолитного материала, а намоткой металлических или композитных лент. При разрушении они расслаиваются и тормозят себя о стенки кожуха.

В середине XX века маховики пробовали использоватьТранспортное использование не принесло успеха. Гироскопический момент от вращающегося тела осложнял управление такой машиной, а большой вес и небольшой запас хода помешали массовому внедрению технологии. Некоторая возможность у маховиков есть только на железнодорожном транспорте, где колебания и вибрации во время движения меньше, поэтому потери из-за трения на подвесе и гироскопического эффекта тоже меньше.

В качестве накопителей энергии для электросетей маховики демонстрируют хорошие результаты.
Они способны запасать в течение часа десятки или сотни киловатт-часов электричества, существуют проекты мегаваттного класса. Современные решения используют керамические или магнитные подшипники в подвесе, композитные материалы для корпуса вращения и разгоняют его до десятков тысяч оборотов внутри вакуумной камеры. Удельная энергоемкость коммерческих маховичных накопителей колеблется от 10 до 20 ватт-часов на килограмм веса конструкции (теоретический максимум в десять раз выше). Это обусловлено необходимостью снабжать устройство массивным корпусом для защиты окружающих при разрушении. Тем не менее, для энергетической инфраструктуры этот недостаток несущественен и с лихвой компенсируется скоростью накопления полной емкости (минуты) и длительным сроком эксплуатации (десятилетия без обслуживания).

Строго электрическая альтернатива

Маховик имеет электронный аналог — электрический конденсатор. Только его можно назвать истинным накопителем энергии в форме электричества по строгой классификации. В отличие от химических источников тока (о которых далее), в конденсаторах не происходит преобразование энергии из одного вида в другой. Энергия хранится в виде электрического поля за счет поляризации диэлектрика, разделяющего катод с анодом.

Конденсаторы незаменимы в современной технике, но как долговременные накопители энергии применяют редко из-за низкой удельной емкости и высокой стоимости на киловатт-час запасаемой энергии. При этом достоинства конденсаторов впечатляют: крайне быстрая зарядка и разрядка (считанные секунды даже для большой емкости), высокая выходная мощность, предельная простота конструкции и большой ресурс. суперконденсаторовВ отличие от обычных моделей, эти устройства спроектированы с учетом ёмкости за счёт снижения максимального напряжения, а значит, и выходной мощности.

Иногда суперконденсаторы размещают в одном корпусе с электрохимической батареей, что продемонстрировано примером. австралийской разработкеОна теоретически объединяет преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов, одновременно смягчая их минусы. Энергоемкость и максимальная подаваемая мощность увеличиваются, при этом сохраняется большая удельная емкость.

Бесконечное разнообразие ХИТов

Химические источники тока — самый распространённый тип хранилищ энергии в быту. Существуют одноразовые (первичные) и перезаряжаемые (вторичные) ХИТ. Различие между ними заключается в том, что химические реакцииХИТ может быть легко обратим или нет. В принципе любой ХИТ представляет собой одну или несколько электрохимических ячеек (батарея). Каждая ячейка состоит из катода с анодом, пространство между которыми заполнено электролитом — источником носителей заряда — ионов. Электроды размещаются в своих частях ячейки и разделены мембраной, которая пропускает только ионы (в простейшем гальваническом элементе мембрана не требуется).

При разряде ячейки работают, как гальваническиеВещество катода притягивает электроны у атомов электролита (окисляя), а вещество анода восстанавливается (отдает электроны). Во время зарядки происходит электролиз, и химическая реакция обращается вспять. Характеристики ХИТов зависят от материала электродов и электролита, что создает огромное их разнообразие.

Самый старый тип широко применяемых электрических аккумуляторов – свинцово-кислотные (АКБ). В них пары электродов – один из свинца, другой – из оксида свинца – помещены в раствор серной кислоты и разделены сепаратором. При подключении такой ячейки к нагрузке свинец окисляется до сульфата свинца, а диоксид свинца восстанавливается до того же соединения. За полтора столетия конструкцию модернизировали множество раз, но существенных изменений не было. Основные преимущества АКБ – высокая выходная мощность и доступность цены, а недостатки – малая удельная емкость и токсичность.

