Как да пестим енергия. Как технологиите за съхранение на енергия ще променят света Гравитационни устройства за съхранение на енергия

Електроенергетиката е една от малкото области, в които няма мащабно складиране на произведените „продукти“. Индустриалното съхранение на енергия и производството на различни видове устройства за съхранение е следващата стъпка в голямата електроенергийна индустрия. Сега тази задача е особено остра - наред с бързото развитие на възобновяемите енергийни източници. Въпреки неоспоримите предимства на възобновяемите енергийни източници, остава един важен проблем, който трябва да бъде разрешен преди широкото въвеждане и използване на алтернативни енергийни източници. Въпреки че вятърната и слънчевата енергия са екологични, тяхното генериране е периодично и изисква съхранение на енергия за по-късна употреба. За много страни особено спешна задача би била да се сдобият със сезонни технологии за съхранение на енергия - поради големите колебания в потреблението на енергия. Ars Technica подготви списък с най-добрите технологии за съхранение на енергия и ще говорим за някои от тях.

Хидравлични акумулатори

Най-старата, зряла и широко разпространена технология за съхранение на енергия в големи обеми. Принципът на работа на хидроакумулатора е следният: има два резервоара за вода - единият е разположен над другия. Когато търсенето на електроенергия е ниско, енергията се използва за изпомпване на вода в горния резервоар. По време на пиковите часове на потребление на електроенергия водата се източва до монтиран там хидрогенератор, водата върти турбина и генерира електричество.

В бъдеще Германия планира да използва стари въглищни мини за създаване на помпени резервоари за съхранение, а германски изследователи работят върху създаването на гигантски бетонни хидроакумулиращи сфери, поставени на океанското дъно. В Русия има Загорская ВЕЦ, разположена на река Куня близо до село Богородское в района на Сергиев Посад на Московска област. Загорската ВЕЦ е важен инфраструктурен елемент от енергийната система на центъра, участващ в автоматичното регулиране на честотата и мощностните потоци, както и покриващ ежедневните пикови натоварвания.

Както каза Игор Ряпин, ръководител на отдела на Асоциацията "Общност на потребителите на енергия" на конференцията "Нова енергия": Интернет на енергията, организирана от Енергийния център на Бизнес училището Сколково, инсталираният капацитет на всички хидравлични акумулатори в света е около 140 GW, към предимствата на тази технология включват голям брой цикли и дълъг експлоатационен живот, ефективност от около 75-85%. Монтирането на хидравлични акумулатори обаче изисква специални географски условия и е скъпо.

Устройства за съхранение на енергия със сгъстен въздух

Този метод на съхранение на енергия е подобен по принцип на хидрогенерацията - но вместо вода в резервоарите се изпомпва въздух. С помощта на двигател (електрически или друг) въздухът се изпомпва в резервоара за съхранение. За генериране на енергия се освобождава сгъстен въздух и върти турбината.

Недостатъкът на този тип устройство за съхранение е ниската ефективност поради факта, че част от енергията по време на компресирането на газа се превръща в топлинна форма. Ефективността е не повече от 55%; за рационално използване задвижването изисква много евтина електроенергия, така че в момента технологията се използва главно за експериментални цели, общата инсталирана мощност в света не надвишава 400 MW.

Разтопена сол за съхранение на слънчева енергия

Разтопената сол задържа топлината за дълго време, затова се поставя в слънчеви топлинни централи, където стотици хелиостати (големи огледала, концентрирани върху слънцето) събират топлината от слънчевата светлина и загряват течността вътре - под формата на разтопена сол. След това се изпраща в резервоара, след което чрез парогенератор върти турбината, която генерира електричество. Едно от предимствата е, че разтопената сол работи при висока температура - над 500 градуса по Целзий, което допринася за ефективната работа на парната турбина.

Тази технология помага за удължаване на работното време или за отопление на помещения и осигуряване на електричество вечер.

Подобни технологии се използват в Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park – най-голямата в света мрежа от слънчеви електроцентрали, обединени в едно пространство в Дубай.

Проточни редокс системи

Проточните батерии са огромен контейнер с електролит, който преминава през мембрана и създава електрически заряд. Електролитът може да бъде ванадий, както и разтвори на цинк, хлор или солена вода. Те са надеждни, лесни за използване и имат дълъг експлоатационен живот.

Все още няма търговски проекти, общата инсталирана мощност е 320 MW, основно в рамките на изследователски проекти. Основното предимство е, че засега това е единствената акумулаторна технология с дълготраен изход на енергия - повече от 4 часа. Недостатъците включват обемност и липса на технология за рециклиране, което е често срещан проблем при всички батерии.

