Получить энергию – важно, но ещё важнее – сохранить!
Дата публикации: 4 июня 2014
Почему альтернативные источники занимают пока столь скромное место в народном хозяйстве мировых стран? Даже тех стран, у которых нет традиционных полезных ископаемых, пригодных для выработки энергии?
Главнейшая причина, вернее, несколько – несовершенство батарей, сохраняющих энергию. Долго заряжаются, имеют предел зарядки, теряют значительную часть при длительном хранении – вот главные недостатки аккумуляторов. Да плюс ко всему – дорогие. Здесь камень преткновения великой и спасительной поступи природных возобновляемых источников энергии!
В данной серии заметок пойдёт речь об усилиях учёных-изобретателей по поиску оптимальных вариантов аккумуляторов для альтернативных источников энергии. Ведь все виды природных источников отличаются крайним непостоянством, эпизодичностью, а электроэнергия не терпит скачков. Поэтому несовершенство аккумуляторов, помноженное на непостоянство ветра, солнца и воды, откуда мы получаем энергию, сдерживают массовую поступь по планете возобновляемых природных источников энергии.
Итак, аккумуляторы. Где взять такие приборы, которые могут быстро заряжаться и не знать предела зарядки, долго сохранять энергию без потерь, затем отдавать её по мере потребления столько, сколько потребуется времени и напряжения, чтобы не прерывать процесс производства или освещения объектов?
Как вы сейчас убедитесь, поиски идут, но от восторга в воздух чепчики бросать пока рановато.
Хоть и дёшево, но не сердито
Группа китайских изобретателей вместе с американскими коллегами пришли к новой технологии изготовления аккумуляторов, предназначенных для альтернативных источников энергии. Они создали гибрид литиевых и натриево-серных агрегатов и назвали его натриево-ионным. Он предназначен обеспечивать потребителей электричеством в часы полного затишья ветра и при пасмурной погоде, когда перестают действовать солнечные батареи.
Главное его достоинство – дешевизна! И достигнуто это за счёт использования в его работе обыкновенной поваренной соли. Но учёных в ходе исследований подстерегала другая проблема в связи с созданием электродов. Немало помучившись, они создали специально для этого агрегата оксидно-марганцевые провода, по которым передвигаются ионы натрия.
Получился натриево-ионный долговечный прибор. При испытании его 100 раз заряжали и разряжали и при этом он утратил лишь 10% своей ёмкости. Кстати, объём мощности его довольно внушительный.
Всё бы хорошо, да вот незадача: чем интенсивнее ветер и чем больше за короткое время поступает на аккумулятор энергии, тем меньше он накапливает её впрок. Не успевает осваивать поступающую энергию. Проявляет некую «заторможенность». Учёные работают сейчас над устранением этой проблемы и уверены, что они на верном пути к совершенству искомого агрегата.
Аккумуляторная революция?
Поиск изобретателей продолжается. Проблема нешуточная: как накопить во время интенсивной работы ветрогенераторов и солнечных батарей столько энергии, чтобы её хватило на несколько часов полного безветрия и даже солнечного затмения. Эту роль должны выполнить аккумуляторы, которых до наших времён на свете не существовало. Задача с несколькими неизвестными.
Но просвет в поисках всё же наблюдается. Часто мы встречаем отрадную весть из разных уголков земного шара о некоторых находках по заданной тематике.
Профессор института технологии из Массачусетса Садвей обнародовал крупномасштабную систему сохранения энергии с помощью аккумулятора на жидком металле. В нём вместо электродов применяется расплав сурьмы и магния, а вместо электролита — сульфид натрия с растворенным магниевым сплавом.
Учёные-изобретатели под руководством Садвея задались целью создать такой аккумулятор, который бы побил все рекорды прежних своих собратьев по низкой цене, был предельно безопасен в эксплуатации, безотказен и неприхотлив в работе. Ставка сделана на изобретение такого агрегата, который бы мог эффективно действовать при довольно высоких температурных режимах. Ведь не секрет, что любому агрегату, требующему постоянное охлаждение, малейшие форс-мажорные обстоятельства могут грозить выходом из строя. Аккумулятору Садвея это не грозит.