Второй по популярности тип электронных аккумуляторов — это тот, где катод сделан из никелевого метагидроксида. NiO(OH)Для изготовления анода применяют кадмий, железо или сплав с большой способностью к присоединению водорода (металл-гидрид). Энергетическая плотность таких батарей значительно выше, чем у свинцово-кислотных, но и стоят дороже. Кроме того, токсичность — проблема (кадмий — яд), поэтому с середины 2000-х годов по экологическим соображениям используются только металл-гидридные варианты. NiMH).

В последние десятилетия главным хитом стал литий. Он лежит в основе широкого класса электрических аккумуляторов. Литий входит в состав анода, катода и электролита (в виде солей). Разнообразие соединений этого металла настолько велико, что описать их даже общими чертами непросто — литий-ионные аккумуляторы… Li-ioРазличные типы аккумуляторов, за исключением литиевых, имеют мало общего. Их параметры различаются в очень широком диапазоне. Наиболее эффективные варианты демонстрируют энергетическую плотность свыше 200 ватт-часов на килограмм массы (существуют экспериментальные разработки в несколько раз больше), что минимум в два раза превышает показатели NiMH аккумуляторов.

Другие характеристики литиевых аккумуляторов сравнимы или превосходят аналогичные показатели других распространенных типов электронных аккумуляторов. Вследствие этого Li-ionЛитиевые аккумуляторы стали общепринятым стандартом в портативной технике, транспорте и даже малых энергосетях. Разрабатываются проекты накопителей большой емкости – до мегаватт-часов, но на сегодняшний день экономически оправданы решения с емкостью до десятков киловатт-часов (например, для автомобилей или частных домов). Благодаря своим качествам литиевые аккумуляторы приобрели большую популярность в потребительской электронике. Это стимулировало массовое производство и развитие технологий, что привело к существенному снижению стоимости таких батарей.

Созданы и ограниченно применяются в некоторых сферах ещё несколько типов электрических аккумуляторов. Каждое из них отличается одной характеристикой как преимущество, но уступает литиевым, никелевым или кислотным по остальным параметрам. Например, воздушно-цинковые батареи могут иметь рекордную удельную энергоемкость, но при этом недолговечны, сравнительно дороги и неэффективны (большие потери при заряде и разряде). Существует огромное множество экспериментальных или однажды опробованных и отброшенных комбинаций химических реакций. Некоторые из них имеют шансы на успех в будущем, другие бесперспективны из-за выявленных критических недостатков (токсичность компонентов, взрывоопасность или дороговизна).

Топливные элементы устроены подобно гальваническим ячейкам, только катод и анод состоят из катализаторов, а в токообразующую реакцию вступают расходуемые вещества: водород (в чистом виде или в составе соединений, например, метанола) и кислород. В топливных элементах происходит реакция, аналогичная горению, но с меньшим выходом тепла, от которого напрямую отбираются электроны. Теоретическая эффективность стремится к идеальной, но на практике КПД больше 60% получить крайне трудно. А с учетом потерь на выработку промежуточного энергоносителя эффективность становится еще менее привлекательной.

Сходная с топливными элементами, но работающая по принципу, аналогичному электрохимическим аккумуляторам, технология — проточные редокс-батареи. ПРБ). О них для Naked ScienceОб этом говорит эксперт в области PRB Михаил Петров, руководитель лаборатории электроактивных материалов и химических источников тока РХТУ имени Д.И. Менделеева.

