Всякий раз, как люди осваивали способы качественно нового обращения с энергией, происходила техническая революция. На пути к современной цивилизации мы последовательно научились сначала использовать энергию в том же виде, в котором получили, затем — смогли превращать ее в работу, а потом и транспортировать.

Совсем недавно — по историческим меркам — появились широко применимые технологии накопления энергии. Связанные с ними технологические и социальные изменения только начались и в дальнейшем будут все масштабнее.

Чтобы не пересказывать учебник по физике целыми параграфами, для целей этого текста определим понятие энергии следующим образом: это измеримая величина, характеризующая максимальное количество работы, которое может выполнить тело или система. Энергию нельзя создать или уничтожить (согласно закону сохранения энергии), только передать между телами либо конвертировать из одной формы в другую. Количество энергии во Вселенной конечно, а ее полное использование невозможно — часть все равно будет рассеяна из-за неизбежности потерь при выполнении любой работы (это энтропия).

Чудо превращения

Для Земли в целом источником энергии служит Солнце, выделяющее эту самую энергию в форме электромагнитного излучения. Излучение согревает все живое, а также используется фотосинтезирующими организмами для превращения неорганических веществ в органику. Последняя, в свою очередь, становится основой всей пищевой цепочки, которая с физической точки зрения представляет собой череду преобразований энергии.

Люди пошли дальше и научились не только утолять голод, но и повышать эффективность своей жизнедеятельности. То есть более полно использовать доступную энергию, что и определило облик современной цивилизации. Началось это свыше миллиона лет назад — существуют надежные свидетельства того, что к этому моменту представители нашего с вами рода Homo уже умели пользоваться как минимум природными очагами возгораний. А 400 тысяч лет назад кострища встречались на стоянках древних людей по всему миру.

Дрова стали первым доступным человечеству первичным источником энергии. Этот термин особенно важен — так называется любая форма энергии, которая еще не была преобразована или использована для выполнения работы. В этом случае первичная энергия применялась практически в неизменном виде (с минимальным числом преобразований): горючее превращалось в тепло, которое использовалось для обогрева, приготовления пищи, а также обработки инструментов.

Это очень примитивные способы освоения энергии свыше тех ее форм, что доступны при естественных процессах. Но даже они позволили нашим предкам стать самыми успешными млекопитающими на Земле и во многом подстегнули их эволюцию.

Тепловые машины

До конца XVII века человек мог выполнять полезную работу либо сам, либо использовать животных. Превращать энергию в работу получалось крайне ограниченно — лишь с помощью ветряных или водяных мельниц. Но их сфера применения была крайне узкой либо из-за территориальной привязки к реке, либо вследствие непостоянства погоды. Поэтому первичная энергия, за исключением гидро- и ветровой, использовалась исключительно в виде тепла.

Все изменилось в 1712 году, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen) довел наконец свою пароатмосферную машину до более-менее товарного вида. Простое по конструкции устройство позволяло откачивать воду из шахт, что навсегда изменило горнодобывающую отрасль: появилась возможность осваивать ранее недоступные выработки.

Последующие усовершенствования шотландским инженером Джеймсом Уаттом (James Watt) привели к созданию парового двигателя двойного действия. Это, в свою очередь, послужило толчком к началу промышленной революции, поэтому имя легендарного ученого и увековечили в названии единицы мощности — ватте.

После массового внедрения паровых машин производительность труда в промышленности возросла на порядки. Это привело к индустриализации, которая стала причиной радикального изменения социально-экономического уклада по всему миру — всё благодаря изобретению широко применимого способа превращения энергии в работу.

Электричество

Оставалась одна проблема: источник первичной энергии не мог находиться далеко от места выполнения работы, потому что ее не умели транспортировать. Следовательно, тепло необходимо конвертировать в промежуточную форму энергии (вторичную), которую можно передавать на расстояния, а также легко превращать в полезное действие там, где требуется. Задачу решили электромоторы и генераторы, промышленные образцы которых удалось создать в самом конце XIX века.