В изделии вместо электродов применен трёхслойный расплавленный металл, разделенный жидким электролитом. Все слои разделены из-за разной плотности состава. Изобретатели уверены, что подобный аккумулятор имеет огромные преимущества перед своими традиционными предшественниками: долговечен, совершенно безразличен к большому числу зарядов-разрядов и может принимать на хранение и отдавать электроток во много раз больший, чем существующие агрегаты. По твёрдому убеждению авторов проекта, такая аккумуляторная батарея полностью удовлетворит потребность любого частного дома в электричестве.
Детище американских изобретателей обещает природным источникам энергии выйти на первый план в борьбе за место на планете среди традиционных углеводородистых ископаемых. С таким аккумулятором не страшны и любые природные куражи: непостоянство ветра, ненадёжность солнечного света. Он быстро накопит энергию, бесконечно долго и без потерь будет сохранять, будет выдавать её долгие часы во время безветрия и пасмурной погоды.
Обнадёживающая перспектива. Хоть и не аккумуляторная революция, но, можно сказать, накануне её. Испытания подходят к своему завершению.
Страховка в квадрате
Недостатки альтернативных источников энергии хоть известны давно, но не так-то просто от них избавиться. Основные из них: дороговизна, низкий КПД, полная зависимость от матушки-природы. Подует ветерок и выглянет солнышко – хорошо, всё заработало. Но надолго ли. То есть, природа всё время держит в своих своевольных руках судьбу потребителей. Как надёжно застраховаться от своеволия природы?
Первая страховка от зависимости – подключение к мощной установке ветрогенератора и солнечных батарей так называемого инвертора, который регулирует работу аккумулятора. Этот агрегат держит под контролем напряжение в сети. При снижении он подключает аккумулятор, который начинает дополнять недостаток напряжения. Как только ветер усилился и солнце стало ярче, инвертор переводит аккумулятор в режим накопления энергии.
Этот способ довольно затратный: надо иметь мощные установки ветрогенератора и солнечных батарей, которые способны обеспечивать дом энергией и одновременно заряжать аккумулятор. Зато он гарантирует эффективность применяемых альтернативных источников энергии.
Второй способ застраховать себя от капризов природы – установить для дома гибридную электростанцию, работающую от ветра, солнца, с подключением к ним в качестве запасного варианта генератора, работающего на двигателе внутреннего сгорания. Страховка тогда обеспечивается полная. Включается двигатель при полном безветрии и отсутствии солнечных лучей, а также при полной разрядке аккумулятора. То есть, генератор на двигателе внутреннего сгорания выполняет роль аварийного, запасного игрока в системе электроснабжения дома. Основные работяги – солнце и ветер.
Второй вариант страховки позволяет иметь менее мощные источники возобновляемой энергии, значит, более дешёвые. Но в любых случаях необходим надёжный, энергоёмкий, экономный аккумулятор, способный быстро заряжаться, не иметь предела зарядки, не терять энергию в процессе хранения и быть ко всему прочему недорогим. Задача с несколькими неизвестными, над решением которой учёные бьются уже несколько десятилетий.
Химическая лаборатория в коробке
А вот учёные Гарвардского университета создали принципиально новейший аккумулятор, основанный на использовании химической реакции органических соединений, заменивших металлические пластины. Такой технологический подход открывает возможности в ближайшее время создать дешёвый и эффективный аккумулятор. Изобретатели называют главную причину дешевизны – использование органических соединений, похожих на растительные. То есть, их можно получать из растений типа ревеня, или из сырцовой нефти.
