Где больше всего на земле аккумулируется энергии

На Земле скопилась энергия 25 млрд атомных бомб: значение и последствия

А в чем тренд? Глобальное потепление — это повышение средней температуры на Земле, основной причиной которого является деятельность человека. Оно наблюдается с конца XIX века, а его скорость постоянно увеличивается. Если потепление не остановить, то планету ждут негативные последствия: часть городов исчезнет, голодающих людей станет намного больше, начнутся войны за жизненно важные ресурсы.

Взрыв в Хиросиме и глобальное потепление

В апреле 2023 года международная группа исследователей выяснила, что в период с 1971 по 2020 год глобальное потепление задержало на планете около 380 зеттаджоулей энергии — это 380 000 000 000 000 000 000 000 джоулей. В дополнительной статье два участника научной работы, австралийские климатологи Эндрю Кинг и Стивен Шервуд, подсчитали: 380 зеттаджоулей — это аналогично количеству энергии, которая высвобождается при взрыве 25 млрд атомных бомб. Сравнение проводилось с бомбой, уничтожившей Хиросиму: она выплеснула энергию, оцениваемую в 15 000 000 000 000 джоулей.

Куда делась энергия

Если бы все тепло концентрировалось в атмосфере, то средняя температура воздуха на Земле увеличилась бы на десятки градусов. Сейчас же показатель увеличения — 1,2 градуса Цельсия. Дело в том, что большинство создаваемой людьми энергии ушло под воду. Согласно исследованию, океаны поглотили около 89% энергии, суша — 6%, а 4% растаяли в криосфере — так называется часть климатической системы Земли, которая включает в себя снег, лед, айсберги и вечную мерзлоту. И только 1% задержался в атмосфере.

Океаны спасают

• ускорение таяния полярных льдов;
• повреждение морских экосистем;
• увеличение силы тропических штормов;
• нарушение океанических течений.

А что в будущем

Уровень мирового океана уже поднялся на 20 см. Климатологи еще больше обеспокоены быстрым таянием ледников и ледниковых покровов. Гренландский ледниковый щит с 1992 года уменьшился в семь раз, а Антарктида — в шесть раз с 1980-х годов. Отдельную озабоченность исследователей вызывает ледник Туэйтс в море Амундсена. По словам ученых, его размер аналогичен площади штата Флорида в США. Если Туэйтс растает, то уровень моря может подняться минимум на полметра.

Океаны не будут защищать Землю вечно. Поэтому важно начинать резко снижать выбросы парниковых газов. Кинг и Шервуд подчеркивают: «Мы участвуем в гонке, ставки в которой максимально высоки — обеспечить климат, пригодный для жизни природы и наших детей».

Села батарейка: что происходит на рынке сохранения энергии

В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.

Типы энергетических систем

• Электрооборудование

Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.

В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.

Плотина Братской ГЭС (Фото: wikipedia.org)

Накопители сжатого воздуха (Фото: electricalschool.info)

Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.

Проект накопителя тепловой энергии с водным хранилищем (Фото: Affiliated Engineers)

Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.

В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.

30-летняя технология

Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.

Первые литий-ионные батарейки Sony (Фото: Sony)

Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.

В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.

В чем минусы литий-ионных аккумуляторов

При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.

Возгорание смартфона Samsung Galaxy Note 7

Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.

В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.

Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.

Эксперименты в отрасли

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.

Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.

Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.

Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.

Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.

Батареи Solid Energy (Фото: nikkei.com)

Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.

Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.

Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.

Кроме того, крупные компании больше заинтересованы в производстве литий-ионных аккумуляторов, которые отвечают потребностям их продукции. Lux Research сообщала, что вложила в исследование хранения энергии около $4 млрд, а стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем, досталось по $40 млн. Tesla вложила около $5 млрд в Gigafactory, занимающуюся литий-ионным производством. А США намерены дополнительно субсидировать такое производство, чтобы стать более независимой от внешних рынков страной.

Проблемы рынка

В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.

По данным Fastmarkets, цены на самый дорогой в мире металл для производства аккумуляторов в марте 2021 года выросли до $42 за 1 кг. Аналитики предрекают, что к концу 2021 года они достигнут $57, а в 2024 году составят уже $80.

Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.

Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.

Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.

Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.

Пути решения

Автоконцерн General Motors в сотрудничестве с SolidEnergy Systems организовал прроизводство аккумуляторов Ultium для своих электромобилей. Они будут включать жидкий электролит, аноды на базе графита и катоды с комбинацией никеля, кобальта, марганца и алюминия. Это снизит потребность в дефицитных металлах, а также позволит удвоить плотность хранения заряда в аккумуляторах без ущерба для безопасности. Цена аккумуляторов при этом опустится на 50‒60%, их масса сократится. GM рассчитывает снизить стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии с $150 до $100 к 2025 году.

В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.

Tesla и Volkswagen также обещают в ближайшие годы сократить использование кобальта. В 2020 году Илон Маск провел специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, в ходе которой он заявил, что в течение трех лет Tesla наладит серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут существенно мощнее и долговечнее нынешних, а обойдутся вдвое дешевле (примерно в $25 000).

Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.

Новая батарея Tesla (Фото: Tesla)

Успешный гибрид

Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.

В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.

Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.

Станция Tesla в Южной Австралии (Фото: electrek.co)

Hornsdale Power Reserve построена на промышленных литий-ионных аккумуляторах Tesla Powerpack и инверторах, произведенных на Gigafactory. Она имеет мощность 100 МВт и может обеспечивать электричеством более 30 тыс. домохозяйств. Станция обеспечила снижение расходов на эксплуатацию сети региона примерно на 90%. За первые дни ее работы расходы на обслуживание сети снизились на $1 млн.

Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.

Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.

Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.

У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.

Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.

Батареи Tesla в Техасе (Фото: Tesla)

Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.

В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.

В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.

Перспективы рынка аккумуляторов

Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.

Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.

Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.

То, что в этом направлении активно идет развитие, подтверждает и исследование BloombergNEF, аналитики которого выяснили, что средняя цена литий-ионных аккумуляторов упала с $688 до $137 за киловатт-час за 2013−2020 годы. Они прогнозируют, что к 2023 году цены будут близки к $100 за кВт·ч.

Средняя цена литий-ионных аккумуляторов

Средняя цена на аккумуляторы для электромобилей составила $126/кВт·ч. Таким образом, стоимость батарейного блока в общей цене автомобиля снизилась до 21%.

К 2030 году стоимость аккумуляторов может снизиться до $58 за кВт·ч за счет новых технологических достижений.

Как сохранять МНОГО электричества?

Завершились времена, когда стройные ряды рабочих в семь утра отправлялись к станкам, а в восемь вечера так же организовано покидали фабрики и затем почти одновременно засыпали перед телевизором. Теперь мегаполисы никогда не засыпают, а вместе с ними в режиме 24/7 и всё прогрессивное человечество, «совы», индустрия развлечений и глобальные сетевые корпорации. Всем им нужно электричество, причём в любое время, без выраженной цикличности. А между тем мир переходит к возобновляемым источникам энергии, чья выработка зависит от природных условий, никак не контролируемых человеком. Как в этом мире запасаться, а затем делиться электроэнергией, не допуская блэкаутов? Рассказываем на примере технологий Toshiba.

Плюс электрификация всей планеты

Потребление электричества будет нарастать. Главные направления этого процесса — электрификация автотранспорта, перевод некоторых промышленных процессов от теплоэнергии на электропитание, а также рост бытового потребления электротока. В частности, по прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году по нашей планете будут ездить 130 млн электромобилей, хотя в 2018 году их насчитывалось 5,1 млн единиц. Всего же количество автомобилей сейчас оценивается в 1 млрд, а к 2035 году оно может вырасти до 2 млрд единиц. В пищевой, фармакологической, текстильной, бумажной и других отраслях электричество будет заменять уголь и газ при выработке средне- и низкотемпературного тепла. Продолжится и электрификация бедных стран, где электричество будут шире применять в быту. А доля электричества в общем энергопотреблении увеличится с 19% в 2018 году до 24% в 2040-м.

Соответственно повысятся риски блэкаутов — масштабных аварийных отключений электроснабжения, затрагивающие большое число разнообразных потребителей. По данным Всемирного банка, в 2019 году в среднем по всем странам мира различные организации испытывали 6,8 отключений энергии в месяц. Правда, в странах ОЭСР этот показатель составил 0,4 отключений, а в России — 0,2 отключения в месяц.

Авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году — взгляд из космоса. 14 августа 2003 года 10 млн человек в Канаде и 40 млн человек в США остались без электричества. Источник: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons

В то же время внедрение в производство и быт таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей (в том числе промышленный интернет вещей) требует минимизации отключений электричества, способных серьёзно нарушить работу сложных интеллектуальных систем.

Помимо этого, подход к потреблению энергии изменится и после внедрения возобновляемых источников энергии, которые дают разную выработку в зависимости от времени суток и погоды. В дневные часы или ветреную погоду солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют больше тока, чем ночью и в штиль. Соответственно, излишки энергии лучше сохранять на всякий случай. Но как?

Энергетические метаморфозы

Сохранять энергию, особенно в промышленных масштабах, непросто. Несмотря на то, что природа электричества хорошо изучена, его сохранение требует либо громоздких, либо дорогостоящих (либо и тех и других одновременно) технических решений. Что же защитит сильно электрифицированный мир будущего от блэкаутов?

Если ответить коротко, химия и механика. Практически все способы накопления электроэнергии сводятся к её преобразованию с помощью химических реакций или механического движения.

Первая идея, возникающая у каждого пользователя смартфона или владельца электромобиля: почему бы не использовать в промышленных масштабах огромные литий-ионные аккумуляторы? Попытки создания крупных накопителей такого типа уже есть. К примеру, сейчас Tesla занимается увеличением мощности (со 100 до 150 МВт) самого большого в мире литий-ионного хранилища электричества, собранного в 2017 году в штате Южная Австралия на Зелёном континенте. Оно состоит из литий-ионных батарей Tesla Powerpack, созданных для коммунальных и промышленных потребителей. Внутри — 16 отдельных аккумуляторных блоков, каждый с изолированным преобразователем постоянного тока.

Мощность каждой из них достигает 130 кВт, а энергоемкость — 232 кВт·ч. Южно-австралийское хранилище на основе Tesla Powerpack помогает сохранять энергию расположенной здесь же ветряной станции. При полной зарядке этот «аккумулятор» емкостью 129 МВт·ч может обеспечить электроэнергией до 30 тыс. домовладений.

Подпись: Каждый Powerpack — это как кирпич, из которого строится хранилище энергии. К одному инвертору можно подключить от одного до 20 Powerpack’ов. Из таких блоков батарей и инверторов можно создавать хранилище огромной энергоемкости. Источник: Tesla

Однако помимо известных недостатков таких батарей, есть еще и такая: увеличивая до промышленного масштаба литий-ионные батареи, в такой же степени мы усиливаем проблему их утилизации. Поэтому оставаясь экологически чистыми в период работы, огромные аккумуляторы в будущем создадут угрозу для окружающей среды и хлопоты при их списании.

Другой способ преобразования энергии — электролиз.

Поясним на примере нашей установки H2One, о которой мы уже рассказывали: солнечные батареи обеспечивают процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород; водород либо запасается, либо подается потребителю, причем водород может дать сразу тепло, механическую энергию или электричество при окислении в топливной ячейке. Проблема пока лишь в том, что пока энергии одной станции H2One хватает только небольшим объектам, например, железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония). Промышленные масштабы — в будущем.

Наиболее простые по принципу, но сложные по воплощению варианты — механические. Общая схема такова: электроэнергия в период пика выработки запасается с помощью накачки газа или воды в специальные резервуары, поднятия на высоту грузов или сжатия пружины. В период нехватки электричества энергия высвобождается механическим путем за счет обратной подачи вещества, груза или ослабления пружины. Принцип простой, экологически чистый, промышленно масштабируемый и очень долговечный. Именно поэтому, по данным Vygon Consulting, 95% накопителей энергии в мире — это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), использующие для хранения энергии лишь то, что дала нам природа — воду и гористые ландшафты.

Кручу, верчу, намагнитить хочу

Впервые использовать воду и гористые ландшафты для накопления энергии придумали в Швейцарии. В 1909 году недалеко от города Шаффхаузен в одноименном кантоне была построена первая в мире гидроаккумулирующая станция Engeweiher мощностью 1,5 МВт. Воплощенный в той установке принцип работы ГАЭС сохранился в целом и в наши дни.

Станция состоит из насоса, двух резервуаров, размещенных на разной высоте, и турбины. Когда электроэнергия в избытке, насос закачивает воду в верхний резервуар. Когда электричества в сети не хватает, воду отводят в нижний накопитель через турбину, которая дает электричество. Простота и надежность этого принципа доказана временем, а также историей самой станции Engeweiher, которая работает до сих пор, — её мощности оказались весьма кстати на фоне развития ВИЭ в Швейцарии.

Аккумулирующая гидроэлектростанция — один из старейших возобновляемых источников энергии в мире. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Следующий шаг в развитии технологии был сделан в 1930-е гг. Было понятно, что водяные турбины, соединенные с генераторами, могут работать с более высокой эффективностью, если регулировать их скорость вращения. Поэтому в 1930 году Toshiba разработала асинхронный гидрогенератор-двигатель мощностью 750 кВ·А, который был установлен на станции Ёсино в городе Канадзава (преф. Исикава, Япония). Скорость вращения турбины в нем могла изменяться для достижения максимальной эффективности выработки.

Однако широкого применения эта технология тогда не нашла, и впоследствии использовались в основном синхронные гидрогенератор-двигатели, которые работают с неизменной (синхронной) скоростью вращения, из-за чего нельзя менять и входную мощность. Это значит, что подстраивать работу станции под изменяющийся спрос (скажем, ночью, когда нужно тратить больше энергии на закачку воды и меньше отдавать её в сеть) было непросто — снижалась эффективность либо закачки, либо выработки.

В 1990-м году компания Toshiba вновь обратилась к технологии асинхронного гидрогенератор-двигателя.: совместно с Токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) на ГАЭС Ягасава была разработана и установлена первая в мире насосная установка с регулируемой скоростью, использующая двигатель-генератор с вторичным возбуждением переменного тока низкой частоты. Она управляется высокоскоростным и высокопроизводительным цифровым контроллером, который может изменять входную и выходную мощность гораздо быстрее, чем в обычных гидроагрегатах, что позволяет быстрее стабилизировать колебания мощности в сети, скажем, в случае аварийных ситуаций. С тех пор асинхронные генераторы-двигатели на ГАЭС стали применяться чаще, а сейчас являются наиболее перспективной моделью для гидроаккумуляции.

В июне 2014 года начала работать самая большая в мире насосная установка с регулируемой скоростью вращения и мощностью 475 МВ·А для четвёртого блока ГАЭС Кадзуногава (преф. Яманаси, Япония), которая имеет ещё и самую большую в мире высоту напора насоса (785 м) для одноступенчатой насосной турбины. Эта станция также управляется TEPCO. Источник: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube

Гидроагрегат с переменной частотой вращения повышает КПД насосного и турбинного режима, увеличивая тем самым эффективность полного цикла ГАЭС, а также снижает вибрацию и механический износ системы. Более того, такая машина может моментально реагировать на резкие изменения в спросе на электроэнергию, связанные, к примеру, с использованием нестабильных возобновляемых источников энергии или при блэкаутах.

И сказали мы: «Гидроаккумулирующие электростанции с асинхронным генератором двигателя, плодитесь и размножайтесь!». Источник: Абубакиров Ш. И. Опыт и перспективы использования асинхронизированных гидрогенераторов в проектах ОАО «Институт Гидропроект» // Гидроэнергетика. — 2010.— № 2 (19).

В поисках баланса

Описанные решения, как можно видеть, имеют большой — промышленный — масштаб. Но насколько разумна такая централизация? И не лучше ли внедрять распределенные решения, которые могут решать вопросы выравнивания дисбалансов в системе электроснабжения? Ничего не мешает сочетать два этих подхода, объединяя в рамках одной системы энергоснабжения крупные накопители энергии и локальные, такие, которые строятся на базе индивидуальных батарей, установленных на конкретных объектах и даже в жилых домах.

Для решения таких проблем лучше подходят аккумуляторные батареи, особенно SCiBTM, разработанная Toshiba. В основе её анода оксид лития-титана (LTO), который позволяет добиться большей эффекимвной ёмкости, а также обеспечивает длительный срок службы, работу при низких температурах, быструю зарядку, высокую мощность на входе и выходе. Toshiba SCiBTM можно применять в самых разных областях: от небольших (кВт) стационарных накопителей для жилых помещений до автомобилей, автобусов, железнодорожных вагонов, лифтов, электростанций и крупномасштабных хранилищ энергии (МВт) для электрических сетей, интеллектуальных сетей и солнечных электростанций. Источник: Toshiba

Более того, отдельные локальные хранилища электроэнергии могут в свою очередь быть также объединены в крупные структуры — виртуальные электростанции, о которых мы уже рассказывали в этом блоге. И такие решения уже реализуются.

К примеру, в Германии крупнейшая распределительная компания TenneT совместно с производителем домашних систем хранения электричества Sonnen объявила о создании своеобразного энергетического блокчейна: они планируют соединить домашние накопители энергии в сеть для выравнивания дисбалансов в энергетической системе на уровне страны. Однако пока число владельцев подходящих для этого накопителей гораздо меньше, чем хозяев домашних станций на ВИЭ.

Сочетание огромных хранилищ электроэнергии и небольших локальных, связанных воедино, как раз и поможет сгладить дисбалансы потребления и выработки, о которых мы говорили вначале, и минимизировать возможность блэкаутов.

• зеленая энергетика
• энергосбережение
• энергоэффективность
• электростанции
• toshiba
• тошиба

• Блог компании Toshiba
• Научно-популярное
• Энергия и элементы питания

Энергия: откуда взять?

Давайте немного порассуждаем об энергии. Уверяю, что это будет интересно — особенно, если вы хотите понимать, откуда берутся все блага нашей цивилизации.

ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА — основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной — количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1,37 кВт/м². Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м². Это, по-прежнему, огромное количество энергии!

Но не будем рассуждать про экватор, давайте посмотрим, что происходит в Москве.

● Итак, средняя энергия солнца для Москвы (инсоляция) в год составляет 297 МДж на м кв. Максимальная в июне – 615, минимальная в декабре – 31 (в 20 раз меньше!)

● Средняя квадратичная скорость ветра – 2,5 м/с (метеоданные)

● Средняя квадратичная скорость вод рек – 1м/с (данные по гидроресурсам)

Теперь с помощью известных формул переведем эти значения в электроэнергию.

, где — средняя энергия источника (солнце, вода, ветер), — КПД установки (солнечной панели, усредненного ветрогенератора и бесплотинной ГЭС соответственно).

● СОЛНЦЕ– 44,55 МДж/м. кв./год (КПД прямого преобразования 15%*)
● ВЕТЕР – 0,07 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 35%*)
● ВОДА – 2,65 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 40%*)
*Данные КПД брались из разных источников по характеристикам представленного на рынке оборудования.

Значения кажутся вполне достойными, но, все же, сложно оцениваемыми. Давайте попробуем по другому.

Среднее потребление электроэнергии на взрослого человека для обеспечения его пищей, работой, жильем, комфортом и всем, что в него входит, составляет примерно 1940 кВт*ч электроэнергии в год (данные из статистики по мировому энергопотреблению). Не трудно подсчитать, что, чтобы нам жилось хорошо, нам потребуется:

● 13,9 м. кв. СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ (КПД — 15%, 2кВт — 160000р только на панели), но если вспомнить, что зимой инсоляция значительно меньше, то в Москве нам для этого понадобится 26,6м.кв. солнечных панелей. И нельзя забывать про проблему аккумуляции энергии, которая тоже очень остра.

● Если говорить про ВОДУ, то это значение будет аналогично 2800 м.кв. сечения рек (без плотин)

● А про ВЕТЕР и рассуждать не хочется — 11,29 га площади ветряков!

Этот расчет является прикидочным, безусловно есть чуть более эффективные решения и чуть менее, но среднем борьба производителей установок идет за проценты КПД.

Не сложно представить, как трудно в центральной России перейти на использование только альтернативных источников энергии. Глядя на эти цифры начинаешь задумываться, а нужна ли вообще альтернативная энергетика?

Безусловно нужна! Но вот только только какая? Для этого нужно подробно разобраться, как распределяется энергия по земной поверхности, как мы ее используем и как ее аккумулируем.

Итак, давайте теперь посмотрим на энергию солнца немного с другой стороны.

На Землю падает колоссальное количество энергии. Распределяется она следующим образом:

1. Отражение от атмосферы и облаков
2. Нагрев земной поверхности
2.1. Нагрев суши
2.2. Нагрев вод

3. Рассеивание энергии в верхних слоях атмосферы.

Что же мы можем использовать:

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА — прямое преобразование света в электроэнергию. Главный и очевидный минус — огромные площади солнечных панелей. Но давайте к цифрам:

● Средний атомный реактор вырабатывает порядка 1ГВт электроэнергии. Сколько нужно солнечных панелей, что бы выработать столько же энергии? Переведем мощность в энергию, чтобы было понятно. 1ГВт это 86400ГДж энергии в день или 31536000ГДж в год.

● Поставим панели в солнечной Чите (самом солнечном городе России), инсоляция в Чите суммарная за год -4363 МДж. Получается, что нужно установить (при КПД 20%) 36 квадратных километров панелей.

● Чтобы России отказаться от атомной энергетики понадобится порядка 1152 км кв. Солнечных панелей или порядка 11 триллионов рублей (только на панели). Согласитесь, многовато. Есть еще один момент — а что будет с этими 1152 км кв площади? Каков экологический след подобного количества панелей. И не забывайте, что через 15 лет они потеряют 30% своей мощности.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА — она используется повсеместно — это ГЭС. Т.е. солнце испаряет воду — далее реки — далее ГЭС. Здесь все понятно: чтобы сконцентрировать энергию до эффективного максимума строят высокие плотины, нарушающие водобаланс, затопляющие территории, нарушающие экосистемы.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА — солнце нагревает поверхность планеты — поверхность передает тепло воздуху — воздух ветровым энергоустановкам (ВЭУ). Не сложно догадаться, что такое количество посредников размазывает энергию солнца еще больше. И не в многих местах Земли она сконцентрирована настолько, чтобы быть пойманной. А последствия использования ВЭУ всё те же — нарушение экосистем, инфразвук и пр.

Т.е. получается, что энергия в природе очень рассеяна. Вроде ее много (как например алюминия), но добыть ее не просто. А как только человек пытается сконцентрировать энергию — он нарушает естественное состояние природы, что приводит к эко-катастрофам.

Таким образом, даже применение альтернативных источников энергии приведет к нарушению локальных экосистем и, как следствие, к нарушению глобальных экосистем. Даже альтернативная энергетика противоестественна природе, так как она занимается тем же самым, что и другие виды энергетики, создает локальную концентрацию, а следовательно усиленную нагрузку на экосистему. Так что же делать? Возвращаться в каменный век?

Давайте попробуем разобраться, для чего нам энегрия.

Потребности у всех людей разные. Одни довольствуются малым, другие жаждут роскоши. Но человек, как биологический вид, в целом подчинен всем законам экологии. Разница лишь в том, что у нас планка выживаемости имеет огромный разброс. Этот разброс связан с тем, что мы умеем добывать и эксплуатировать энергию. Как энергия определяет нашу жизнь?

Давайте предположим, что уровень нашей энергетической потребности легко измеряем. И как ориентир возьмем российскую потребительскую корзину и переведем все, что в нее входит (тепло, электричество, питание, транспорт) в энергию. Обозначим это N. Так вот, если мы вдруг начнем питаться исключительно растительной пищей, которую вырастили сами, никуда не ездить, не использовать современные технологии и вообще жить жизнью русской деревни XVI века, мы потратим около 0,05N. А если решим питаться омарами, летать на самолете, жить в шикарном доме — это обойдется нам в 10-100N.

Все новое, что нас окружает, все развлечения и 8 часовой рабочий день — все это стало возможно только из-за обилия энергии. В природе существует универсальный закон: «если в замкнутую систему поставлять энергию, структура системы усложняется, а степень хаоса (энтропия) падает». Вся человеческая цивилизация тому подтверждение.

Правда, мы несколько извратили закон создав эквивалент энергии — деньги. И кто бы что не говорил о неподтвержденности денежных банкнот, на самом деле они подтверждаются энергией. Т. е. краеугольным камнем уровня жизни (обеспеченности) человечества является добыча и распределение энергии. Регулирование же энергетических потоков осуществляется за счет рынка — эквивалента энергосистемы цивилизации.

Именно поэтому индивидуальные источники энергии крайне невыгодны с политической точки зрения. Но потребность в них существует. Так как добыть энергию для себя?

Итак, на основании законов экологи и распространения энергии в экосистемах можно сделать следующие выводы:

1. Разнообразие видов и развитие экосистемы напрямую зависит от поступления энергии, но согласно закону минимума может не являться ограничивающим фактором развития экосистем. Т.е. экосистема способна взять столько энергии, на сколько ей позволяют это сделать другие условия. Хорошим примером является поле — для поля ограничением является наличие микроэлементов в почве, поэтому удобрения или правильный видовой состав значительно повышают биомассу.

2. Человек может извлечь часть энергии из экосистемы без вреда для нее.

3. Самым пагубным для экосистемы является уменьшение видового состава, так как это приводит к потере устойчивости.

Таким образом, задача человека одна — не навреди. Т.е. можно использовать только то, что не нарушает энергетического, информационного и вещественного баланса экосистем. Это очень общие выводы. Теперь вернемся теперь к энергетике.

Россияне потребляют около 5000 кг нефтяного эквивалента энергии. Если пересчитать на биомассу (среднее значение 10МДж против 41МДж у нефти) получится 20500кг. Много это или мало? По статистике, в средней полосе собирают (если выращивать специально, например кустарник), порядка 5000-7000кг/Га биомассы. Таким образом, на человека понадобится 3-4Га площади. Или (с учетом, что нас 143млн.) нам понадобится 572млн Га, или 5720000 Км.кв. Или 33% процента территории. Абсолютно ясно, что это не выход. Однако, если немного задуматься, то не всё так печально:

1. Энергопотери составляют 11,5%
2. 19% Энергии дают ГЭС
3. 15% Энергии дают АЭС
4. 20% Энергии тратится неэффективно (на обогрев зданий со слабой тепловой защитой, освещение и т.д.)

Т.е. это уже 15% площади. Но, все-таки, не будем уходить в крайности и оставим только то, что тратит человек (транспорт, пища, жилье) — а это всего 20-25% общих энергозатрат. Т.е. 10%территории нам достаточно, что бы запасти энергию солнца в зеленой массе. При этом, абсолютно понятно, что глупо строить ТЭЦ, работающую на дровах. А что если сделать мини-установку, работающую на дровах и дающую тепло и свет?

К чему все это? Чтобы жить в гармонии с планетой нам надо:

1. Использовать только ту энергию, которая запасается каждый год в биомассе, а не расходовать ту, что была запасена миллионами лет (нефть, газ, уголь).

2. Использовать только ту биомассу, которую можно реализовать в рамках увеличения производительности экосистем (капельный полив в пустыне, применение зольных удобрений — сохранение баланса микроэлементов и т.д.).

3. Способствовать развитию экосистем для увеличения их производительности.

4. Использовать альтернативные источники энергии там, где это наиболее эффективно, но не вредит экосистемам.

5. Ждать, когда решат вопрос с термоядерным синтезом.

А если совсем практически: средняя производительность пшеницы по надземной биомассе: 13000кг, Т.е. нам хватит двух гектар, чтобы себя обеспечить и теплом, и электричеством, только придется немного потрудится, что бы собрать это добро, а потом не забыть вернуть природе золу.
Безусловно, это не решение проблем всей энергетики в целом, но правильное отношение к биологической материи, как к универсальному аккумулятору и источнику энергии, дает возможность человеку не просто тратить то, что запасено годами, но и взращивать и укреплять то, что дается сейчас.

• Энергия
• энергия ветра
• энергия из окружающей среды
• экология

• Энергия и элементы питания
• Экология