Электрификация до невероятных высот подняла эффективность человеческой деятельности в масштабах всей планеты. Во-первых, она устранила ограничение светового дня: до появления «фонарей Эдисона» любая работа либо делалась в светлое время суток, либо была сопряжена с немалым риском пожара или даже взрыва (на шахтах, мельницах и мануфактурах).

Во-вторых, 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. То есть выгоднее вырабатывать вторичную энергию (электричество) на мощном генераторе и транспортировать ее до потребителей.

Запас на черный день, час, секунду

Сегодня человечество фактически достигло максимума эффективности в производстве первичной энергии, ее конвертации в электричество и дальнейшей транспортировке. Какие-то улучшения, наверное, возможны, и новые способы генерации появятся, но революционных скачков ждать не стоит даже от термоядерной энергетики.

Основное поле деятельности для повышения эффективности энергосистем — распределение нагрузки и ее балансировка. Именно поэтому накопители энергии в ближайшие десятилетия имеют все шансы стать ключевым классом технологий для развития экономики в целом и промышленности в частности.

До индустриализации человечество массово использовало только один вид накопителей энергии — гончарный круг. Это маховик (кинетический накопитель энергии), приводимый в движение короткими применениями силы (толчки рукой или качание рычага ногой) и равномерно выполняющий работу на протяжении более длительного времени. Иными словами, он не только запасает энергию, но и переносит во времени — позволяет тратить ее дольше и позднее, чем она накапливалась.

Долгое время даже после промышленной революции эти два свойства не были особенно нужны энергосистемам. Как только появились электросети масштаба городов, балансировка нагрузки в них легла на резервные мощности — их просто включали по мере необходимости. Да, такие электростанции менее эффективны, но и работать им постоянно не нужно. А равномерность характеристик тока и поставляемой мощности в значительной степени обеспечивалась размерами энергосети за счет ее большой емкости. Колебания напряжения и частоты из-за быстрых изменений нагрузки были допустимы для подавляющего большинства потребителей.

Для питания транспорта и прочих нужд вне основной энергосистемы удобным оказалось углеводородное топливо — в широком смысле, тоже накопитель энергии. Ведь его вырабатывают из источника первичной энергии, а также с ее затратами. Но экологические проблемы и конечность ископаемых ресурсов в скором времени поставит на них крест.

По тем же причинам изменяется и структура генерирующих мощностей — все большая часть первичной энергии берется из возобновляемых источников. А они отличаются зависимостью от прихотей природы, 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 аккумулятора и накопителя энергии тождественны — это любое устройство (инженерное сооружение), позволяющее запасать энергию в той или иной форме. Поскольку форм энергии великое множество, способы ее запасать тоже весьма разнообразны и классифицировать их непросто. Можно за основу взять наличие или отсутствие преобразований энергии в самом накопителе. Тогда мы могли бы условно разделить все аккумуляторы на два класса:

• с внешним преобразованием энергии — кинетические (маховики), тепловые, гравитационные (поднятый груз), гидравлические;
• и с внутренним — обратимые электрохимические батареи (электрические аккумуляторы).

Различие между ними в том, что первые способны напрямую выполнять механическую работу за счет запасенной энергии, а вторые выдают электричество или тепло, которые еще 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 среди них важные: плотность энергии, удельная энергия (гравиметрическая плотность энергии), скорость накопления и отдачи (заряда и разряда), удельная и максимальная выходная мощности, доступность компонентов (себестоимость), эффективность (КПД преобразований), долговечность и скорость саморазряда (потери энергии).

Для простоты рассмотрим основные классы накопителей энергии, сравнивая их только по соотношению времени ее хранения и доступной емкости.

