Накопители энергии: очевидные и невероятные

Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники

Популярная механикаHi-Tech

Накопители энергии: очевидные и невероятные

Роман Фишман

Штангисты знают, что поднять вес мало – важно его удержать. Сколько бы мы ни произвели чистой – или любой другой – энергии, от нее будет мало толка, если мы не умеем ее хранить. Но что способно накапливать гигаватт- и тераватт-часы, а в нужный момент за секунды отдать их в сеть? Только что-нибудь по-настоящему серьезное. Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники, разработанные в Новосибирске. О них мы и поговорим, вспомнив по пути школьную физику.

Профессор из Беркли Дэвид Каммен считает электросети самой сложной машиной, которую когда-либо создавало человечество: «Она самая большая, самая дорогая, включает больше всего компонентов и при этом элегантно проста. В ее основе лежит единственный принцип – приток энергии должен постоянно равняться оттоку». Система работает как ресторан быстрого питания: сколько заказано блюд, столько и приготовлено, лишнее приходится выбрасывать. Между тем потребление электроэнергии меняется постоянно и довольно ощутимо.

Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, – днем. А ярче всего солнце светит летом. Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС. Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей.

Cравнение потребления и генерации электроэнергии различными источниками на примере декабря 2012 года (по данным BM Reports).

Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива – ниже. Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления. Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись... Есть идеи?

Варианты очевидные

Электросети начали проектировать больше века назад с учетом технологий того времени, и сегодня даже в самых развитых странах они нуждаются в модернизации, в том числе во введении «амортизирующего» компонента, накопителей соответствующей мощности. Пока что такими проектами не могут похвастаться даже США: по данным за 2017 год, все имевшиеся в стране промышленные накопители имели мощность лишь около 24,2 ГВт, тогда как генерирующие мощности составили 1081 ГВт. Текущие возможности России в области накопления – чуть больше 2 ГВт, а всего мира – 175,8 ГВт.

Почасовое потребление в Великобритании в течение одного зимнего и одного летнего месяцев 2009 года. Максимум потребления пришелся на шесть часов январского утра (58,9 ГВт), минимум — на теплый субботний вечер в июле (22,3 ГВт), разница более чем вдвое.

Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии. Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%. Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными.

Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов. Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных. Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление... Что нам остается, помимо этого?

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как выбрать обогреватель: боремся с холодами Как выбрать обогреватель: боремся с холодами

Какой обогреватель выбрать, чтобы эффективнее бороться с холодами

Популярная механика, октябрь'19
Эпигенетика: мутации без изменения ДНК Эпигенетика: мутации без изменения ДНК

«Генетика предполагает, а эпигенетика располагает»

Популярная механика, май'18
Опыт читателя: как я заменил штатную магнитолу на Android-модель и сразу провел апгрейд Опыт читателя: как я заменил штатную магнитолу на Android-модель и сразу провел апгрейд

Сложно ли заменить штатную магнитолу на автомобиле более современной на Android

CHIP, сентябрь'19
Монтсеррат Кабалье: «Я получила больше, чем мечтала» Монтсеррат Кабалье: «Я получила больше, чем мечтала»

Певица стала вегетарианкой, чтобы сохранить голос

StarHit, май'18
«Не принято просто смотреть»: как проходят закрытые оргии на фестивале Burning Man «Не принято просто смотреть»: как проходят закрытые оргии на фестивале Burning Man

«Не принято просто смотреть»: как проходят оргии на фестивале Burning Man

Men’s Health, сентябрь'18
«Кадиллак», который ездит сам по себе «Кадиллак», который ездит сам по себе

Полностью автономные автомобили – это неизбежное будущее

Популярная механика, май'18
На берег крутой На берег крутой

Байк Indian Roadmaster покоряет дикий шотландский маршрут North Coast 500

Robb Report, апрель'18
Иран: поколение санкций Иран: поколение санкций

Иран: поколение санкций очевидно, России еще долго жить под санкциями

Огонёк, май'18
О самом главном: 10 правил диеты для живота и бедер О самом главном: 10 правил диеты для живота и бедер

Как избавиться от жира в ненужных местах

SNC, май'18
53 000 тонн навоза: экскременты бегемотов убивают рыб 53 000 тонн навоза: экскременты бегемотов убивают рыб

Бегемоты являются частью экосистемы, но порой они причиняют ей ущерб.

National Geographic, май'18
Уйти, чтобы вернуться... Уйти, чтобы вернуться...

Парадное, шаверма, «в Питере — пить» и прочие парадигматические артефакты

Quattroruote, июнь'18
Иду на рекорд! Иду на рекорд!

Как привить ребенку любовь к спорту

Лиза, май'18
Дэниел Коул «Палач» Дэниел Коул «Палач»

Новый захватывающий триллер от автора бестселлера «Тряпичная кукла»

Playboy, май'18
GWENT: The Witcher Card Game GWENT: The Witcher Card Game

Мы запомним его таким

Игромания, июнь'18
Dreszcz rozkoszy! Dreszcz rozkoszy!

В очередной раз мы восхищаемся Джоанной Крупой

Maxim, июнь'18
Медленные танцы с Владиславом Насташевым Медленные танцы с Владиславом Насташевым

В Театре наций грядет премьера — музыкальный перформанс Владислава Наставшева

СНОБ, май'18
Увеличены компенсации за задержки авиарейсов Увеличены компенсации за задержки авиарейсов

27 мая вступили в силу поправки в Воздушный кодекс РФ

National Geographic, май'18
7 вещей, которые люди с аутизмом хотели бы вам сказать 7 вещей, которые люди с аутизмом хотели бы вам сказать

Журналист Сара Курчак разрушает несколько стереотипов о людях с РАС

Psychologies, май'18
Завтрак аристократа Завтрак аристократа

О книге рецептов, шоу «Еда, я люблю тебя» и кулинарных экспериментах

OK!, май'18
Сексуальная жизнь в длительных отношениях: истории четырех пар Сексуальная жизнь в длительных отношениях: истории четырех пар

Как партнерам, живущим вместе 10-20 лет, удается поддерживать огонь страсти?

Psychologies, май'18
Гости с севера. Чьи интересы представляют новые министры Гости с севера. Чьи интересы представляют новые министры

Владимир Якушев изначально оценивался как креатура Сергея Собянина

Forbes, май'18
Самое место Самое место

Мини-гид для начинающих путешественников

Добрые советы, июнь'18
Экстремальный Боракай Экстремальный Боракай

Филиппинский остров Боракай – это мягкий белый песок, пальмы, бирюзовое море

АвтоМир, май'18
Броня легка Броня легка

Алюминиевые сплавы давно и прочно обосновались на бронемашинах

Популярная механика, июнь'18
Его величество Его величество

Казань величественна и по-праздничному красива даже в самый пасмурный день

Quattroruote, июнь'18
Пора кончать: в США исследуют новую сексуальную болезнь Пора кончать: в США исследуют новую сексуальную болезнь

Как бороться с расстройством в форме постоянного генитального возбуждения

Men’s Health, май'18
Лучшие половины Лучшие половины

Спутницам великих художников суждено разделить их судьбу и после смерти

Robb Report, май'18
5 ошибок при увольнении (и как их избежать) 5 ошибок при увольнении (и как их избежать)

Нюансы, на которые следует обратить внимание при увольнении

Psychologies, май'18
А что, если твоя девушка либертарианка? А что, если твоя девушка либертарианка?

Она независима, экспансивна и в чем-то безжалостна

Men’s Health, май'18
Сплошной рок-н-ролл Сплошной рок-н-ролл

Лева и Шура «Би-2» рассказали о семейной жизни на расстоянии

StarHit, май'18