«Главная концепция проточной РЭБ заключается в разделении батареи на части, отвечающие за емкость и мощность. Емкостью обладают два бака с электролитами, а мощность обеспечивает основной корпус проточной батареи (разрядная ячейка). Электролиты непрерывно прокачиваются насосами через разрядную ячейку, не смешиваясь друг с другом, а проходят каждый через свою полуячейку, где окисляются или восстанавливаются на поверхности электродов. В целом это напоминает классический топливный элемент H2/O2, но есть одно отличие: ПРБ — аккумулятор, то есть реакции с его электролитами обратимы (можно просто поменять жидкости в баках на предварительно заряженные).

ПРБ — это специализированная система хранения энергии, которая оптимально подходит для долгосрочного накопления больших объёмов.
При малых мощностях и емкостях ПРБ неэффективны из-за высоких затрат на насосы и арматуру, а их удельная мощность и емкость остаются ограниченными даже при масштабировании.
Вандиевые ПРБ с электролитом на основе сернокислых растворов ванадия, которые преобладают на рынке, выдерживают до 100 тысяч циклов заряда-разряда. Электролит для них часто предоставляется в лизинг из-за его высокой стабильности во время работы.
Ещё одним преимуществом является низкий саморазряд: ПРБ можно зарядить и хранить в заряженном состоянии длительное время. Кроме того, они не пожароопасны и не взрывоопасны, содержат меньше токсичных компонентов, требующих утилизации.
Поэтому ПРБ находят применение в качестве накопителей энергии на производствах (например, резервных источников питания) и в энергосетях для балансировки выработки ветро- и солнечной энергии. ».

Снова воздух, земля и вода

Перечисленные методы сохранения энергии эффективны только на небольшом уровне. По причине экономических или технологических ограничений их накопители имеют максимум единицы мегаватт емкости, а время хранения — часы или дни. Даже электрохимические батареи, хотя и способные удерживать заряд месяцами, в крупных системах невыгодны. Их саморазряд на пару процентов за неделю существенно снижает экономическую целесообразность. Промышленным предприятиям и городам требуется альтернативное решение.

Проверенный способ накопления энергии — гравитационный аккумулятор с водой как рабочим телом.
Во время избытка электроэнергии, когда потребление ниже пиковых значений, водохранилище на возвышенности наполняется насосами из расположенного ниже бассейна. При необходимости уравновесить рост нагрузки на сеть вода, спускающаяся вниз, вырабатывает электричество подобно обычной ГЭС. Эффективность достигает 70% или немного больше, а простота конструкции позволяла строить такие аккумуляторы ещё в начале XX века. Единственный недостаток — огромные капитальные затраты на сооружение, из-за чего экономический смысл гидроаккумулирующей электростанции ( ГАЭСМожет потребоваться запасать не менее, чем гигаватт-часов энергии.

Среди достоинств ГАЭС — возможность хранения энергии месяцами, а при достаточном размере бассейна — и годами. Строить аккумуляторы подобного типа возможно не везде: нужен значительный перепад высот. В мире функционирует около полутысячи гидроаккумулирующих электростанций, часть из которых выполняет задачи балансировки водоснабжения прилегающих территорий, что повышает экономическую эффективность объектов. С физической точки зрения ничего не мешает заменить воду любым грузом и поднимать-опускать его. Такие проекты существуют и, возможно, получат распространение в будущем. Эффективность и теоретическая мощность таких систем ниже, зато их можно применять для создания гравитационных хранилищ энергии меньшего размера (и с точки зрения экологии они часто более приемлемы).

Вместо подъёма объектов вверх энергию можно запасать сжатием пружины или газа. Первый вариант давно применяется в часах и других заводных механизмах, а во второй активно развиваются последние десятилетия в промышленности. Такие накопители энергии проще, чем ГАЭС или маховики. Главный недостаток таких накопителей — отведение большого количества тепла, образующегося при сжатии газов. В результате потери могут достигать 30%. Кроме того, расширяясь, газы остывают — для максимальной эффективности система нуждается в тепловом аккумуляторе. На цикле сжатия газа в основном накопителе выработанное тепло отводится в расплав солей, а при отдаче энергии возвращается обратно для устранения переохлаждения рабочего тела.