‹

›

Надежно, эффективно, оперативно и просто, но недолго

Уже знакомые нам по гончарному кругу маховики, если выполнены на современном технологическом уровне — невероятно эффективны (КПД до 95-97%). По сравнению с прочими решениями для накопления энергии, они отличаются простотой конструкции, долговечностью и надежностью. Из минусов стоит отметить их высокую опасность при разрушении. Вероятность такого события очень мала, но оно чревато катастрофой. Частично проблему решают супермаховики — их изготавливают не из монолитного материала, а намоткой металлических или композитных лент. При разрушении они расслаиваются и тормозят сами себя о стенки кожуха.

В середине XX века маховики пробовали использовать на транспорте, но успехом затея не увенчалась. Гироскопический момент от тела вращения затруднял управление такой машиной, а его большой вес и малый запас хода поставили крест на массовом использовании технологии. Некоторый потенциал у маховиков есть только на железнодорожном транспорте, где колебания и вибрации во время движения меньше, поэтому и потери в результате трения на подвесе и гироскопическом эффекте меньше.

Зато в качестве накопителей энергии для электросетей маховики показали себя отлично. Они позволяют запасать на периоды порядка часа десятки или сотни киловатт-часов электричества (есть проекты мегаваттного класса). Современные решения используют керамические или магнитные подшипники в подвесе, композитные материалы для тела вращения и разгоняют его до нескольких десятков тысяч оборотов внутри вакуумной камеры. Удельная энергоемкость коммерческих маховичных накопителей варьируется в пределах 10-20 ватт-часов на килограмм веса конструкции (хотя теоретический максимум на порядок выше). Это обусловлено необходимостью снабжать такое устройство массивным корпусом, который должен защитить окружающих на случай разрушения. Тем не менее для энергетической инфраструктуры этот недостаток не существенен и с лихвой компенсируется скоростью накопления полной емкости (минуты) и длительным сроком эксплуатации (десятилетия без обслуживания).

Строго электрическая альтернатива

У маховика есть аналог среди электронных компонентов — электрический конденсатор. С точки зрения строгой классификации только их можно назвать истинными накопителями энергии в форме электричества. Потому что в отличие от химических источников тока (о которых далее), в конденсаторах не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Она хранится в виде электрического поля за счет поляризации диэлектрика, разделяющего катод с анодом.

Конденсаторы незаменимы в современной технике, но в качестве долговременных накопителей их используют редко. Виной всему низкая удельная емкость и высокая стоимость в пересчете на киловатт-час запасаемой энергии. Если абстрагироваться от недостатков, достоинства конденсаторов впечатляют: крайне быстрые зарядка и разрядка (считанные секунды даже для большой емкости), высокая выходная мощность и предельная простота конструкции, а также большой ресурс. Некоторые перспективы есть у суперконденсаторов — от «обычных» они отличаются конструкцией, оптимизированной под емкость в ущерб максимальному напряжению (следовательно и выходной мощности).

Иногда суперконденсаторы объединяют в одном корпусе с электрохимической батареей, как это сделано в одной австралийской разработке. Теоретически она воплощает в себе все плюсы свинцово-кислотного аккумулятора и суперконденсатора, частично нивелируя их недостатки. Долговечность и пиковая отдаваемая мощность батареи возрастает, а также сохраняется высокая удельная емкость.

Бесконечное разнообразие ХИТов

Химические источники тока (ХИТ) — наиболее часто встречающийся в быту тип накопителей энергии. Они бывают одноразовыми (первичные) и перезаряжаемыми (вторичные). Разница между ними в том, что используемые для накопления энергии химические реакции могут быть либо легко обратимыми, либо нет. Принципиально любой ХИТ представляет собой одну или несколько (тогда это уже батарея) электрохимических ячеек: катод с анодом (электроды), пространство между которыми заполнено электролитом (источник носителей заряда — ионов). Электроды помещаются каждый в свою часть ячейки и разделяются мембраной, которая пропускает только ионы (простейший гальванический элемент мембраны не требует).

При разряде ячейки работают, как гальванические, то есть вещество катода присоединяет электроны от атомов электролита (окисляет), а вещество анода восстанавливается (отдает электроны). Когда идет зарядка, происходит электролиз и химическая реакция обращается. Свойства ХИТов напрямую зависят от выбора материалов электродов и электролита, чем и обусловлено невероятное их разнообразие.