Германската електроцентрала EWE планира да изгради най-голямата в света проточна батерия от 700 MWh в Германия в пещери, които са съхранявали природен газ, съобщава Clean Technica.

Традиционни батерии

Това са батерии, подобни на тези, които захранват лаптопи и смартфони, но в индустриален размер. Tesla доставя такива батерии за вятърни и слънчеви електроцентрали, а Daimler използва стари автомобилни батерии за това.

Термично съхранение

Модерният дом има нужда от охлаждане – особено в горещ климат. Съоръженията за термично съхранение позволяват водата, съхранявана в резервоари, да бъде замразена през деня, ледът се топи и охлажда къщата, без обичайната скъпа климатизация и ненужни разходи за енергия.

Калифорнийската компания Ice Energy е разработила няколко подобни проекта. Тяхната идея е, че ледът се произвежда само по време на периоди извън електрическата мрежа, а след това, вместо да се хаби допълнително електричество, ледът се използва за охлаждане на помещения.

Ice Energy си сътрудничи с австралийски фирми, които искат да пуснат на пазара технология за ледени батерии. В Австралия, поради активното слънце, се развива използването на слънчеви панели. Комбинацията от слънце и лед ще повиши общата енергийна ефективност и екологичност на домовете.

Маховик

Супермаховикът е инерционен акумулатор. Съхранената в него кинетична енергия на движение може да се преобразува в електричество с помощта на динамо. Когато възникне нужда от електричество, структурата генерира електрическа енергия чрез забавяне на маховика.

Реформата на електроенергийната индустрия в Русия доведе до формирането на такъв специфичен продукт като електроенергията. Електричеството няма такова основно свойство, присъщо на други стоки, като натрупване и способност да задоволи нарастващото търсене с резерви. Разделянето на пазара на едро и дребно доведе до необходимостта от създаване на конкурентна среда между производителите на пазара на едро. В процеса на реформиране на електроенергетиката пазарът постепенно преминава през етапи на преход от регулиран към дерегулиран, основан на естествена конкуренция между производителите на електроенергия.

2) Спецификата на електроенергията като продукт.

Най-важните характеристики на икономиката на енергийните системи, породени от спецификата на електроенергията като стока и които трябва да се вземат предвид при организирането на пазара на електроенергия, са следните: 1) производство, доставка (пренос и разпределение) и потребление на електричество поради своята физическа природа възникват почти едновременно и е невъзможно да се съхранява (акумулира) ) в значителни количества. С други думи, произведените продукти не могат да се натрупват в складовете на производителя, потребителя или по пътя, но почти моментално се доставят на потребителя и се консумират от него; 2) електричеството е силно стандартизиран продукт, доставен от много производители в „общ съд“ (т.е. в общи електрически мрежи) и моментално консумиран оттам от много потребители. Следователно от физическа гледна точка е невъзможно да се определи кой е произвел електроенергията, консумирана от конкретен потребител - можете да контролирате само обемите на доставка към общата мрежа от всеки производител и обемите на потребление от него от всеки потребител; 3) електричеството, получено от потребителя от енергийната система, е основна стока, която само в редки случаи има други заместващи стоки (например преход към електроснабдяване от автономна дизелова електроцентрала, прехвърляне на електрическо отопление към отопление на газ и някои други случаи). Поради тази причина потребителите обикновено са изключително чувствителни към прекъсвания на електрозахранването и енергийната система трябва да има необходимата граница на надеждност. Между другото отбелязваме, че евентуални принудителни спирания на някои консуматори в условия на недостиг на електроенергия или аварии водят до намаляване на потреблението, но не и на търсенето. С други думи, търсенето на пазара на електроенергия не винаги е равно на потреблението; 4) производителите генерират и доставят електрическа енергия в общата мрежа точно в съответствие със задълженията си (или заданието на диспечера), а всички потребители консумират електрическа енергия общо точно в съответствие със задълженията си (или прогнозата на диспечера). Но на практика, поради различни обстоятелства, както производители, така и потребители допускат отклонения от задълженията си. Това води до дисбаланс между предлагане и потребление. На всеки друг пазар краткосрочният дисбаланс между производството и потреблението на даден продукт не води до загуба на пазарна стабилност; той лесно се елиминира чрез инвентаризация или заместващи стоки. Спецификата на електроенергията като стока води до развитието на пазар на електроенергия, който е различен от конвенционалните стокови пазари.