В качестве баллонов могут применяться естественные или искусственные пустоты в горных породах, а также подводные пневматические аккумуляторы. Последний вариант предпочтительнее из-за постоянного давления внутри гибкого баллона (изменение температуры минимально), поскольку вытеснение рабочего тела происходит за счет массы воды, в которой он находится. Накопители на сжатом газе наиболее экономически выгодны при емкости от единиц мегаватт-часов до единиц гигаватт-часов.

Повторение за природой

Дальнейшее увеличение запасаемых объемов энергии свыше нескольких гигаватт-часов в одном накопителе сталкивается практически непреодолимыми техническими трудностями. Требуются иные решения, существовавшие задолго до появления человека на Земле — природные процессы, результатом которых стали залежи углеводородных полезных ископаемых: угля, нефти, природного газа. Электричество можно использовать для повторения этой механики: проводя электролиз воды и запасая получившийся водород или связывая его с углеродом (на выходе получаем метан). В роли накопителя энергии выступает синтезированный энергоноситель, который можно использовать как горючее или в топливных элементах.

Эффективность таких процессов определяется используемыми на каждом этапе — производстве, транспортировке и потреблении энергоносителя технологиями. Незначительные изменения КПД на любом из этапов существенно влияют на привлекательность проекта в целом. На нынешнем уровне инженерных и научных достижений использование водорода вызывает большие сомнения. В прямом сравнении с электрическими аккумуляторами он уступает по себестоимости киловатт-часа и по доле первичной энергии, доступной для выполнения полезной работы после всех преобразований. Хранение и транспортировка водорода связаны целым рядом проблем.

В качестве альтернативы существует производство синтетических углеводородов (прежде всего метана) или накопление водорода в виде аммиака. У каждого из этих путей есть ограничения и недостатки, включая низкую удельную эффективность. Главное преимущество метана как накопителя (в смесях с чистым водородом) — его можно использовать в существующих тепловых электростанциях или на ДВС-транспорте с минимальными изменениями. Кроме того, его легко хранить длительное время. Однако при этом не более 30% первоначальной энергии будет использовано для работы, а энергосистема станет менее углеродно-положительной. Аммиак устраняет большинство проблем, связанных с хранением и транспортировкой чистого водорода, и запасает его с большей удельной плотностью. Но он токсичен и вызывает коррозию.

И многие, многие другие

В силу ограничений по объему материала Naked ScienceНеобходимо было оставить без внимания множество классов накопителей, активно разрабатываемых или уже используемых в практике. тепловые аккумуляторы— Как следует из названия, этот вид аккумуляторов запасают энергию в форме тепла. Если рассматривать вопрос максимально широко, в роли аккумулятора может выступать любой обратимый химический или физический процесс. Именно поэтому существует так много разных технологий в этой области. Какие из них получат распространение, а какие канут в лету — покажет время, причем самое ближайшее.

Совершенствование энергетики направлено на повышение ее эффективности. Максимальное использование первоначальной энергии ограничено законами термодинамики, поэтому увеличение КПД генераторов даже на процент — значительный успех. Потери энергии при транспортировке уже невелики, и снизить их до нуля невозможно физически.
Остаются способы «переноса энергии во времени» — методы ее накопления. Такой поиск станет особенно актуальным с ростом доли возобновляемых источников в общей генерации: чем больше нестабильности в генерировании, тем более важную роль будут играть разнообразные накопители для сглаживания «пиков» и «провалов».

Этот материал создан при участии образовательного проекта. Homo ScienceУченые, эксперты и популяризаторы науки на этой онлайн-платформе рассказывают об «атомных» темах в рамках физики, химии, информационных технологий, медицины, математики и биологии. Следуйте за новостями там.

«Центр коммуникаций» – частное учреждение, занимающееся реализацией коммуникационных программ атомной отрасли (ИНН 9705152344).