Аккумулятор нового типа содержит два резервуара с растворами химических соединений. Причём, на водной основе, что полностью исключает пожароопасность агрегата. Оказывается, эти химические компоненты с успехом справляются с теми задачами, которые в старых типах батарей выполняли металлические платиновые катализаторы. Они-то в основном и увеличивали стоимость изделий.
Достоинства данной «химической лаборатории» довольно ощутимы. Они способны хранить большой объём электроэнергии и стоимость хранения одного киловатт/часа снижается с 700 до 27 долларов. Использование химических компонентов, так называемых хинонов, действительно открывает столбовую дорогу для массового изготовления аккумуляторов, о которых давно мечтает весь инженерный мир.
Один из разработчиков Майкл Азиз уверен, что используя такие аккумуляторы в ветровой и солнечной энергетике, можно намного снизить энергозависимость человека от капризов природы. Такие химические лаборатории в коробке позволят получать бесперебойное снабжение энергией даже в условиях длительного безветрия и в ночное время. Кажется, победная финишная ленточка близка.
Видео про зарядные устройства для Солнечной Батареи, и аккумуляторы:
Источник
Аккумуляторы для рынка возобновляемых источников энергии
Renewable Energy World Magazine
Как развивающиеся, так и развитые страны мира имеют веские основания задуматься об использовании аккумуляторных технологий. И вот почему.
С тех дней, когда ваш дедушка вынужден был периодически открывать капот, чтобы добавить воды в свинцово-кислотную батарею, технология аккумуляторов прошла долгий путь.
Всего десять лет назад идея, что блоки аккумуляторов скоро будут «сглаживать потоки энергии», текущей от ветряных и солнечных ферм в электрические сети, казалась почти фантастической. Но теперь аккумуляторы широко используются по всему миру для регулирования и хранения энергии ветра и солнца, непостоянной по самой своей природе.
Кроме того, аккумуляторы все чаще используются в системах автономного производства энергии, включая все аспекты, от стабилизации ненадежных сетей в развивающихся странах, до предложения вольнолюбивым европейцам и североамериканцам альтернативы коммунальным электрическим сетям.
По некоторым оценкам, накопление и хранение позволит затормозить потоки, ежегодно уносящие миллиарды долларов в виде пропадающей впустую энергии, создав глобальный рынок интеллектуальных электрических сетей, объем которого, как ожидают, к 2020 году превысит $400 миллиардов.
«Возобновляемые источники энергии достигают точки, когда их проникновение в электрические сети становится весьма существенным, – сказал Хареш Камат (Haresh Kamath), руководитель программы хранения и распределенной генерации энергии Научно-исследовательского института электроэнергетики (EPRI) из Пало-Альто, Калифорния. – К 2020 году Калифорния рассчитывает довести уровень аккумулирования мощности в электрических сетях до 1.3 ГВт».
Камат отметил, что подобные цели заявили Нью-Йорк, Нью-Джерси и канадская провинция Онтарио.
Ключом к решению этой задачи являются аккумуляторы. В своей простейшей форме они преобразуют электрическую энергию в химическую и хранят ее. В обычной автомобильной аккумуляторной батарее пластины на основе свинца погружены в электролитическую смесь воды и серной кислоты. Высвобождающиеся в результате электрохимических реакций электроны текут через проводники, производя энергию.
Во время заряда химические вещества внутри аккумулятора переходят из низкоэнергетического состояния в высокоэнергетическое. При разряде происходит обратный переход из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое.
«Мы считаем, что аккумулирование энергии повысит ценность нестабильных возобновляемых источников, – сказал Пол Сиблеруд (Paul Siblerud), исполнительный вице-президент по маркетингу и стратегическим продажам компании ViZn Energy из Коламбия-Фоллз, Монтана. – Если бы мы могли накапливать ее, а затем отдавать в периоды высоких пиковых нагрузок, мы получили бы возможность использовать эту энергию тогда, когда в ней будет потребность».