Старейший тип широко используемых электрических аккумуляторов — свинцово-кислотные (АКБ). В них пары электродов – один из свинца, другой – из оксида свинца) погружены в раствор серной кислоты и разделены сепаратором. Если подключить такую ячейку к нагрузке, свинец начнет окисляться до сульфата свинца, а диоксид свинца — восстанавливаться до того же соединения. За полтора века в эту конструкцию вносилось множество усовершенствований, но принципиальных изменений не было. Главные достоинства АКБ — высокая выходная мощность и дешевизна, а недостатки — малая удельная емкость и токсичность.

Второй распространенный тип электрических аккумуляторов — с катодом на базе метагидроксида никеля (NiO(OH)) и щелочным электролитом. Для анода могут использоваться кадмий, железо или сложный сплав с высокой способностью к присоединению водорода (металл-гидрид). По энергетической плотности такие батареи значительно превосходят свинцово-кислотные, но и цена выше. Кроме того, с токсичностью все не лучше (кадмий — яд), а начиная с середины 2000-х по экологическим соображениям используются только металл-гидридные варианты (NiMH).

Наконец, главный хит последних десятилетий — литий, ставший основой широчайшего класса электрических аккумуляторов. Он используется в составе как анода, так и катода, а также электролита (в виде солей). Разнообразие применяемых соединений этого металла столь велико, что даже в общих чертах их описать довольно трудно — литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) разных типов, кроме лития в составе, имеют между собой мало общего. А их параметры отличаются в очень широких пределах. Наиболее эффективные варианты достигают энергетической плотности свыше 200 ватт-часов на килограмм массы (есть экспериментальные разработки в разы больше), что как минимум вдвое выше, чем у NiMH аккумуляторов.

Прочие параметры литиевых батарей либо сопоставимы, либо превышают таковые у других широко используемых типов электрических аккумуляторов. В результате Li-ion стал современным стандартом де-факто в портативной технике, транспорте и даже небольших энергосетях. Прорабатываются проекты накопителей емкостью вплоть до единиц мегаватт-часов, однако на текущем уровне экономический смысл имеют решения до нескольких десятков киловатт-часов емкости (автомобили, частные дома). Благодаря совокупности своих характеристик литиевые аккумуляторы завоевали высокую популярность в потребительской электронике. Это привело к массовому производству и совершенствованию технологий, следствием чего стало существенное удешевление таких батарей.

Созданы и ограниченно применяются в некоторых сферах еще несколько типов электрических аккумуляторов. Они отличаются какой-либо одной характеристикой в качестве преимущества, но проигрывают 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. Какие-то из них имеют шансы на успех в будущем, какие-то бесперспективны из-за выявленных критических недостатков (токсичность компонентов, взрывоопасность или дороговизна).

Отдельная история — топливные элементы. Они устроены похожим на гальваническую ячейку образом, только катод и анод состоят из катализаторов, а в токообразующую реакцию вступают расходуемые вещества. Чаще всего это водород (либо в чистом виде, либо в составе соединений, например, метанола) и кислород. Фактически, в топливных элементах происходит реакция аналогичная горению, только с меньшим выходом тепла, от которой 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.

Похожая на топливные элементы, но по принципу аналогичная электрохимическим аккумуляторам технология — проточные редокс-батареи (ПРБ). О них для Naked Science рассказывает специалист по ПРБ Михаил Петов, заведующий лаборатории электроактивных материалов и химических источников тока РХТУ им. Д.И. Менделеева:

«Главная идея ПРБ — разделение в пространстве частей батареи, отвечающих за емкость и мощность. В роли первых выступают два бака с электролитами, а за мощность отвечает основной корпус проточной батареи (разрядная ячейка). Оба электролита непрерывно прокачиваются насосами через разрядную ячейку, при этом не смешиваются друг с другом, а проходят каждый через свою полуячейку, где окисляются или восстанавливаются на поверхности электродов. Все предельно похоже на классический H2/O2 топливный элемент, но есть одно отличие. ПРБ — это аккумулятор, то есть реакции, протекающие с его электролитами, можно повернуть вспять (либо просто поменять жидкости в баках на предварительно заряженные).