Широкото разпространение на възобновяемите енергийни източници води до факта, че проблемът със запазването на излишната електроенергия, получена по време на пиковите производствени часове, за по-късна употреба в часовете на недостатъчно производство (което е особено важно за енергията), става все по-остър както в частните, така и в индустриалните предприятия. сектори.

Така през първата половина на 2017 г. държавата трябваше да се отърве от 300 хил. мегавата електроенергия от възобновяеми източници, защото нямаше къде да се съхранява. Според данните по същата причина се губят около 17% от произведената електроенергия.

Съхранение на енергия в индустриален мащаб

Необходими са автономни съоръжения за съхранение на енергия, за да се осигури непрекъснато снабдяване с енергия от възобновяеми източници в райони, отдалечени от общите мрежи, например на малки острови или в труднодостъпни места в Далечния север. Преди това такива места можеха да разчитат само на електричество, произведено от дизелови генератори, и бяха изключително зависими от външни доставки на гориво.

Домашни системи за съхранение на енергия

От гледна точка на развитието на световната икономика е важно допълнително да се намалят разходите за домашни системи за съхранение на енергия. В края на 2016 г. 55 милиона домакинства или 275 милиона души са използвали електричество от домашни или обществени микроцентрали, благодарение на значителните намаления на цените. През последните няколко години около 40% от всички домашни фотоволтаични системи са оборудвани с модули за съхранение на енергия с малка финансова подкрепа от правителството. През 2016 г. около 7 хиляди акумулаторни системи са инсталирани без държавна помощ.

Пазарът на батерии за съхранение на енергия достигна обем от около 1 GW през 2016 г., благодарение на благоприятните правителствени политики и по-ниските разходи за батерийно оборудване, според .

Автомобилни акумулатори

Перспективи за световния пазар за съхранение на енергия

Технологии за съхранение на енергия

Всички настоящи системи за съхранение на енергия са скъпи за големи индустриални обеми, така че различни производители и правителства правят мащабни инвестиции в създаването на нови начини за съхранение на големи обеми енергия.

Литиево-йонните батерии (Li-ion) са най-разпространеният тип батерии за различни видове електронни устройства в света в момента. Използват се в почти всички видове оборудване, включително мобилни телефони, таблети, лаптопи.

Въпреки популярността си, такива батерии имат много недостатъци, като способността за спонтанно запалване, „ефекта на паметта“, бърза загуба на капацитет при ниски температури и др.

Разходите за производство на литиево-йонни батерии падат със скорост, надвишаваща предварително прогнозираните: нивото, очаквано до 2020 г., вече е достигнато. Отварянето на огромни фабрики като тази може допълнително да ускори този процес.

Съхранение на енергия чрез помпено-акумулиращи електроцентрали

Концепцията за динамично зареждане или превозно средство към мрежата (V2G) разглежда възможността да се използва за създаване на споделени електрически мрежи, които действат като виртуални електроцентрали.

Според статистиката 95% от времето на всяко лично превозно средство е неподвижно. Разработчиците на тази концепция приемат, че батерията на електрическо превозно средство може да се зарежда по време на часове с ниско натоварване и да доставя електричество към мрежата по време на пикови часове на натоварване, коригирани за това, когато собственикът го използва по предназначение. По този начин водачът може да печели около $4000 на година поради разликата в цените на електроенергията в различните часове на деня.

Автомобилната компания започна да тества подобни проекти заедно със своите партньори в, както и в. В същото време първият в света напълно функционален търговски V2G хъб вече работи.

Превозното средство може да се използва и в дизайна на домакинската електрическа мрежа като средство за съхранение на енергия в частни домове, подобно на други подобни системи като .

Батериите, които са скъпи за производство и използвани в алтернативната енергия за „съхранение“ на непотърсена енергия, замениха бактериите.

Специалисти от Чикагския университет успяха да решат глобалния проблем със съхраняването на излишната електроенергия, която се натрупва по време на работа на слънчеви или вятърни електроцентрали, която в около половината от случаите трябва буквално да бъде „освободена във въздуха“. Нека припомним, че работата на електроцентралите от алтернативни източници - слънчева или вятърна енергия - се различава от другите области на енергетиката с прекъснатото производство на електроенергия, необходима за работата на множество електрически уреди, в зависимост от времето на деня или розата на ветровете. Ако земната звезда ви позволява да получавате „безплатна“ енергия само в ярък слънчев ден, когато небето остава чисто от облаци и други природни явления, които пречат на лъчите да „достигнат“ до повърхността на земята, тогава потребителите - домакински уреди или промишлено оборудване, което се нуждае от постоянно презареждане, работа и през нощта. Подобна ситуация се получава при преобразуването на енергията на вятъра в електричество - когато духа, огромни мелници осигуряват необходимото производство, което автоматично спира при промяна на посоката на вятъра или неговата недостатъчна сила. Това принуждава енергетиците да осигурят начини за акумулиране на енергия над потреблението, за да задоволят нуждите на енергийната мрежа по време на пикови натоварвания, които се случват точно вечер, дори при липса на слънчева светлина и ветрове, които са утихнали до нулева скорост .