По мнению Камата, для 100-мегаваттной ветряной фермы потребовались бы накопители энергии емкостью от 10 до 50 МВт·ч. Он считает, что при создании столь огромной ветряной фермы на приобретение устройств хранения энергии нужно будет предусмотреть сумму в $50 млн.
По словам Камата, в зависимости от конструкции системы и места ее расположения, амортизационный период накопителей такой большой емкости может составлять от 5 до 7 лет.
Солнечная энергетика также зависит от капризов погоды. «Уровень солнечного света может падать, – говорит Сиблеруд. – Облака над вашими панелями могут снизить выработку энергии на 30 процентов».
Для практического использования аккумуляторных накопителей энергии необходимы двунаправленные инверторы, преобразующие постоянное напряжение банка батарей в переменное напряжение промышленной частоты для подачи в дома, и конвертирующие переменное напряжение в постоянное для заряда аккумуляторов. Инверторы промышленного масштаба не только контролируют заряд аккумуляторов, но также управляют коммутацией и стабилизируют напряжение при переходе от работы на ветряной или солнечной энергии к использованию сети. Прием возобновляемой энергии и регулирование ее перед подачей в сеть часто называют «сглаживанием сети».
«К сожалению, всегда приходилось идти на компромисс, который заключался в том, что провалы в поступлении возобновляемой энергии компенсировались ископаемым топливом, – сказал Джон Вуд (John Wood), исполнительный директор компании Ecoult Energy из Сиднея, Австралия. – Но все же, аккумуляторы делают это лучше из-за практически нулевого лага между сигналом и откликом. Они могут моментально отдать полную мощность в сеть, а в следующий момент поглотить полную мощность».
Вуд сообщил, что компания PNM из Нью-Мексико интегрировала изготовленный Ecoult Ультрааккумулятор в свою солнечную ферму, на четырех акрах которой установлено 2,158 фотогальванических панелей.
 |
| Компания PNM из Нью-Мексико интегрировала изготовленный Ecoult ультрааккумулятор в свою солнечную ферму. |
«Самым значительным проектом Ecoult в области сглаживания возобновляемой энергии до настоящего времени была солнечная электростанция в Нью-Мексико, создаваемая компанией PNM – сказал Вуд. – Мощность, вырабатываемая 500-киловаттной солнечной станцией, может меняться со скоростью более 130 кВт в секунду, поэтому какой-либо буфер, расположенный между станцией и сетью, очень полезен для сетевого оператора. Ультрааккумулятор можно периодически быстро заряжать и разряжать в течение длительного времени».
 |
| Ультрааккумулятор компании Ecoult. |
Между тем, японская корпорация NEC приобрела энергетический бизнес компании A123 Systems LLC. В результате приступила к работе новая компания, получившая название «NEC Energy Solutions». NEC рассчитывает, что новая компания станет мировым лидером в поставках оборудования энергетических сетей с литий-ионными накопительными системами, использующими нанофосфатные литий-ионные элементы компании A123 Systems. К недавним проектам, в которых активно участвовала NEC, относятся 500-киловаттные и 2-мегаваттные установки в материковом Китае.
 |
| Система накопления энергии 1 МВт/2.8 МВт·ч, установленная в Японии. Проект был сдан в эксплуатацию в марте 2014 г. и используется для сглаживания пиковых нагрузок и управления зарядом. (Фото: A123 Energy Solutions). |
В Европе компания SMA Solar Technology AG участвует в монтаже крупной аккумуляторной системы хранения энергии, возводимой в Аахене, Германия. Электроэнергетическая компания E.ON в сотрудничестве с SMA и с производителями батарей Exide и Beta Motion в ближайшее время запустит аккумуляторную систему накопления мощностью 5 МВт.
В проекте будут использоваться литий ионные аккумуляторы для долговременного хранения в течение нескольких часов, и кислотно-щелочные аккумуляторы для случаев, когда среднее время разряда не превышает одного часа.