Говоря о плюсах и минусах ПРБ, надо сразу сказать, что это достаточно нишевая штука, которая подходит по разным оценкам лучше всего для долгосрочного хранения больших запасов энергии. При маленьких мощностях или емкостях ПРБ слишком дорого — ведь им нужны насосы и арматура, и в телефон такую штуку явно не засунешь. К тому же у них достаточно маленькая удельная мощность и удельная емкость даже при масштабировании до больших единиц. Зато ванадиевые ПРБ (электролит из сернокислых растворов солей ванадия), которые сейчас доминируют на рынке, могут выдержать до 100 тысяч циклов заряда и разряда. А сам электролит для них иногда отдают в лизинг, потому что фактически с ним ничего особенно не происходит во время работы. Второй плюс — очень низкий саморазряд. ПРБ можно зарядить и оставить на много месяцев в заряженном состоянии. Еще ПРБ не пожароопасны и не взрывоопасны, в них меньше токсичных компонентов, которые надо утилизировать. Поэтому они могут найти свое место и уже находят в качестве больших накопителей энергии — например, резервных источников питания на разных производствах. Или в энергосетях, где им прочат большое будущее для балансировки выработки ветряков или солнечных панелей».

Снова воздух, земля и вода

Вышеперечисленные способы сохранения энергии хороши на небольших масштабах. По экономическим или технологическим причинами емкость накопителей на их основе достигает максимум единиц мегаватт, а время хранения — часов или дней. Даже электрохимические батареи, пусть и способные удерживать заряд месяцами, в крупных системах оказываются невыгодными. Их саморазряд в процент-два за неделю серьезно подрывает экономику. Для промышленных предприятий и целых городов требуется что-нибудь совсем другое.

Давно опробованное решение — гравитационный аккумулятор, использующий в качестве рабочего тела воду. Во время избытка энергии в электросети (вне пиков потребления) находящееся на возвышенности водохранилище пополняется насосами из расположенного ниже бассейна. Когда требуется сбалансировать возросшую нагрузку на сеть, эта же вода, спускаясь вниз, вырабатывает электричество аналогично обычной ГЭС. Эффективность достигает 70% или даже немного выше, а простота конструкции позволяла строить такие аккумуляторы еще в начале XX века. Единственный минус — огромные капитальные затраты для введения в эксплуатацию, из-за чего экономический смысл гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) имеет при необходимости запасать не менее чем гигаватт-часы энергии.

Среди положительных качеств ГАЭС стоит отметить возможность хранить энергию месяцами или даже более года при достаточном размере накопительного бассейна. Естественно, строить такие аккумуляторы получится не везде — необходим существенный перепад высот. Всего в мире работает около полутысячи гидроаккумулирующих электростанций, часть из них также выполняют задачи балансировки водоснабжения прилегающих территорий — это дополнительно повышает экономическую выгоду объекта. С точки зрения физики ничто не мешает заменить воду любым грузом и просто поднимать-опускать его. Такие проекты существуют и, возможно, получат некоторое распространение в будущем. Их эффективность и теоретическая мощность ниже, зато они применимы для создания гравитационных хранилищ энергии меньших размеров (и с экологической точки зрения они часто более приемлемы).

Вместо подъема объектов вверх запасать энергию можно сжатием пружины или газа. Первый вариант давно опробован в часах и других заводных механизмах, а в промышленности последние десятилетия активно развивается второй. Подобные накопители энергии еще проще, чем ГАЭС или маховики. Главный недостаток таких накопителей заключается в необходимости отводить большое количество тепла, которое образуется при сжатии газов. В результате потери могут достигать 30%. Более того, расширяясь, газы остывают — и для максимальной эффективности необходимо добавлять в систему тепловой аккумулятор. На цикле сжатия газа в основном накопителе выработанное тепло отводится в расплав солей, а при отдаче энергии возвращается обратно, чтобы устранить переохлаждение рабочего тела.