За да постигнат това, енергийните инженери днес използват огромни акумулаторни станции, които им позволяват да съхраняват излишната електроенергия за последващото им използване в моменти на пиково натоварване на електрическите мрежи, но проблемът с изграждането на такива „съоръжения за съхранение“ и закупуването на десетки хиляди скъпи високо- капацитет батерии превръща алтернативната енергия в много скъпо удоволствие. Редица играчи на пазара се опитаха да решат този проблем, като предлагат домашни батерии, които потребителите могат да инсталират в собствените си домове, за да използват силата на чистата енергия направо в селската си къща, без да се съобразяват с времето на деня или прогнозите за вятъра. Говорим за батерии Tesla Powerwall, които ви позволяват да натрупвате от 7 до 14 kWh в резервоар за батерии, монтиран на стената на стаята, „напълнен“ от слънчеви панели, които работят в отсъствието на собствениците през целия ден. Консумацията на енергия на апартамент или частна вила през работния ден, когато всички са извън дома - в офиси, се доближава до нула, а жителите се връщат у дома след преминаване на пика на генериране на електроенергия от слънчева светлина. Такава батерия помага за захранването на електрическите уреди, присъстващи у дома вечер, през нощта и рано сутрин, но цената на Tesla Powerwall ви кара сериозно да се замислите за осъществимостта на закупуването на подобно „устройство за съхранение на енергия“. Официалният ценоразпис на фирмата производител на "домакински батерии", която така и не се появи на пазара, отчита първоначалната цена на продукта от 3000 долара.

Енергийните компании, участващи в сегмента на алтернативната енергия, изпитват абсолютно същите трудности - необходимостта да се съхранява излишната електроенергия в батерии, които са скъпи и имат ограничен брой цикли на презареждане, рязко намалява рентабилността на подобно начинание. Днес водещите европейски правителства директно субсидират компании, които преобразуват слънчева и вятърна енергия в електричество, за да могат да работят без заплаха от неизбежен фалит. Точно този проблем - прекомерната цена за създаване на "съоръжения за съхранение на енергия" - е този, който учените от Чикагския университет успяха да разрешат, като създадоха уникална и ултра-евтина технология за преобразуване на електричество в метан - газ, използван в много индустрии, включително и в електроенергетиката, който е лесно транспортируем и не изисква сериозна поддръжка. Създадена от ръководителя на изследователска група от Съединените щати, Лорънс Метс, стартираща компания, наречена Electrochaea, вече е започнала работа по комерсиализацията на методологията, разработена от специалисти, декларирайки готовността си да изгради мощен 10-MW комерсиален електроцентрал с пълен цикъл. -метан” в близко бъдеще.

Преработвателният завод, планиран за изграждане в Унгария, ще позволи непрекъснатото преобразуване на енергията, непотърсена от домакинствата и промишлените потребители, в метан, който е удобен за използване и необходим, по-специално, за отопление на домове. Според Метс е постигнато споразумение с енергийната компания Magyar Villamos Muvek за полагане на газопровод директно от сградата на завода, който да транспортира произведения метан директно до газопреносната система на страната. Прототипът на изграждащата се в Унгария 10 MW „електрометанова“ станция беше експерименталната 1-MW инсталация BioCat, построена от изследователи преди три години. Тестването на производителността на научните изследвания в реални условия потвърди революционния характер и невероятните перспективи за широко разпространение на технология, която е уникална във всички отношения. Последният се основава на „експлоатацията“ на леко „модифицирани“ микроорганизми, които са лабораторно създаден щам на метаногенната бактерия Archaea. По време на живота си тази бактерия превръща смес от водород и въглероден диоксид в метан и вода, които след отделяне пълнят метанови резервоари с електричество, превърнато в газ. Първият етап от един много прост от технологична гледна точка процес е разделянето на водните молекули на водород и кислород, за което се използва излишното електричество, получено от вятърни и слънчеви плантации, които активно се изграждат по света.

Резултатът от дългогодишна изследователска работа на група американски и европейски учени ще предостави на човечеството много прост, удобен и евтин начин за съхраняване на излишната електроенергия, без да е необходимо да купувате фантастично скъпи и технологично „мръсни“ батерии - при сглобяването им, производителите използват материали и технологии, които причиняват сериозна вреда на околната среда, а след производствен ресурс използваните батерии попълват множество градски и крайградски сметища. Вместо критични щети за природата от литиево-йонни контейнери, Mets предлага да се използва технологично усъвършенстван метод, базиран на естествени биологични процеси за преобразуване на електрически ток в метан, който впоследствие може да се използва в топлоелектрически централи, автомобили с метанови двигатели и дори автомобили с водород . Автомобилите с водородни двигатели работят с чист водород, който най-лесно се произвежда от газ метан, което превръща разработката на Метс и колегите му от Чикагския университет във фантастичен по мащаби и перспективи за консуматорското общество научен пробив.

Учените отдавна се опитват да намерят начини да съхраняват енергия, така че да могат да я използват по всяко време, а не когато природата пожелае. И трябва да кажа, че човечеството е постигнало известен успех в това. Изобретени са голям брой методи, за да се принуди електрическият ток да „отложи“ действието си. Всички те обаче са неподходящи за постоянно надеждно съхранение и най-важното е, че не са толкова мощни, колкото бихме искали.

На най-високо ниво

Накрая проблемът стана толкова голям, че беше решен на най-високо ниво. Вицепремиерът Аркадий Дворкович възложи на РОСНАНО и Министерството на енергетиката на Руската федерация да разработят програма за развитие на индустриални технологии за съхранение на електроенергия. Подобни технологии ще могат да компенсират недостига на електроенергия в случай на аварии, както и да спестяват непотърсена продукция от вятърни и слънчеви електроцентрали.

Проблемът е, че повече или по-малко приемливи методи все още не са намерени в света. Държавната подкрепа обаче, разбира се, ще позволи да се засили търсенето. Освен това се планира да се компенсират рисковете от инвестиционни проекти в тази област, като по този начин се стимулира търсенето за въвеждане на нови задвижвания. Използването на устройства за съхранение ще направи възможно създаването на рентабилни местни енергийни системи, изглаждане на пиковете на потребление и създаване на пазари за търговия с електроенергия за разпределена енергия.

Сега работата на електроцентралите е съобразена с потребителите, но за да се избегнат внезапни стартирания и възможни аварии, е необходима батерия с капацитет 10-20 MW, способна да покрие енергийния дефицит за един и половина до два часа. Търсенето му се извършва през последните 20 години, но досега не е намерена необходимата батерия, а тези, които вече съществуват, са твърде скъпи и с ниска ефективност.

В момента мощността на използваните батерии не надвишава 1-2 MW. Така италианският енергиен концерн Enel стартира съоръжение за съхранение на електроенергия в 10 MW соларна станция с капацитет 2 MWh през есента на 2015 г.

Най-голямо търсене на системи за съхранение се очаква да има в страни, които активно увеличават дела на възобновяемата енергия в общото производство (в някои страни се планира да се увеличи до 25-30%), както и в изолирани енергийни системи, като като тези в Азия и Африка. Друг потенциален потребител е Далечният изток, където възобновяемите източници са необходими поради отдалечеността им от големи електрически мрежи и се внедряват активно, но поради нестабилността на производството те са принудени да работят заедно с дизелови централи.

Освен това такива системи ще бъдат търсени и в електрическия транспорт, където устройствата за съхранение са предназначени да изгладят графика на потреблението.
„Алтернативната енергия вече е спечелила своето място в света“, казва ръководителят на RUSNANO Анатолий Чубайс. – Делът му в общия обем на производство се е увеличил от 1% на 10% и ще продължи да расте. Според експертите до 2050 г. до 40% от енергийния баланс ще идва от алтернативна енергия. Вярвам, че през следващите 5-15 години съхранението на енергия ще стане комерсиално жизнеспособна технология - и ние ще преминем към различна енергийна индустрия.

Революционна технология, която ще раздели производството и потреблението, е съхранението на енергия. Тази технология ще промени домовете ни, защото в тази ситуация потребителят ще стане независим от производителя на електроенергия. И това не е въпрос за 2050 г., не за 2030 г., а за много по-ранни дати.

На стратегическата сесия „Създаване на система за държавни стимули за съхранение на електроенергия в Руската федерация“, проведена в Rusnano, беше отбелязано, че световният пазар на системи за съхранение на електроенергия е на прага на експоненциален растеж - обемът му може да нарасне 100 пъти през 10 години. Вече е очевидна тенденцията към намаляване на разходите за производство на системи за съхранение и подобряване на техническите решения до ниво, което ще бъде търсено от индустрията в края на 2020 г.

Консервационни задачи

Като цяло проблемът с ефективното съхранение на енергия, включително генерирана от възобновяеми енергийни източници, сега е един от най-трудните енергийни въпроси. Разбира се, въвеждането на батерии ще направи захранването с енергия по-надеждно и ще позволи то да бъде излишно.

С помощта на устройства за съхранение се решават следните задачи:

изравняване на пулсиращата мощност, произведена от генераторна инсталация при условия, например на постоянно променяща се скорост на вятъра;
координиране на графиците за производство и потребление на енергия с цел захранване на консуматорите в периоди, когато блокът не работи или мощността му е недостатъчна;
увеличаване на общото производство на енергия от централата.

За изпълнението на тези задачи сега, като правило, се използват така наречените капацитивни устройства за съхранение, в които енергийният резерв е предназначен за 2-3-дневна консумация. Те са необходими за използване в периоди на достатъчно дълги спадове в производството на енергия.

Когато се решават проблеми, свързани със съхранението на енергия, трябва да се вземат предвид много характеристики на батерията:

относителна маса;
разходи за единица продукция;
продължителност на съхранение на енергия;
сложността на енергийните преходи;
експлоатационна безопасност и др.

Необходимият капацитет на батерията зависи от типа и характеристиките на блока, условията и модела на използване на генераторната централа, мощността на натоварване и модела на потреблението. Определя се и въз основа на технически и икономически показатели, тъй като натрупването не трябва да води до голямо увеличение на разходите за доставка на енергия към съоръжението.

Помпено-акумулиращи станции

Как сега се решава проблемът с енергоспестяването? Всъщност човечеството е изобретило доста видове батерии – от вече познатите до напълно екзотичните.

Най-известните са механичните. Например помпено-акумулиращи електроцентрали (PSPP).

Хидроенергията по същество е вид механична енергия, но се различава по това, че може да се акумулира в много големи количества и да се използва при такава мощност и в такива периоди от време, че е възможно да се изравни променливото натоварване на енергийните системи и да се осигури по-равномерна работа на ТЕЦ.

Помпено-акумулиращата електроцентрала включва два резервоара (горен и долен), като разликата в нивата обикновено е от 50 до 500 метра. Турбинното отделение включва реверсивни агрегати, които могат да работят както като моторни помпи, така и като турбогенератори. При високо налягане (500 метра или повече) се използват отделни помпени и турбинни агрегати. В моменти, когато натоварването на електроенергийната система е минимално (например през нощта), тези агрегати пълнят горния резервоар с вода, а по време на пиково натоварване системата преобразува натрупаната водна енергия в електричество. Ефективността на такова акумулиране е 70-85%, цената на електроенергията, получена по този начин, е много по-висока, отколкото в топлоелектрическите централи, но изравняването на кривата на натоварване и възможността за намаляване на номиналната мощност на топлоелектрическите централи намаляват експлоатационните разходи на енергийни системи и напълно оправдават изграждането на помпено-акумулиращи централи. В момента има повече от триста от тях в света.

Когато търсенето на електроенергия намалее, нейният излишък се използва в помпено-акумулиращата електроцентрала за изпомпване на вода от долния резервоар към горния. По този начин „допълнителната“ електрическа енергия се преобразува в механична (потенциална) енергия. По време на повишено търсене на електроенергия водата се прехвърля от горния резервоар към долния. В този случай водата протича през хидравличен турбинен генератор, в който нейната потенциална енергия се преобразува в електрическа.

Маховици

Вторият вид механична батерия е предназначена за транспортни устройства. Принципът на действието му е изненадващо прост. Батерията от този тип е маховик, който има голяма маса и се върти до много висока скорост.

Енергията, която съхранява, не е нищо повече от кинетичната енергия на самия маховик. За да увеличите кинетичната енергия на маховика, трябва да увеличите неговата маса и скорост на въртене. Но с увеличаване на скоростта центробежната сила се увеличава, което може да доведе до разкъсване на маховика. Следователно за маховици се използват най-издръжливите материали. Например стомана и фибростъкло. Вече са произведени маховици, чиято маса се измерва в много десетки килограми, а скоростта на въртене достига 200 хиляди оборота в минута.

Загубата на енергия при въртенето на маховика се причинява от триенето между повърхността на маховика и въздуха и триенето в лагерите. За да се намалят загубите, маховикът се поставя в корпус, от който се изпомпва въздух, т.е. вътре в корпуса се създава вакуум. Използват се най-модерните дизайни на лагери. При тези условия годишната загуба на енергия на маховика може да бъде по-малко от 20%.

В момента са създадени прототипи на градски автобуси с енергийна батерия от този тип. Но перспективата за използване на акумулатори с маховик все още е неясна.

Жирорезонансните устройства за съхранение на енергия са същият маховик, но изработен от еластичен материал (например гума). Енергията тук се съхранява в резонансна вълна на еластична деформация на материала на маховика. В края на 70-те години в Донецк Н. З. Гармаш се занимава с такива конструкции. Според неговите оценки, при работна скорост на маховика от 7-8 хиляди оборота в минута, съхранената енергия е достатъчна, за да може автомобилът да измине 1500 километра срещу 30 километра с конвенционален маховик със същия размер.

Електрохимична батерия

От дълго време се използва клас батерии за съхранение на енергия, известни като електрохимични батерии.

Електрохимичната батерия се зарежда (съхранява енергия), като я захранва с електрическа енергия. В батерията се преобразува в химическа енергия. Електрохимичната батерия освобождава натрупаната енергия отново под формата на електрическа енергия.

Този тип акумулатор има два електрода - положителен и отрицателен, потопени в разтвор - електролит. Преобразуването на химическата енергия в електрическа става чрез химическа реакция. За да инициирате реакцията, е достатъчно да свържете накъсо външната част на електрическата верига на батерията. При отрицателния електрод, съдържащ редуциращ агент, възниква процес на окисление в резултат на химическа реакция. Образуваните в този случай свободни електрони се движат по външната част на електрическата верига от отрицателния електрод към положителния. С други думи, възниква потенциална разлика между електродите, създавайки електрически ток.

При зареждане на батерия химическата реакция протича в обратна посока.

Електрохимичните батерии са широко разпространени, главно за стартиране на двигатели с вътрешно горене.
В момента най-често се използват относително евтини оловно-киселинни батерии. Напоследък обаче мощни литиево-йонни батерии започнаха да се използват в хибридни и електрически превозни средства. В допълнение към по-ниското тегло и по-високия специфичен капацитет, те позволяват почти пълно използване на номиналния им капацитет, считат се за по-надеждни и имат по-дълъг експлоатационен живот.

Основният недостатък на всички съществуващи електрохимични батерии е ниската стойност на специфичната енергия, съхранявана от батерията.

Съхранение с помощта на... карета

Същността на гравитационните механични устройства за съхранение е, че определен товар се повдига на височина и се освобождава в точното време, което кара оста на генератора да се върти по пътя. Идеята е проста: във време, когато слънчевите панели и вятърните турбини произвеждат много енергия, специални тежки коли се движат нагоре по планината с помощта на електрически двигатели. През нощта и вечерта, когато източниците на енергия са недостатъчни за захранване на потребителите, колите спират, а двигателите, работещи като генератори, връщат натрупаната енергия обратно в мрежата.

Пример за прилагането на този метод за съхранение на енергия е устройството, предложено от калифорнийската компания Advanced Rail Energy Storage (ARES).

Почти всички механични задвижвания имат проста конструкция и следователно висока надеждност и дълъг експлоатационен живот. Времето за съхранение на веднъж съхранена енергия е практически неограничено, освен ако товарът и структурните елементи не се разпаднат с времето поради стареене или корозия.

Енергията, съхранявана в повдигащите твърди частици, може да бъде освободена за много кратко време. Единственото ограничение на мощността, получена от такива устройства, е ускорението на гравитацията, което определя максималната скорост на увеличаване на скоростта на падащия товар.
За съжаление, специфичната енергийна интензивност на такива устройства е ниска. За да съхраните енергия за загряване на 1 литър вода, трябва да вдигнете един тон товар на височина най-малко 35 метра.

Хидравлика и гравитация

Има хидравлични акумулатори на гравитационна енергия. Първо изпомпваме 10 тона вода от подземен резервоар (кладенец) в контейнер на кулата. Тогава водата от резервоара се връща обратно в резервоара под въздействието на гравитацията, завъртайки турбина с електрически генератор. Срокът на експлоатация на такова устройство може да бъде 20 години или повече.

За съжаление, хидравличните системи трудно се поддържат в правилно техническо състояние - на първо място, това се отнася до херметичността на резервоарите и тръбопроводите и изправността на спирателното и помпено оборудване. И още едно важно условие - в моментите на натрупване и използване на енергия работният флуид (поне доста голяма част от него) трябва да бъде в течно агрегатно състояние, а не под формата на лед или пара. Но понякога в такива резервоари за съхранение е възможно да се получи допълнителна безплатна енергия, например при попълване на горния резервоар със стопена или дъждовна вода.

Електролизатор

Тук, по време на етапа на съхранение на енергия, възниква химическа реакция, в резултат на която горивото се редуцира, например водородът се освобождава от водата - чрез директна електролиза, в електрохимични клетки с помощта на катализатор или чрез термично разлагане, да речем, електрическа дъга или силно концентрирана слънчева светлина. „Освободеният” окислител може да бъде събран отделно или „изхвърлен” като ненужен.

На етапа на възстановяване на енергията натрупаното гориво се окислява, за да се освободи енергия. Например, водородът може незабавно да осигури топлина, механична енергия (когато се подава към двигател с вътрешно горене или турбина) или електричество (когато се окислява в горивна клетка).

Този метод е много привлекателен поради независимостта на етапите на натрупване на енергия („зареждане“) и нейното използване („разреждане“), високия специфичен капацитет на енергията, съхранявана в горивото (десетки мегаджаули на килограм гориво) и възможността за дългосрочно съхранение. Широкото му разпространение обаче е възпрепятствано от незавършеното развитие и високата цена на технологията, както и от високата опасност от пожар и експлозия. Въпреки тези недостатъци по света се разработват различни инсталации, използващи водород като резервен източник на енергия.

Кондензатори

Най-често срещаните "електрически" устройства за съхранение на енергия са обикновените радиокондензатори. Те имат огромна скорост на натрупване и освобождаване на енергия и могат да работят в широк температурен диапазон в продължение на много години. Чрез комбиниране на няколко кондензатора паралелно можете лесно да увеличите общия им капацитет до желаната стойност. Кондензаторите обаче имат два основни недостатъка. Първо, това е много ниска специфична плътност на съхранената енергия и следователно малък (в сравнение с други видове съхранение) капацитет. Второ, това е кратко време за съхранение, което рядко надвишава няколко часа и често възлиза само на малки части от секундата. В резултат на това приложенията на кондензаторите са ограничени до различни електронни схеми.

Йонисторите, които понякога се наричат ​​"суперкондензатори", могат да се разглеждат като вид междинна връзка между електролитните кондензатори и електрохимичните батерии. От първите те са наследили практически неограничен брой цикли на зареждане и разреждане, а от вторите - относително ниски токове на зареждане и разреждане. Капацитетът им също е в диапазона между най-капацитивните кондензатори и малките батерии.

Други видове задвижвания

В пружинните механични акумулатори се осигурява голям поток и доставка на енергия чрез компресия и изправяне на пружината. Периодът на съхранение на натрупаната енергия в компресирана пружина може да бъде много години. Трябва обаче да се има предвид, че под въздействието на постоянна деформация всеки материал натрупва умора с течение на времето. Следователно, след известно време компресираната пружина може да се „освободи“ напълно или частично.

Устройствата за механично съхранение на газ включват въздушен приемник. В този клас устройства енергията се акумулира благодарение на еластичността на компресирания газ. Когато има излишна енергия, компресорът изпомпва газ в цилиндъра. Когато трябва да се използва съхранената енергия, компресираният газ се подава към турбина, която директно извършва необходимата механична работа или върти електрически генератор.

Газът, компресиран до налягане от десетки и стотици атмосфери, може да осигури висока специфична плътност на съхранената енергия за почти неограничено време. Но включеният в инсталацията компресор с турбина или бутален двигател са доста сложни устройства с ограничен ресурс.

Известни са и устройства за съхранение, използващи химическа енергия. Химическата енергия е енергията, „съхранена“ в атомите на веществата, която се освобождава или абсорбира по време на химичните реакции между веществата. Той или се отделя като топлина по време на екзотермични реакции (например изгаряне на гориво), или се превръща в електричество в галванични клетки и батерии. Тези енергийни източници се характеризират с висока ефективност (до 98%), но ниска мощност. Химическите устройства за съхранение на енергия позволяват получаването на енергия както във формата, от която е била съхранена, така и във всяка друга форма. Но това не може да стане без специални технологии и високотехнологично оборудване.

В допълнение към описаните по-горе, има и други видове устройства за съхранение на енергия. Повечето от тях обаче са много ограничени по отношение на плътността на съхраняваната енергия, времето за нейното съхранение и имат висока специфична цена. Следователно тяхната експлоатация не се разглежда сериозно.