В США ViZn Energy запускает в производство проточные цинковые редокс-аккумуляторы, рассчитанные, по заявлению компании, на срок эксплуатации более 20 лет и допускающие масштабирование до мощностей в сотни мегаватт. В настоящее время ViZn принимает предварительные заказы на аккумуляторы и планирует наращивать объемы их производства.
 |
| Железо-цинковый аккумулятор емкостью 160 кВт·ч. (Фото: ViZN Energy Systems). |
«Мы продали несколько устройств в Европе и США, и получили еще ряд запросов, как от европейских и североамериканских компаний, работающих в области ветряной и солнечной энергетики, так и от африканских компаний, специализирующихся на производстве автономной энергии, – сказал Сиблеруд. – Но что реально будет продано, я не знаю, поскольку отрасль взрослеет, и трудно понять, что сейчас в ней происходит».
У ViZn могут появиться конкуренты в Северной Америке. Так, NEC сообщила, что совместно с EPRI приступает в Ноксвилле, штат Теннесси, к полевым испытаниям системы хранения электрической энергии, использующей литий-ионные аккумуляторы NEC. Цель испытаний NEC сформулировала как «шаг на пути к подтверждению соответствия стандартам США» будущих аккумуляторных накопителей компании, предназначенных для интеллектуальных энергосетей.
Чтобы компенсировать резкие провалы в поступлении энергии от ветряных или солнечных источников, конструкция аккумуляторов для энергосетей должна позволять им отдавать при разряде огромное количество энергии буквально за считанные миллисекунды.
Хотя обычные автомобильные аккумуляторы тоже являются жидкостными свинцово-кислотными батареями, для работы в энергетических сетях создаются специальные аккумуляторы «глубокого разряда» и промышленного уровня качества. Такие аккумуляторы без ущерба для работоспособности можно тысячи раз заряжать и разряжать до половины их емкости, или даже меньше.
«В жидкостные батареи, если они периодически заряжаются и разряжаются, время от времени надо добавлять дистиллированную воду, – сказал Дин Миддлтон (Dean Middleton), директор по продажам оборудования для возобновляемой энергетики компании Trojan Battery из Санта Фе, Калифорния. – Тем не менее, если имеется возможность регулярного обслуживания, мы обычно останавливаем свой выбор именно на жидкостных батареях».
Заряженные жидкостные аккумуляторы выделяют кислород и водород, поэтому их нельзя транспортировать по воздуху, а при хранении необходимо обеспечивать соответствующую вентиляцию.
Аккумуляторы VRLA (свинцово-кислотные с клапанным регулированием) были разработаны в конце 1960-х годов, в частности для того, чтобы уйти от необходимости периодически подливать воду. Но даже при том, что VRLA имеют клапаны сброса давления, потребность в дополнительной вентиляции, все равно, сохраняется.
Хотя, как правило, VRLA дороже обычных жидкостных аккумуляторов, они остаются практичным и жизнеспособным выбором для труднодоступных мест, не имеющих удобного доступа к обслуживанию системы.
По словам Вуда, Ecoult активно работает также над развитием потенциала так называемых «микросетей». К микросетям можно подключать практически все, от отдельных телекоммуникационных мачт до отдаленных рудников. Хотя часто в таких местах имеются ветряные, солнечные или дизельные электростанции, Вуд считает, что они предоставляют ультраакумулятору прекрасную возможность проявить свои преимущества, поскольку дизельные генераторы обычно дороги, и их эффективность может быть «неоптимальной».
Лет пять назад расположенная в Новой Шотландии (Канада) компания Surrette Battery для нескольких десятков жителей установила малые системы на шотландском острове Мук и на соседних островах Рам, Эгг и Канна. Каждая система представляет собой комбинацию ветряной, солнечной и гидроэлектростанции с резервным дизельным генератором.