Вместо баллонов могут использоваться естественные или искусственные пустоты в породах. Альтернативный вариант — подводные пневматические аккумуляторы. Их преимущество в постоянном давлении внутри гибкого баллона (перепады температуры минимальны), поскольку вытеснение рабочего тела происходит за счет массы воды, в толще которой он находится. Накопители на сжатом газе наиболее выгодны экономически 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 наталкивается на практически непреодолимые технические трудности. Следовательно, необходимы иные решения — и они существовали задолго до появления человека на Земле. Речь о природных процессах, результатом которых стали залежи углеводородных полезных ископаемых: угля, нефти, природного газа. Электричество можно использовать для повторения этой механики. Например, проводя электролиз воды и запасая получившийся водород или связывая его с углеродом (на выходе получаем метан). То есть в роли накопителя энергии выступит синтезированный энергоноситель, который можно использовать как горючее, либо в топливных элементах.

Экономическая эффективность таких процессов зависит от используемых во всей цепочке производства, транспортировки и потребления энергоносителя технологий. Даже незначительные изменения КПД на каждом этапе вносят существенный вклад в общую привлекательность проекта. На текущем инженерном и научном уровне использование водорода вызывает большие вопросы. При прямом сравнении с электрическими аккумуляторами он проигрывает и по себестоимости киловатт-часа и по доле первичной энергии, доступной для выполнения полезной работы после всех преобразований. Кроме того, с хранением и транспортировкой водорода связан целый спектр проблем.

Существует альтернативный путь — производство синтетических углеводородов (в первую очередь — метана) или запасание водорода в форме аммиака. У каждого из них есть ограничения и минусы, включая низкую удельную эффективность. Главный плюс метана, как накопителя (опционально — в смеси с чистым водородом) — этот газ сразу можно использовать в существующих тепловых электростанциях или на ДВС-транспорте с минимальными доработками. А еще он легко хранится сколь угодно продолжительное время. Но при этом от первичной энергии в итоге на работу удастся потратить не более 30%, а энергосистема становится менее углеродно-положительной. Аммиак, в свою очередь, устраняет почти все трудности, связанные с хранением и транспортировкой чистого водорода, и к тому же запасает его с гораздо большей удельной плотностью. Но при этом и создает свои уникальные проблемы — он токсичен и вызывает коррозию.

И многие, многие другие

В силу ограничений по объему материала Naked Science был вынужден обойти вниманием целые классы накопителей, которые активно разрабатываются или уже применяются. Например, тепловые аккумуляторы — как следует из названия, они запасают энергию в форме тепла. Если рассматривать вопрос максимально широко, в роли аккумулятора может выступать любой химический или физический процесс, если он обратим. 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.

Развитие современной энергетики идет по пути повышения ее эффективности. Более полное использование первичной энергии ограничено термодинамикой, и рост КПД генерирующих мощностей на единицы процентов — уже победа. Потери на транспортировку энергии и так невелики, а снизить их до нуля физически невозможно. Остаются способы «перемещения энергии во времени» — методы ее накопления. Поиск таких методов станет особенно актуальным при дальнейшем росте доли возобновляемых источников энергии в общей первичной генерации — ведь чем больше нестабильности в генерации, чем больше в ней «пиков» и «провалов», тем более важную роль будут играть разнообразные накопители, позволяющие их сгладить.

Данный материал был подготовлен совместно с просветительским проектом Homo Science. На данной онлайн-платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки в доступной и увлекательной форме рассказывают об «атомных» темах в разрезе таких наук как физика, химия, информационные технологии, медицина, математика, а также биология. Рекомендуем следить и там за новостями.

Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН  9705152344.

Источник