По словам Миддлтона, Trojan выпускает множество накопительных аккумуляторов для сельских домовладений в странах с ненадежными электросетями.
 |
| Умный Углерод – собственная формула компании Trojan Battery, используемая в производстве линейки промышленных жидкостных аккумуляторов. (Фото: Trojan Battery). |
«В таких странах, как Доминиканская Республика, Пакистан и Афганистан существуют проблемы с регулярностью поставок электроэнергии и с ее качеством, – сказал Миддлтон. – Мы поставляем им системы резервного питания, используемые при отсутствии напряжения в сети».
В заливе Гуаякиль у побережья Эквадора, работая совместно с эквадорской компанией AV Renewable Energy S.A., Trojan недавно оснастила системами накопления энергии 40 домов на острове Белла-Виста. Использовались мачтовые фотогальванические системы мощностью от 150 до 300 кВт, устанавливаемые в рамках финансируемой правительством программы электрификации сельской местности.
Trojan использовала там одиночные 12-амперные аккумуляторы глубокого разряда емкостью 205 А·ч и инверторы мощностью 450 Вт для преобразования постоянного напряжения а переменное.
Однако самым обширным и, в основном, неосвоенным рынком таких автономных сетей остается Северная Америка.
«Людям, желающим отказаться от услуг энергетических компаний из-за больших затрат на оплату электроэнергии, мы продаем в США очень много различного домашнего оборудования, – сказал Джефф Майлс (Jeff Myles), менеджер по маркетингу компании Surrette Battery. – Для хранения энергии они устанавливают банки аккумуляторов, а любые неиспользуемые излишки возвращают обратно в сеть».
Наиболее распространенными, по словам Майлса, являются 48-вольтовые домашние системы резервирования, состоящие из восьми соединенных последовательно 6-вольтовых аккумуляторов. Майлс говорит, что если домовладельцу потребуется мощность 1000 кВт, он должен будет приобрести банк аккумуляторов емкостью не меньше 2000 А·ч. Смысл этого в том, чтобы никогда не позволять батарее разряжаться ниже 50 процентов. Майлс отметил, что в типичной домашней установке использовались бы аккумуляторы стандартизованных размеров, весом примерно от 116 до 130 фунтов (52.5 … 59 кг) каждый, которые необходимо размещать в хорошо вентилируемом подсобном помещении.
Майлс заметил также, что в подобных установках одни только аккумуляторы могут стоить от $5,000 до $10,000. Тем не менее, по его словам, домашние устройства такого типа могут окупиться в течение 5 – 7 лет.
 |
| 6-вольтовый аккумулятор большой емкости типа 6CS27P. Емкость 893 А·ч при разряде в течение 20 часов. (Фото: Rolls Battery). |
«Есть также некоторые случаи, – сказал Майлс, – когда вместо использования генераторов, сжигающих ископаемое топливо, люди покупают резервный банк аккумуляторов на случай перебоев в подаче электроэнергии».
Пока еще слишком рано пытаться предсказывать, действительно ли технология накопления энергии совершит масштабный переход от ее текущего новаторского статуса и станет привычным элементом любой электрической сети, в которой работают ветряные или солнечные источники. Но средства хранения, основанные на использовании аккумуляторов, по всей вероятности, продолжат вторжение на рынок внесетевой энергетики, отвечая на запросы бережливых и независимых европейцев и североамериканцев.
В краткосрочной перспективе, однако, наиболее динамичный рост, по всей вероятности, будет наблюдаться в развивающихся странах, для которых, возможно, лучшим вариантом остается перескочить этап создания инфраструктуры обычных электрических сетей.
«В таких странах, как Никарагуа, где 60 процентов населения вообще не имеет доступа к электрическим сетям, и никогда не будет иметь, я думаю, всегда будет доминировать солнечная энергетика, – сказал Миддлтон. – Во всех развивающихся странах, повсюду, от школ до предприятий малого бизнеса, 95 процентов потребности в электричестве можно удовлетворить использованием автономных солнечных источников».
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник