Het Internationaal Energieagentschap voorspelt dat het mondiale aandeel van hernieuwbare energie in de totale energieproductie tegen 2021 zal stijgen tot 28%. Tegelijkertijd zullen technologieën worden ontwikkeld die het grootste probleem van ‘groene’ energie – de ongelijkmatige elektriciteitsopwekking – kunnen oplossen. Deskundigen hebben er vertrouwen in dat de energieopslagindustrie in de nabije toekomst een snelle groei zal doormaken.

Een zonne-energiecentrale werkt alleen effectief overdag en bij een wolkenloze hemel, en een windturbine werkt alleen als het waait, en deze productiefouten moeten op de een of andere manier worden gecompenseerd. Verzamel bijvoorbeeld een deel van de opgewekte energie met behulp van industriële batterijen en verbruik deze tijdens de avond- en ochtendverbruikspieken.

Energieopslagfaciliteiten zullen ook nuttig zijn bij ongelukken in energiesystemen. Zoals Maxim Ryabchitsky, hoofd van het ABB-trainingscentrum in de Russische Federatie, opmerkt, zijn de volumes van de elektriciteitsproductie en -consumptie vandaag de dag in evenwicht en zijn de elektriciteitscentrales aangepast aan het schema van de consument. Maar in het geval van plotselinge storingen in het energiesysteem, vergelijkbaar in omvang met het Russische, zal de situatie worden gered door een batterij met een capaciteit van 10-20 MW, die het energietekort gedurende 1,5-2 uur kan dekken.

Met steun van de overheid

Volgens het hoofd van Rusnano, Anatoly Chubais, zal het aandeel van hernieuwbare energiebronnen in het totale opwekkingsvolume in 2050 40% van de mondiale energiebalans bedragen, en zal elektriciteitsopslag een commercieel gevestigde technologie worden, als gevolg waarvan “ we zullen in een andere energiesector terechtkomen.”

“De mondiale en Russische elektriciteitsindustrie is nog maar één stap verwijderd van het transformeren van het technologische basisprincipe: het afstemmen van het niveau van opwekking en consumptie op één bepaald moment. Een baanbrekende technologie die opwekking en consumptie van elkaar zal scheiden, is energieopslag. Deze technologie zal het hele distributiesysteem, de verhouding tussen traditionele en alternatieve elektriciteit en nog veel meer volledig veranderen. Als we goede IT-logica toevoegen aan de energieopslagtechnologie, zal het ongetwijfeld een revolutie teweegbrengen”, meent Chubais.

Ook op staatsniveau bestaat er begrip voor het probleem. Begin dit jaar gaf vice-premier Arkady Dvorkovich het ministerie van Energie en Rusnano de opdracht om technische specificaties te ontwikkelen voor de oprichting van een staatsprogramma ter ondersteuning van een industrieel elektriciteitsopslagcluster (power storage). Deelnemers aan de bijeenkomst met de vice-premier waren ook van mening dat industriële energieopslag het beginpunt is van een hausse die gevolgen zal hebben voor geïsoleerde, kleine elektriciteitscentrales en transport.

Rusnano gelooft dat staatssteun een pool van nationale spelers op de markt zal creëren. Het is de bedoeling om de vraag naar opslagapparatuur te stimuleren door de risico's van investeringsprojecten te compenseren en de aantrekkelijkheid van investeringen te vergroten. Het gebruik van industriële batterijen zal het mogelijk maken om kosteneffectieve lokale energiesystemen te creëren, verbruikspieken af ​​te vlakken en elektriciteitshandelsmarkten voor gedistribueerde energie te creëren, merkt het bedrijf op.

Elektrochemie en leven

Momenteel zijn er veel methoden uitgevonden om elektriciteit op grote schaal op te slaan, maar de prioriteit wordt gegeven aan de bouw van conventionele elektrochemische batterijen ter grootte van een huis.

De totale capaciteit van operationele en in aanbouw zijnde industriële energieopslagfaciliteiten in de wereld bedraagt ​​volgens adviesbureau IHS ongeveer 3 GW. Analisten hebben er echter vertrouwen in dat de energieopslagindustrie in de nabije toekomst een snelle groei zal doormaken.

De belangrijkste problemen van experimentele industriële opslagapparaten zijn de hoge kosten en de lage capaciteit; er bestaat nog geen massa-economisch verantwoorde technologie voor de constructie ervan (Tesla-technologie valt hier op, die hieronder wordt besproken). Volgens Maxim Ryabchitsky heeft onderzoek dat de afgelopen twintig jaar is uitgevoerd veel (zelfs de meest exotische) voorbeelden van energieopslag opgeleverd, maar deze zijn nog niet verder gekomen dan proefoperaties en de bestaande batterijen zijn te duur en hebben een laag rendement. . Dat wil zeggen dat batterijen nog steeds duurder zijn dan zonne-energiecentrales zelf.

Directeur van de Association of Solar Energy Enterprises Anton Usachev voorspelt dat met het groeiende aandeel van hernieuwbare energiebronnen in de energiebalans de behoefte aan ruime energieopslagsystemen zal toenemen; de grootste vraag zal liggen in landen die een aandeel hernieuwbare energiebronnen in de toekomst plannen. generatie van minimaal 25-30%.

De kracht van de energieopslagoplossingen die tegenwoordig in de wereld worden gebruikt, is in de regel niet groter dan 1 à 2 MW. Zo lanceerde het Italiaanse Enel in het najaar van 2015 in Catania de eerste elektriciteitsopslag bij een zonnestation van 10 MW met een batterijcapaciteit van 2 MWh en plant het een windpark van 18 MW in Zuid-Italië met lithium-ionbatterijen ook van 2 MWh.

In het Duitse dorp Feldheim is de grootste industriële energieopslagfaciliteit van Europa verschenen. De onderneming heet officieel de Regionale Regelende Energiecentrale. Het doel van het station met een capaciteit van 10 MW en een batterijcapaciteit van 10,8 MWh is het accumuleren van overtollige elektriciteit die wordt opgewekt door hernieuwbare energiebronnen, het waarborgen van de stabiliteit van het elektriciteitsnet en het gladstrijken van tijdelijke frequentieveranderingen.

Een aantal bedrijven (RWE, Vionx, LG, SMA, Bosch, JLM Energy, Varta) zijn begonnen de markt te voorzien van industriële en residentiële energieopslagsystemen die ook werken op verschillende soorten lithium-ionbatterijen, voornamelijk lithiumijzerfosfaat (LiFePO4 ), evenals vanadiumbatterijen. Japan is verder gevorderd dan andere landen met de hete batterijtechnologie. In dit opzicht kan men niet anders dan de prestaties van Tesla opmerken, die hier een voorsprong heeft op de rest, niet in de laatste plaats dankzij de competente PR van zijn producten, uitstekend ontwerp, geavanceerde technologische oplossingen en “agressieve” prijzen.

Vorig jaar presenteerde Elon Musk het Powerwall-project: een aan de muur gemonteerde lithium-ionbatterij voor thuis met een capaciteit van 10 kWh (dat zijn ongeveer een dozijn standaard autobatterijen). De batterij is voldoende om in de dagelijkse elektriciteitsbehoefte van een gemiddeld Amerikaans gezin te voorzien. Het kost $ 3500. Interessant is dat je dankzij de ontwikkeling van Tesla het systeem kunt uitbreiden tot negen eenheden door er extra Powerwall-eenheden aan toe te voegen.

Een echt industriële batterij zal echter hoogstwaarschijnlijk een andere ontwikkeling van Tesla zijn: de Powerpack-batterij. Hij is qua uiterlijk en formaat vergelijkbaar met een koelkast en heeft een capaciteit die tien keer groter is dan de Powerwall - 100 kWh.Ook de Powerpack is een module. Door dergelijke modules aan de opslag toe te voegen, kunt u de opslagcapaciteit vrijwel onbeperkt vergroten. Volgens Elon Musk zijn er in de Verenigde Staten al energiebedrijven die op basis van Powerpack-technologie opereren en beschikken over een opslagcapaciteit van 250 MWh.

Volgens berekeningen van PwC kan de opslag en distributie van elektriciteit over een netwerk ter grootte van 5.000 MWh economisch rendabel zijn in de Verenigde Staten, tegen een kostprijs inclusief installatie van $350 per 1 kWh. € 250,-.

Alternatief hamsteren

Een alternatief voor elektrochemische industriële batterijen zou de bouw kunnen zijn van ‘groene’ energiefaciliteiten in de buurt van energiecentrales met pompopslag – pompopslagstations die energie opslaan in de vorm van water. Het oorspronkelijke doel van energiecentrales met pompaccumulatie is het nivelleren van de heterogeniteit van het dagelijkse elektrische belastingsschema. Met de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen zullen pompopslagstations ook de discretie van de energieproductie door zonne-energiecentrales en windturbines kunnen nivelleren.

Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie zijn er momenteel wereldwijd 292 pompopslagsystemen actief met een totale capaciteit van 142 GW. Nog eens 46 stations met een totaal vermogen van 34 GW zijn in aanbouw. Het rendement van moderne energiecentrales met pompopslag bedraagt ​​70-75%.

“Van alle energieopslagtechnologieën zijn pompopslagsystemen de meest betrouwbare, beproefde en commercieel levensvatbare batterijen”, zegt Vladimir Koritarov, medewerker van het ministerie van Energie van het Argonne National Laboratory (Illinois). Volgens hem zijn 98% van de bestaande energieopslagfaciliteiten in de wereld pompcentrales. Tegenwoordig staan ​​pompaccumulatiecentrales opnieuw in de schijnwerpers, en niet in de laatste plaats in verband met de hausse aan hernieuwbare energiebronnen, zegt Koritarov.

In Spanje bijvoorbeeld, waar ongeveer 20% van de energie door wind wordt opgewekt, worden de opslagfaciliteiten van de waterkrachtcentrale Cortes-La Muela op winderige nachten gevuld door windmolenparken, en wanneer de wind afneemt of de vraag naar energie toeneemt, wordt water uit het bovenste reservoir wordt gebruikt om turbines te laten draaien en energie op te wekken. Het is het grootste complex in zijn soort in Europa, met een capaciteit van 1.762 MW, goed voor 500.000 huishoudens.

In de Verenigde Staten bevindt het project voor een pompopslagcentrale van JD Pool in de staat Washington, met een capaciteit van 1.200 MW, zich in de planningsfase. Het paar bovengrondse reservoirs zal tussen rijen windturbines op het Columbia-plateau worden geplaatst. De totale capaciteit van 47 windenergiecentrales in de staten Washington en Oregon, in de directe nabijheid van de voorgestelde bouwlocatie voor een pompopslagcentrale, bedraagt ​​4.695 MW. Dit is voldoende om niet alleen nabijgelegen bedrijven en huishoudens van elektriciteit te voorzien, maar ook om de JD Pool-tanks met water te vullen.

Maar tegenwoordig zijn er bepaalde problemen bij het combineren van zonne-energiecentrales en energiecentrales met pompopslag. Doorgaans bevinden grote zonne-energiecentrales zich in hete woestijngebieden waar waterproblemen zijn. Hoewel dit probleem, in de aanwezigheid van diepe ondergrondse horizonten, kan worden opgelost. Maar er zal veel water uit de grond moeten worden gepompt, omdat een energiecentrale met pompopslag een constructie is waarvan de grootte ertoe doet.

Fantasie zonder remmen

Wanneer er een bevel is en er een budget wordt geïmpliceerd, beginnen de hersenen van wetenschappers uit wraak te werken. In laboratoria over de hele wereld wordt in laboratoria over de hele wereld gezocht naar alternatieve methoden voor energieopslag, wat soms aanleiding geeft tot zeer exotische projecten.

Het Britse ministerie van Energie en Klimaatverandering heeft geïnvesteerd in de ontwikkeling van een energieopslagfaciliteit die op vloeibare lucht werkt. De installatie kreeg de naam LAES en ontwikkelt een vermogen van 350 kWh. De tests waren succesvol en het project heeft perspectief op schaalvergroting.

De installatie werkt als volgt. Als er sprake is van een overschot aan elektriciteit, wordt de lucht vloeibaar gemaakt in een container van 12 m hoog en 3 m doorsnee, en indien nodig weer omgezet in stroom.

In de omgeving van Tehachapi (Californië, VS) is er nog een ongebruikelijk experimenteel opslagapparaat dat energie opslaat met behulp van de zwaartekracht. Het heet ARES en ziet eruit als een kinderspoorlijn (de spoorbreedte is slechts 381 mm). Als de wind waait, rijdt de aanhangwagen, aangedreven door een elektromotor, langs de tak bergopwaarts, waarbij energie wordt verzameld, en als deze zakt, rolt het apparaat naar beneden. Op dit moment werkt de motor als generator en levert hij energie aan het netwerk.

De glijbaan bevindt zich naast het windturbinepark. Het gewicht van de experimentele kar is 5670 kg. Een van de voordelen van het project zijn de lagere levenscycluskosten in vergelijking met batterijen. Tegelijkertijd is de efficiëntie van het systeem 86%.

In de toekomst is het de bedoeling om in het naburige Nevada, waar het vanwege het gebrek aan water onmogelijk is dezelfde energiecentrale met pompopslag te bouwen, een systeem te bouwen met een volume aan opgeslagen energie van 12,5 MWh. baanweg 8 km lang en een helling van 6,6 graden. Er zullen 17 koppelingen langs rijden: twee locomotieven van elk 220 ton en twee wagens met betonblokken van elk 150 ton.

Bronnen: ITAR-TASS, krant Kommersant, websites duurzameenergiewereld.com, digitalsubstation.ru,tesla.com/powerwall, veerkracht.org, alternatieve energie.ru

De elektriciteitsindustrie is een van de weinige gebieden waar geen grootschalige opslag van geproduceerde “producten” plaatsvindt. Industriële energieopslag en productie van verschillende soorten opslagapparaten is de volgende stap in de grote elektriciteitsindustrie. Nu is deze taak bijzonder acuut – samen met de snelle ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen. Ondanks de onmiskenbare voordelen van hernieuwbare energiebronnen blijft er één belangrijk probleem bestaan ​​dat moet worden opgelost vóór de wijdverspreide introductie en het gebruik van alternatieve energiebronnen. Hoewel wind- en zonne-energie milieuvriendelijk zijn, wordt de opwekking ervan met tussenpozen uitgevoerd en is er energieopslag nodig voor later gebruik. Voor veel landen zou het verkrijgen van seizoensgebonden energieopslagtechnologieën een bijzonder dringende taak zijn, vanwege de grote schommelingen in het energieverbruik. Ars Technica heeft een lijst opgesteld met de beste technologieën voor energieopslag, en we zullen er enkele bespreken.

Hydraulische accumulatoren

De oudste, meest volwassen en wijdverspreide technologie voor het opslaan van energie in grote volumes. Het werkingsprincipe van de hydraulische accumulator is als volgt: er zijn twee watertanks - de ene bevindt zich boven de andere. Wanneer de vraag naar elektriciteit laag is, wordt de energie gebruikt om water naar het bovenste reservoir te pompen. Tijdens de piekuren van het elektriciteitsverbruik wordt het water afgevoerd naar een daar geïnstalleerde hydrogenerator. Het water laat een turbine draaien en genereert elektriciteit.

In de toekomst is Duitsland van plan oude kolenmijnen te gebruiken om gepompte opslagtanks te creëren, en Duitse onderzoekers werken aan het creëren van gigantische betonnen hydroopslagbollen die op de oceaanbodem worden geplaatst. In Rusland is er de Zagorskaya PSPP, gelegen aan de rivier de Kunya nabij het dorp Bogorodskoye in het district Sergiev Posad in de regio Moskou. Zagorskaya PSPP is een belangrijk infrastructureel onderdeel van het energiesysteem van het centrum en neemt deel aan de automatische regeling van de frequentie en stroomstromen, en dekt ook de dagelijkse piekbelastingen.

Zoals Igor Ryapin, hoofd van de afdeling van de Vereniging "Gemeenschap van Energieconsumenten" zei op de conferentie "New Energy": Internet of Energy, georganiseerd door het Energiecentrum van de Skolkovo Business School, is de geïnstalleerde capaciteit van alle hydraulische accu's in de wereld is ongeveer 140 GW, tot de voordelen van deze technologie behoren een groot aantal cycli en een lange levensduur, een efficiëntie van ongeveer 75-85%. De installatie van hydraulische accumulatoren vereist echter speciale geografische omstandigheden en is duur.

Energieopslagapparaten met perslucht

Deze methode van energieopslag is in principe vergelijkbaar met waterkracht, maar in plaats van water wordt lucht in de reservoirs gepompt. Met behulp van een motor (elektrische of andere) wordt lucht in de opslagtank gepompt. Om energie op te wekken komt er perslucht vrij die de turbine laat draaien.

Het nadeel van dit type opslagapparaat is een laag rendement vanwege het feit dat een deel van de energie tijdens gascompressie wordt omgezet in thermische vorm. Het rendement bedraagt ​​niet meer dan 55%; voor rationeel gebruik heeft de aandrijving veel goedkope elektriciteit nodig, dus op het moment dat de technologie vooral voor experimentele doeleinden wordt gebruikt, komt het totale geïnstalleerde vermogen in de wereld niet boven de 400 MW.

Gesmolten zout voor opslag van zonne-energie

Gesmolten zout houdt de warmte lange tijd vast, dus wordt het in thermische zonne-energiecentrales geplaatst, waar honderden heliostaten (grote spiegels geconcentreerd op de zon) de warmte van zonlicht verzamelen en de vloeistof binnenin verwarmen - in de vorm van gesmolten zout. Vervolgens wordt het naar de tank gestuurd en vervolgens via een stoomgenerator de turbine rondgedraaid, die elektriciteit opwekt. Een van de voordelen is dat gesmolten zout op een hoge temperatuur werkt - meer dan 500 graden Celsius, wat bijdraagt ​​aan de efficiënte werking van de stoomturbine.

Deze technologie helpt de werkuren te verlengen, kamers te verwarmen en 's avonds elektriciteit te leveren.

Soortgelijke technologieën worden gebruikt in het Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park - 's werelds grootste netwerk van zonne-energiecentrales, verenigd in één ruimte in Dubai.

Flow redox-systemen

Flow-batterijen zijn een enorme container met elektrolyt die door een membraan wordt geleid en een elektrische lading creëert. De elektrolyt kan vanadium zijn, maar ook oplossingen van zink, chloor of zout water. Ze zijn betrouwbaar, gemakkelijk te gebruiken en hebben een lange levensduur.

Er zijn nog geen commerciële projecten, het totaal geïnstalleerd vermogen bedraagt ​​320 MW, voornamelijk in het kader van onderzoeksprojecten. Het belangrijkste voordeel is dat het tot nu toe de enige batterijtechnologie is met een langdurige energieopbrengst - meer dan 4 uur. Nadelen zijn onder meer de omvang en het gebrek aan recyclingtechnologie, wat een veel voorkomend probleem is bij alle batterijen.

De Duitse elektriciteitscentrale EWE is van plan om 's werelds grootste flowbatterij van 700 MWh in Duitsland te bouwen in grotten waar voorheen aardgas werd opgeslagen, meldt Clean Technica.

Traditionele batterijen

Dit zijn batterijen die vergelijkbaar zijn met de batterijen die laptops en smartphones van stroom voorzien, maar dan in industriële afmetingen. Tesla levert dergelijke accu's voor wind- en zonne-energiecentrales en Daimler gebruikt hiervoor oude autoaccu's.

Thermische opslag

Een modern huis moet worden gekoeld, vooral in warme klimaten. Dankzij thermische opslagfaciliteiten kan water dat in tanks is opgeslagen 's nachts worden bevroren; overdag smelt het ijs en koelt het huis af, zonder de gebruikelijke dure airconditioning en onnodige energiekosten.

Het Californische bedrijf Ice Energy heeft verschillende soortgelijke projecten ontwikkeld. Hun idee is dat ijs alleen wordt geproduceerd tijdens de daluren van het elektriciteitsnet, en dat het ijs vervolgens, in plaats van extra elektriciteit te verspillen, wordt gebruikt om kamers te koelen.

Ice Energy werkt samen met Australische bedrijven die ijsbatterijtechnologie op de markt willen brengen. In Australië is vanwege de actieve zon het gebruik van zonnepanelen ontwikkeld. De combinatie van zon en ijs zal de algehele energie-efficiëntie en milieuvriendelijkheid van woningen vergroten.

Vliegwiel

Het supervliegwiel is een traagheidsaccumulator. De daarin opgeslagen kinetische bewegingsenergie kan met behulp van een dynamo worden omgezet in elektriciteit. Wanneer er elektriciteit nodig is, wekt de constructie elektrische energie op door het vliegwiel te vertragen.

De mogelijkheid om elektriciteit op industriële schaal op te slaan is gunstig voor alle marktdeelnemers: fabrikanten, leveranciers, consumenten en toezichthouders

Het nieuwste analytische rapport van onderzoeksorganisaties GTM Research en ESA’s U.S. De Energieopslagmonitor rapporteert recordniveaus van investeringen in energieopslagprojecten. Het volume aan durfinvesteringen en projectfinancieringen in deze sector bedroeg in het derde kwartaal van 2016 $660 miljoen met een jaarlijkse prognose van $812 miljoen. We zien dat energieopslagtechnologieën in de ontwikkelde landen het stadium van “pre-commercieel” gebruik ingaan.

Probleem met opslaan

Het belangrijkste verschil tussen de elektriciteitsindustrie en elke andere ‘fysieke’ industrie is de onmogelijkheid om de goederen die zij produceert op industriële schaal op te slaan. In elke tijdseenheid moet deze industrie precies zoveel elektriciteit produceren als de consument nodig heeft.

Om deze mogelijkheid te bieden, zijn dure back-up-opwekkingscapaciteiten of complexe geografisch verspreide energiesystemen vereist. Het is onmogelijk om in het energiesysteem alleen kerncentrales (NPP's) te hebben, die de belasting niet snel kunnen afbouwen en verhogen, of alleen hernieuwbare energiebronnen (HEB) - de zon en de wind mogen bijvoorbeeld niet schijnen of waaien in de richting van de energievoorziening. juiste tijd. Daarom wordt een aanzienlijk deel van de opwekking uitgevoerd met behulp van traditionele fossiele hulpbronnen (steenkool, gas), die zowel betrouwbaarheid als de nodige manoeuvreerbaarheid bieden.

De bedrijfsmodus van elk energiesysteem wordt voornamelijk bepaald door de mate van belasting ervan door consumenten. In de regel neemt het elektriciteitsverbruik 's nachts aanzienlijk af en overschrijdt het 's morgens en' s avonds het niveau van het dagverbruik. En over het algemeen verandert de elektrische belasting voortdurend, ongeacht het tijdstip van de dag. Deze voortdurende fluctuaties bemoeilijken de taak om het evenwicht tussen productie en consumptie te handhaven en leiden ertoe dat de productiecapaciteit een aanzienlijk deel van de tijd economisch niet optimaal functioneert.

Er zijn drie traditionele typen energiecentrales: kerncentrales, thermische energiecentrales (WKK) en waterkrachtcentrales (HPP). Om veiligheidsredenen regelen kerncentrales hun belasting niet. Waterkrachtcentrales zijn veel beter geschikt om met een ongelijkmatig belastingsschema te werken, maar ze zijn niet in elk energiesysteem beschikbaar, en als ze dat wel zijn, zijn ze niet altijd in de vereiste hoeveelheid. De grootste last van het dekken van de ongelijkheid in het dagelijkse elektriciteitsverbruik ligt dus bij thermische elektriciteitscentrales. Dit leidt er op zijn beurt toe dat ze op een oneconomische manier werken, waardoor het brandstofverbruik toeneemt en, als gevolg daarvan, de elektriciteitskosten voor consumenten.

Alle bovengenoemde problemen, evenals een aantal andere, kunnen worden opgelost met behulp van industriële energieopslagtechnologieën.

Effecten van accumulatie

1. Effect op de opwekking: het gebruik van opslagapparatuur zal het mogelijk maken het proces van elektriciteitsproductie te optimaliseren door het belastingschema op de duurste opwekkingsapparatuur gelijk te trekken, en door dure thermische opwekking uit de rol van toezichthouder te elimineren. Dit zal op zijn beurt onvermijdelijk leiden tot een vermindering van het verbruik van koolwaterstofbrandstoffen, een verhoging van de benuttingsgraad van de geïnstalleerde capaciteit van energiecentrales, een verhoging van de betrouwbaarheid van de energievoorziening en een vermindering van de behoefte aan de bouw van nieuwe capaciteit.

2. Effect voor overheidsregulering: opslagapparaten maken het mogelijk om een ​​energiereserve te creëren zonder overmatig gebruik van productiecapaciteiten, optimaliseren de werkingsmodus van energiecentrales en zorgen voor een soepele doorgang van de nachtelijke minimum- en dagmaximumbelastingen.

3. Effect voor consumenten: elektriciteit wordt goedkoper, de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening neemt toe, het is mogelijk om de werking van kritische apparatuur te garanderen tijdens stroomuitval en een reserve aan te leggen in geval van ongelukken.

4. Effect voor het elektriciteitsnetcomplex: opslagapparaten verminderen de piekbelasting op elektrische onderstations en de kosten voor het upgraden van de netwerkinfrastructuur, verbeteren de kwaliteit en betrouwbaarheid van de energievoorziening aan consumenten.

Extra effecten

Een van de belangrijkste trends op het gebied van de mondiale energie is de ontwikkeling van de opwekking van hernieuwbare energie. Van de landen die groene energie ontwikkelen zijn de meest opvallende voorbeelden Denemarken, dat 140% van de nationale energievraag genereert met behulp van hernieuwbare energiebronnen, en Duitsland, waar hernieuwbare energiebronnen ongeveer 50% van de geïnstalleerde capaciteit van elektriciteitscentrales voor hun rekening nemen (94 van de 182 landen). GW) en dit aandeel blijft gestaag groeien. Op bepaalde momenten kunnen hernieuwbare energiebronnen al tot 100% van de elektriciteitsvraag voorzien. Tegelijkertijd moeten zowel thermische als kerncentrales een reservefunctie vervullen, aangezien de productie van hernieuwbare energieopwekking niet constant is. Elektriciteitsopslag kan een manier zijn om de succesvolle integratie van hernieuwbare energiebronnen in de energiesystemen van verschillende landen voort te zetten; ze zullen schommelingen in de productie van hernieuwbare energiebronnen gladstrijken en het laadschema nivelleren.

Een andere trend is de ontwikkeling van gedistribueerde energie. Consumenten willen hun kosten minimaliseren en hun eigen opwekkingsbronnen installeren (bijvoorbeeld zonnepanelen of windgeneratoren). In landen waar het aandeel van de gedistribueerde opwekking hoog is, doet zich het probleem voor van de integratie van dergelijke consumenten in het marktsysteem. Omdat de consument zelf zoveel elektriciteit van zijn bron haalt als hij op een bepaald moment nodig heeft, kan hij een overschot hebben. Het probleem van het verkopen van dit overschot aan het netwerk kan worden opgelost met behulp van schijven. Daarnaast kunnen ze ook worden gebruikt om individuele reserves aan te leggen.

Technologie concurrentie

Tegenwoordig wordt 99% van de industriële accumulatie en opslag van elektriciteit (ongeveer 132,2 GW) geleverd door pompcentrales (PSPP's). Alle andere opslagtechnologieën zijn goed voor 1%, voornamelijk persluchtopslag, natriumsulfidebatterijen en lithiumbatterijen. De meest beproefde opslagapparaten zijn energiecentrales met pompopslag en apparaten die werken op persluchttechnologie. Andere technologieën zijn nog in ontwikkeling.

Hoewel energiecentrales en apparaten met pompopslag die gebruikmaken van persluchttechnologieën grote hoeveelheden elektriciteit kunnen opslaan voor meerdere uren, zijn ze vrij beperkt in het leveren van grote hoeveelheden energie om verschillende kortetermijnschommelingen te ondersteunen of tegen te gaan.

Wat batterijen betreft, variëren de huidige schattingen van de installatiekosten van $200 tot $800 per kW geïnstalleerd vermogen. De laagste kosten komen overeen met loodzuurbatterijen, omdat deze zich in een hoger stadium van technologische ontwikkeling bevinden. Dit bereik ligt aan de onderkant van het kostenbereik voor pompopslag, maar is veel lager dan bij andere potentiële en nieuwe opslagtechnologieën. Het grootste nadeel van loodzuur- en andere batterijen is echter hun lage levensverwachting in vergelijking met energiecentrales met pompopslag, die een veel langere levensduur hebben. De levensduur van batterijen varieert aanzienlijk, afhankelijk van de gebruiksfrequentie, de ontladingssnelheid en het aantal diepe ontladingscycli.

Heeft Rusland technologieën voor energieopslag nodig?

Elektriciteitsopslag is door het McKinsey Global Institute genoemd als een van de twaalf disruptieve technologieën die de wereldeconomie aanzienlijk zullen veranderen. BCC Research schat dat de markt voor alle soorten oplaadbare batterijen de komende tien jaar zal groeien met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 18,7%, van 637 miljoen dollar in 2014 tot 3,96 miljard dollar in 2025.

De capaciteit van elektrische opslagapparaten in de EU-landen, de VS en China zal volgens verschillende scenario's van het Internationaal Energieagentschap in 2050 van twee naar acht keer toenemen. In Rusland wordt na 2022 een nieuwe investeringscyclus in de energiesector voorspeld. De potentiële niche voor nieuwe energiefaciliteiten wordt geschat op 15-30 GW. In 2035 zouden de investeringen tussen de 500 en 700 miljard dollar kunnen bedragen. Tegelijkertijd zullen bijna alle marktdeelnemers kunnen profiteren van het gebruik van opslagapparaten.

Is het je opgevallen dat de naam van de stations waar energie wordt geproduceerd altijd het woord ‘electro’ bevat? Dat wil zeggen, ongeacht wat we “input”, “output” leveren, we krijgen energie in de vorm van elektriciteit.

Sinds ontdekt werd dat er in metalen een elektrische stroom kan vloeien en er een spanning kan ontstaan ​​in een draadframe dat in een magnetisch veld roteert, is het duidelijk geworden dat er een uitstekende methode is verkregen voor het omzetten, overbrengen en distribueren van energie.

Hoe kan de energie van vallend water of de warmte die vrijkomt bij de verbranding over een afstand worden overgedragen? Uiteraard kunt u ter plaatse gebruik maken van de rotatie van het hydraulische wiel, dat de molen aandrijft. Je kunt warm water via leidingen transporteren, zoals in steden gebeurt om huizen te verwarmen. Maar installeer geen roterende as van meerdere kilometers! En het water koelt af als de leidingen te lang zijn.

Maar elektrische generatoren, die in principe energie ontvangen van alles wat in staat is om rotatie te creëren, produceren elektrische stroom, die vervolgens energie via draden over honderden en duizenden kilometers overdraagt. Het voedt elektrische voertuigen, lampen in de straten van de stad en bij ons thuis, en alle apparaten die alleen maar op het netwerk hoeven te worden aangesloten. Zonder overdrijving kunnen we zeggen dat tegenwoordig bijna de hele wereld afhankelijk is van elektriciteit, zoals een baby van een fopspeen.

Wat te doen als er ergens via de draden geen energie wordt geleverd? Dan zullen batterijen ons helpen. Dit is echt een redder in nood! Deze kleine elektriciteitsbronnen 'zitten' in draagbare radio's en bandrecorders, rekenmachines en gehoorapparaten - in een groot aantal moderne apparaten.

Naast deze miniatuurapparaten zijn er ook behoorlijk grote batterijen, die je natuurlijk kent uit auto's. Ze produceren meer dan 100 miljoen loodbatterijen per jaar. En dieselonderzeeërs van de vloten van alle landen zijn uitgerust met vergelijkbare batterijen met een gewicht tot 180 ton!

Helaas vormen de grote massa, evenals de schadelijke chemicaliën die daarin worden gebruikt, nog steeds een obstakel voor de creatie van autonome elektrische voertuigen.

Dit is een taak waar duizenden wetenschappers, ingenieurs en uitvinders al tientallen jaren mee worstelen. Het is nog niet mogelijk geweest om een ​​fundamenteel nieuwe batterij te bouwen die het mogelijk maakt om op lange termijn weg te blijven van andere energiebronnen, dat wil zeggen zonder regelmatig opladen.

Het lijkt er echter op dat de situatie met de toestand van het milieu ons eenvoudigweg zal dwingen deze uitvinding te doen. Ze hebben immers een batterij gemaakt die volledig uit plastic bestaat! Het werkt uitstekend bij zowel hitte als kou, het kan tot honderd keer worden ontladen en opgeladen, het is bijna niet giftig. Niet alles is te vergelijken met reeds bekende batterijen, maar dit is wel een bemoedigende stap!

En op dit uur ligt de trieste natuur in de buurt, zwaar zuchtend, en de wilde vrijheid is haar niet dierbaar. Waar het kwaad onafscheidelijk is van het goede. En ze droomt van de glanzende as van de turbine, En het afgemeten geluid van intelligente arbeid, En het zingen van pijpen, en de gloed van de dam, En de draden gevuld met stroom. N. Zabolotsky Welnu, de serene natuur gaf de mens geen vrede! Hij kon niet wachten...

Meer dan eens moesten archeologische wetenschappers hun hersens pijnigen bij het opgraven van vindplaatsen van oude mensen. Ze vonden bijvoorbeeld een stok met een verbrand uiteinde. Sommigen zeggen dat ze probeerden een speer of pijl in een vuur te scherpen, anderen zeggen dat ze zo aan vuur kwamen. Geschillen zijn het erover eens dat de mens ongeveer 100.000 jaar geleden zelf vuur begon te maken. Helemaal zelf, want in...

Millennia gingen voorbij, maar de mens was nog steeds niet in staat vuur te ‘gebruiken’ en het te laten werken. Toen gingen zijn gedachten naar het bewegende water. Wanneer en waar draaide het eerste waterrad? Het werd blijkbaar gelanceerd in het oude India, het Midden-Oosten en het oude Rome. Waar dan ook, dergelijke wielen worden al lang door de mens gebruikt voor...

Met de uitvinding van de stoommachine, en later de turbine, waren mensen eindelijk in staat om de door de verbranding gegenereerde warmte te laten draaien en verschillende mechanismen te laten bewegen. Dit waren turbinebladen, wielen van voertuigen en assen van stroomgeneratoren. Het probleem is dat het onmogelijk is om alle energie die vrijkomt bij de verbranding van brandstof effectief te gebruiken - om deze om te zetten in werk dat nuttig voor ons is. Bij…

Ja, het is de ecologie die al dicteert, en binnenkort blijkbaar volledig de vereisten voor alle energiebronnen zal bepalen. Het is geen wonder dat mensen zich keer op keer wenden tot wat de natuur zelf al lang en volhardend te bieden heeft. Als de voorraden fossiele brandstoffen vroeg of laat opraken, als we door de verbranding ervan de warmtebalans van de aarde verstoren, dan niet...

Is het mogelijk om zo’n energiebron uit te vinden, zo’n motor die “voor altijd” zou werken en helemaal geen nadelen zou hebben? Het zou het milieu niet vervuilen, het thermische evenwicht van de planeet niet verstoren en helemaal niets produceren behalve “schone” energie. Met andere woorden, het zou een soort ideaal apparaat zijn dat ons zou redden van alle energieproblemen. De scheppingsgeschiedenis gaat honderden jaren terug...

Je hebt natuurlijk gehoord dat stroom constant of wisselend kan zijn. Hier op batterijen en accu's staan ​​plus- en minpictogrammen. Dit geeft aan dat u een gelijkstroombron voor u heeft. Met andere woorden: als je er een gloeilamp of apparaat op aansluit, zullen geladen deeltjes langs de ketting lopen en een elektrische stroom vormen, en wel in één richting. A…

Onderzoek naar de kleinste structuur van materie leidde mensen tot de ontdekking van atoomenergie. Helaas werd deze opmerkelijke prestatie voor het eerst gebruikt voor de productie van wapens. Maar mensen vonden niet alleen een manier om atoomenergie onmiddellijk explosief vrij te geven, maar waren ook in staat deze te beteugelen, dat wil zeggen om kernreacties langzamer te laten verlopen, om zo te zeggen, onder controle. Dan komt de enorme energie verborgen in het kleinste...

Als we onder de zonnestralen staan, voelen we direct hoeveel energie ze met zich meedragen. Maar we kunnen het nog niet opslaan zoals planten dat doen. Er zijn echter veel projecten, uitvindingen en ideeën op dit gebied. Bijvoorbeeld halfgeleiderbatterijen, waarmee de energie van zonnestraling direct in elektriciteit kan worden omgezet. Deze voedingen worden geïnstalleerd op zonnepanelen...

Archeologen hebben ontdekt dat het oudste energieopslagapparaat, het vliegwiel, vijfenhalfduizend jaar geleden werd gemaakt. Het was een pottenbakkerswiel van gebakken klei, dat na het draaien nog een hele tijd ronddraaide, waarbij de opgeslagen energie geleidelijk werd opgebruikt. Onderzoek uitgevoerd in het Noordpoolgebied leidde onlangs tot de conclusie dat de witte vacht van noordelijke dieren, vooral beren, het vermogen heeft om tot 95 procent vast te houden...

Ecologie van consumptie Wetenschap en technologie: Een van de belangrijkste problemen van alternatieve energie is de ongelijkheid in het aanbod uit hernieuwbare bronnen. Laten we eens kijken hoe soorten energie kunnen worden opgeslagen (hoewel we voor praktisch gebruik de verzamelde energie dan moeten omzetten in elektriciteit of warmte).

Een van de belangrijkste problemen van alternatieve energie is de ongelijkheid in het aanbod uit hernieuwbare bronnen. De zon schijnt alleen overdag en bij onbewolkt weer waait de wind of neemt af. En de behoefte aan elektriciteit is niet constant, er is bijvoorbeeld overdag minder nodig voor verlichting en 's avonds meer. En mensen vinden het leuk als steden en dorpen 's nachts worden overspoeld met verlichting. Nou ja, of in ieder geval zijn de straten gewoon verlicht. Dus de taak doet zich voor: de ontvangen energie enige tijd bewaren om deze te gebruiken wanneer de behoefte eraan maximaal is en het aanbod onvoldoende is.

Er zijn zes hoofdsoorten energie: zwaartekracht, mechanische, thermische, chemische, elektromagnetische en nucleaire energie. Inmiddels heeft de mensheid geleerd kunstmatige batterijen te maken voor de eerste vijf soorten energie (nou ja, met uitzondering van het feit dat de bestaande reserves aan nucleaire brandstof van kunstmatige oorsprong zijn). Laten we dus eens kijken hoe elk van deze soorten energie kan worden geaccumuleerd en opgeslagen (hoewel we voor praktisch gebruik de verzamelde energie dan moeten omzetten in elektriciteit of warmte).

Apparaten voor opslag van zwaartekrachtenergie

In accumulatoren van dit type stijgt de belasting in het stadium van energieaccumulatie naar boven, waardoor potentiële energie wordt verzameld, en op het juiste moment valt deze terug, waardoor deze energie wordt teruggegeven om ervan te profiteren. Het gebruik van vaste stoffen of vloeistoffen als lading geeft zijn eigen kenmerken aan het ontwerp van elk type. Een tussenpositie daartussen wordt ingenomen door het gebruik van bulkstoffen (zand, loodhagel, kleine stalen kogels, enz.).

Zwaartekracht-apparaten voor energieopslag in vaste toestand

De essentie van mechanische zwaartekrachtopslagapparaten is dat een bepaalde last naar een hoogte wordt geheven en op het juiste moment wordt losgelaten, waardoor de generatoras onderweg gaat roteren. Een voorbeeld van de implementatie van deze methode van energieopslag is het apparaat voorgesteld door het Californische bedrijf Advanced Rail Energy Storage (ARES). Het idee is simpel: in een tijd waarin zonnepanelen en windturbines veel energie produceren, worden bijzondere zware auto’s met behulp van elektromotoren de berg op gereden. 's Nachts en 's avonds, wanneer de energiebronnen onvoldoende zijn om de consumenten van energie te voorzien, vallen de auto's uit en leveren de motoren, die als generatoren werken, de verzamelde energie terug aan het netwerk.

Bijna alle mechanische aandrijvingen van deze klasse hebben een zeer eenvoudig ontwerp en daardoor een hoge betrouwbaarheid en een lange levensduur. De opslagtijd van eenmaal opgeslagen energie is vrijwel onbeperkt, tenzij de belasting en structurele elementen na verloop van tijd uiteenvallen als gevolg van veroudering of corrosie.

De energie die wordt opgeslagen bij het optillen van vaste stoffen kan in zeer korte tijd worden vrijgegeven. De enige beperking van het vermogen dat van dergelijke apparaten wordt ontvangen, is de versnelling van de zwaartekracht, die de maximale snelheidstoename van de vallende last bepaalt.

Helaas is de specifieke energie-intensiteit van dergelijke apparaten laag en wordt deze bepaald door de klassieke formule E = m · g · h. Om energie op te slaan om 1 liter water van 20°C naar 100°C te verwarmen, moet je dus een ton vracht naar een hoogte van minstens 35 meter tillen (of 10 ton per 3,5 meter). Wanneer de behoefte ontstaat om meer energie op te slaan, leidt dit daarom onmiddellijk tot de noodzaak om omvangrijke en, als onvermijdelijk gevolg, dure structuren te creëren.

Het nadeel van dergelijke systemen is ook dat het pad waarlangs de lading beweegt vrij en redelijk recht moet zijn, en het is ook noodzakelijk om de mogelijkheid uit te sluiten dat dingen, mensen en dieren per ongeluk dit gebied betreden.

Opslag van vloeistof door zwaartekracht

In tegenstelling tot vaste lasten is het bij het gebruik van vloeistoffen niet nodig om rechte schachten met een grote doorsnede over de gehele hefhoogte te maken - de vloeistof beweegt ook goed door gebogen buizen, waarvan de doorsnede alleen voldoende zou moeten zijn voor de maximale ontwerpstroom om er doorheen te gaan. Daarom hoeven de bovenste en onderste reservoirs niet noodzakelijkerwijs onder elkaar te zijn gelegen, maar kunnen ze op voldoende grote afstand van elkaar zijn geplaatst.

Energiecentrales met pompopslag (PSPP's) behoren tot deze klasse.

Er zijn ook kleinschaligere hydraulischeten. Eerst pompen we 10 ton water uit een ondergronds reservoir (put) naar een container op de toren. Vervolgens stroomt het water uit de tank onder invloed van de zwaartekracht terug in de tank, waarbij een turbine met een elektrische generator draait. De levensduur van een dergelijke schijf kan 20 jaar of langer zijn. Voordelen: bij gebruik van een windmotor kan deze rechtstreeks de waterpomp aandrijven; water uit de tank op de toren kan voor andere doeleinden worden gebruikt.

Helaas zijn hydraulische systemen moeilijker in goede technische staat te houden dan solid-state systemen - in de eerste plaats betreft dit de dichtheid van tanks en pijpleidingen en de bruikbaarheid van afsluit- en pompapparatuur. En nog een belangrijke voorwaarde: op de momenten van accumulatie en gebruik van energie moet de werkvloeistof (althans een vrij groot deel ervan) zich in een vloeibare aggregatietoestand bevinden, en niet in de vorm van ijs of stoom. Maar soms is het in dergelijke opslagtanks mogelijk om extra vrije energie te verkrijgen, bijvoorbeeld door het bovenste reservoir aan te vullen met smelt- of regenwater.

Mechanische energieopslagapparaten

Mechanische energie manifesteert zich tijdens de interactie en beweging van individuele lichamen of hun deeltjes. Het omvat de kinetische energie van beweging of rotatie van een lichaam, de energie van vervorming tijdens het buigen, strekken, draaien en samendrukken van elastische lichamen (veren).

Gyroscopische energieopslagapparaten

In gyroscopische opslagapparaten wordt energie opgeslagen in de vorm van kinetische energie van een snel roterend vliegwiel. De specifieke energie die wordt opgeslagen per kilogram vliegwielgewicht is aanzienlijk groter dan wat kan worden opgeslagen in een kilogram statische belasting, zelfs als deze tot grote hoogte wordt opgetild, en recente hightech-ontwikkelingen beloven een dichtheid van geaccumuleerde energie die vergelijkbaar is met de reserve van chemische stoffen. energie per massa-eenheid van de meest effectieve soorten chemicaliën, brandstof.

Een ander groot voordeel van het vliegwiel is het vermogen om snel een zeer hoog vermogen vrij te geven of te ontvangen, alleen beperkt door de sterkte van materialen in het geval van een mechanische transmissie of de “doorvoer” van elektrische, pneumatische of hydraulische transmissies.

Helaas zijn vliegwielen gevoelig voor schokken en rotatie in andere vlakken dan het rotatievlak, omdat hierdoor enorme gyroscopische belastingen ontstaan ​​die de neiging hebben de as te buigen. Bovendien is de opslagtijd van de door het vliegwiel verzamelde energie relatief kort en varieert deze bij traditionele ontwerpen doorgaans van enkele seconden tot enkele uren. Verder worden energieverliezen als gevolg van wrijving te merkbaar. Moderne technologieën maken het echter mogelijk om de opslagtijd dramatisch te verlengen - tot enkele maanden.

Tenslotte nog een onaangenaam moment: de energie die door het vliegwiel wordt opgeslagen, hangt rechtstreeks af van de rotatiesnelheid, dus naarmate energie wordt verzameld of vrijgegeven, verandert de rotatiesnelheid voortdurend. Tegelijkertijd vereist de belasting zeer vaak een stabiele rotatiesnelheid van niet meer dan enkele duizenden omwentelingen per minuut. Om deze reden kunnen puur mechanische systemen voor het overbrengen van vermogen van en naar het vliegwiel te complex zijn om te vervaardigen. Soms kan een elektromechanische transmissie die gebruik maakt van een motorgenerator die op dezelfde as is geplaatst als het vliegwiel of daarmee is verbonden door een starre versnellingsbak, de situatie vereenvoudigen. Maar dan zijn energieverliezen als gevolg van verwarming van draden en wikkelingen onvermijdelijk, wat veel groter kan zijn dan verliezen als gevolg van wrijving en slip bij goede variatoren.

Bijzonder veelbelovend zijn de zogenaamde supervliegwielen, bestaande uit windingen van staalband, draad of hoogwaardige synthetische vezels. De wikkeling kan dicht zijn, of er kan een speciaal lege ruimte zijn. In het laatste geval, terwijl het vliegwiel afwikkelt, bewegen de spoelen van de band van het midden naar de rotatieomtrek, waardoor het traagheidsmoment van het vliegwiel verandert, en als de band onder veerspanning staat, wordt een deel van de energie opgeslagen in de elastische vervormingsenergie van de veer. Als gevolg hiervan is de rotatiesnelheid bij dergelijke vliegwielen niet zo direct gerelateerd aan de geaccumuleerde energie en is deze veel stabieler dan bij de eenvoudigste vaste structuren, en is hun energie-intensiteit merkbaar groter.

Naast een grotere energie-intensiteit zijn ze veiliger bij verschillende ongelukken, omdat veerfragmenten, in tegenstelling tot fragmenten van een groot monolithisch vliegwiel, die qua energie en vernietigende kracht vergelijkbaar zijn met kanonskogels, veel minder "schadelijke kracht" hebben en meestal een gesprongen vliegwiel behoorlijk effectief vertragen als gevolg van wrijving tegen de wanden van de behuizing. Om dezelfde reden worden moderne massieve vliegwielen, ontworpen om te werken in omstandigheden die dicht bij de grens van de sterkte van het materiaal liggen, vaak niet monolithisch gemaakt, maar geweven van kabels of vezels geïmpregneerd met een bindmiddel.

Moderne ontwerpen met een vacuümrotatiekamer en een magnetische ophanging van een supervliegwiel gemaakt van Kevlar-vezels zorgen voor een opgeslagen energiedichtheid van meer dan 5 MJ/kg en kunnen kinetische energie weken en maanden opslaan. Volgens optimistische schattingen zal het gebruik van ultrasterke ‘superkoolstof’-vezels voor het wikkelen het mogelijk maken de rotatiesnelheid en de specifieke dichtheid van de opgeslagen energie nog vele malen te verhogen – tot 2-3 GJ/kg (ze beloven dat één spin van zo’n een vliegwiel van 100-150 kg is voldoende voor een kilometerstand van een miljoen kilometer of meer, dus vrijwel de hele levensduur van de auto!). De kosten van deze vezel zijn echter nog steeds vele malen hoger dan de kosten van goud, dus zelfs Arabische sjeiks kunnen dergelijke machines niet betalen... Meer over vliegwielaandrijvingen kun je lezen in het boek van Nurbey Gulia.

Gyro-resonante energieopslagapparaten

Deze aandrijvingen zijn hetzelfde vliegwiel, maar dan gemaakt van elastisch materiaal (bijvoorbeeld rubber). Hierdoor verwerft het fundamenteel nieuwe eigenschappen. Naarmate de snelheid toeneemt, beginnen zich op zo'n vliegwiel "uitgroeiingen" - "bloemblaadjes" te vormen - eerst verandert het in een ellips, dan in een "bloem" met drie, vier of meer "bloemblaadjes"... Bovendien, na de formatie van "bloemblaadjes" begint, de rotatiesnelheid van het vliegwiel verandert al praktisch niet, en de energie wordt opgeslagen in de resonerende golf van elastische vervorming van het vliegwielmateriaal, dat deze "bloemblaadjes" vormt.

N.Z. Garmash was eind jaren zeventig en begin jaren tachtig betrokken bij dergelijke constructies in Donetsk. De resultaten die hij behaalde zijn indrukwekkend: volgens zijn schattingen was de opgeslagen energie bij een vliegwielsnelheid van slechts 7-8.000 tpm voldoende om de auto 1.500 km te laten afleggen, vergeleken met 30 km met een conventioneel vliegwiel van dezelfde grootte. Helaas is recentere informatie over dit type schijf niet bekend.

Mechanische opslag met behulp van elastische krachten

Deze klasse apparaten heeft een zeer grote specifieke energieopslagcapaciteit. Als het nodig is om kleine afmetingen (enkele centimeters) te behouden, is de energie-intensiteit de hoogste onder mechanische aandrijvingen. Als de eisen voor gewichts- en maatkenmerken niet zo streng zijn, overtreffen grote ultrasnelle vliegwielen deze in energie-intensiteit, maar ze zijn veel gevoeliger voor externe factoren en hebben een veel kortere energieopslagtijd.

Lente mechanische opslag

Het samendrukken en rechttrekken van de veer kan een zeer grote stroom en toevoer van energie per tijdseenheid opleveren - misschien wel het grootste mechanische vermogen onder alle soorten energieopslagapparaten. Net als bij vliegwielen wordt het alleen beperkt door de sterktelimiet van de materialen, maar veren implementeren de werkende translatiebeweging meestal rechtstreeks, en bij vliegwielen kan men niet zonder een tamelijk complexe transmissie (het is geen toeval dat pneumatische wapens mechanische drijfveren of gaspatronen, die van nature in wezen voorgespannen luchtveren zijn; vóór de komst van vuurwapens werden ook veerwapens gebruikt voor gevechten op afstand - bogen en kruisbogen, die lang vóór het nieuwe tijdperk de slinger volledig vervingen met zijn kinetische accumulatie van energie in professionele troepen).

De opslagperiode van de verzamelde energie in een samengedrukte veer kan vele jaren bedragen. Er moet echter rekening mee worden gehouden dat onder invloed van constante vervorming elk materiaal in de loop van de tijd vermoeidheid ophoopt en dat het kristalrooster van het metaal van de veer geleidelijk verandert, en hoe groter de interne spanningen en hoe hoger de omgevingstemperatuur, des te groter de Dit zal eerder en in grotere mate gebeuren. Daarom kan een samengedrukte veer na tientallen jaren, zonder van uiterlijk te veranderen, geheel of gedeeltelijk worden "ontladen". Stalen veren van hoge kwaliteit kunnen echter, als ze niet worden blootgesteld aan oververhitting of onderkoeling, eeuwenlang functioneren zonder enig zichtbaar capaciteitsverlies. Zo loopt een antieke mechanische wandklok uit één volledige opwinding nog twee weken - net zoals toen hij ruim een ​​halve eeuw geleden werd gemaakt.

Als het nodig is om de veer geleidelijk gelijkmatig te "opladen" en "ontladen", kan het mechanisme dat hiervoor zorgt zeer complex en grillig blijken te zijn (kijk naar hetzelfde mechanische horloge - in feite dienen veel tandwielen en andere onderdelen precies dit doel ). Een elektromechanische transmissie kan de situatie vereenvoudigen, maar legt meestal aanzienlijke beperkingen op aan het momentane vermogen van een dergelijk apparaat, en bij het werken met lage vermogens (enkele honderden watt of minder) is de efficiëntie ervan te laag. Een aparte taak is de accumulatie van maximale energie in een minimaal volume, omdat hierdoor mechanische spanningen ontstaan ​​die dicht bij de treksterkte van de gebruikte materialen liggen, wat bijzonder zorgvuldige berekeningen en een onberispelijke afwerking vereist.

Als we het hier over veren hebben, moeten we niet alleen metaal in gedachten houden, maar ook andere elastische massieve elementen. De meest voorkomende onder hen zijn elastiekjes. Trouwens, in termen van opgeslagen energie per massa-eenheid overtreft rubber tientallen keren staal, maar het dient ongeveer hetzelfde aantal keren minder, en, in tegenstelling tot staal, verliest het zijn eigenschappen al na een paar jaar, zelfs zonder actief gebruik en onder ideale externe omstandigheden - vanwege de relatief snelle chemische veroudering en afbraak van het materiaal.

Mechanische gasaccumulatoren

In deze klasse apparaten wordt energie verzameld vanwege de elasticiteit van gecomprimeerd gas. Als er teveel energie is, pompt de compressor gas in de cilinder. Wanneer het nodig is om de opgeslagen energie te gebruiken, wordt het gecomprimeerde gas naar een turbine gevoerd, die direct het noodzakelijke mechanische werk uitvoert of een elektrische generator laat draaien. In plaats van een turbine kun je een zuigermotor gebruiken, die efficiënter is bij een laag vermogen (er zijn trouwens ook omkeerbare zuigercompressormotoren).

Bijna elke moderne industriële compressor is uitgerust met een vergelijkbare batterij: een ontvanger. Het is waar dat de druk daar zelden hoger is dan 10 atm, en daarom is de energiereserve in zo'n ontvanger niet erg groot, maar hierdoor kun je meestal de levensduur van de installatie meerdere keren verlengen en energie besparen.

Gas dat is gecomprimeerd tot een druk van tientallen en honderden atmosfeer kan een voldoende hoge specifieke dichtheid van opgeslagen energie opleveren voor een vrijwel onbeperkte tijd (maanden, jaren, en met een hoogwaardige ontvanger en afsluiters - tientallen jaren - is dat niet het geval). voor niets dat pneumatische wapens die gebruik maken van gecomprimeerde gaspatronen zo wijdverspreid zijn). De compressor met een turbine- of zuigermotor die in de installatie is opgenomen, zijn echter vrij complexe, grillige apparaten en hebben een zeer beperkte hulpbron.

Een veelbelovende technologie voor het creëren van energiereserves is het comprimeren van lucht met behulp van beschikbare energie op een moment dat daar geen directe behoefte aan is. Perslucht wordt gekoeld en opgeslagen bij een druk van 60-70 atmosfeer. Als het nodig is om de opgeslagen energie te verbruiken, wordt de lucht uit het opslagapparaat gehaald, verwarmd en vervolgens een speciale gasturbine binnengegaan, waar de energie van de gecomprimeerde en verwarmde lucht de fasen van de turbine roteert, waarvan de as is aangesloten op een elektrische generator die elektriciteit levert aan het elektriciteitssysteem.

Voor de opslag van perslucht wordt bijvoorbeeld voorgesteld geschikte mijnbouwwerken of speciaal aangelegde ondergrondse tanks in zoutgesteenten te gebruiken. Het concept is niet nieuw: de opslag van perslucht in een ondergrondse grot werd al in 1948 gepatenteerd en de eerste centrale met perslucht-energieopslag (CAES) met een capaciteit van 290 MW is sinds 1978 in bedrijf bij de Huntorf-energiecentrale in Duitsland. Tijdens de luchtcompressiefase gaat een grote hoeveelheid energie verloren in de vorm van warmte. Deze verloren energie moet worden gecompenseerd door perslucht vóór de expansiefase in de gasturbine, en voor dit doel wordt koolwaterstofbrandstof gebruikt om de luchttemperatuur te verhogen. Dit betekent dat de installaties nog lang niet 100% efficiënt zijn.

Er is een veelbelovende richting om de efficiëntie van CAES te verbeteren. Het bestaat uit het vasthouden en behouden van de warmte die wordt gegenereerd tijdens de werking van de compressor in de fase van compressie en koeling van lucht, met het daaropvolgende hergebruik ervan bij het opnieuw verwarmen van koude lucht (zogenaamde terugwinning). Deze CAES-optie kent echter aanzienlijke technische problemen, vooral bij het creëren van een warmteopslagsysteem voor de lange termijn. Als deze problemen worden aangepakt, kan AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) de weg vrijmaken voor grootschalige energieopslagsystemen, een probleem dat door onderzoekers over de hele wereld aan de orde is gesteld.

Deelnemers aan de Canadese startup Hydrostor stelden een andere ongebruikelijke oplossing voor: energie in onderwaterbellen pompen.

Thermische energieopslag

In onze klimatologische omstandigheden wordt een zeer aanzienlijk (vaak het grootste) deel van de verbruikte energie besteed aan verwarming. Daarom zou het erg handig zijn om de warmte direct in het opslagapparaat op te slaan en deze vervolgens terug te ontvangen. Helaas is de dichtheid van de opgeslagen energie in de meeste gevallen erg klein en is de opslagtijd zeer beperkt.

Er zijn warmteaccumulatoren met vast of smeltend warmteopslagmateriaal; vloeistof; stoom; thermochemisch; met een elektrisch verwarmingselement. Warmteaccumulatoren kunnen worden aangesloten op een systeem met een vastebrandstofketel, een zonnesysteem of een gecombineerd systeem.

Energieopslag door warmtecapaciteit

In accumulatoren van dit type wordt warmteaccumulatie uitgevoerd vanwege de warmtecapaciteit van de substantie die als werkvloeistof dient. Een klassiek voorbeeld van een warmteaccumulator is de Russische kachel. Het werd één keer per dag verwarmd en daarna werd het huis 24 uur lang verwarmd. Tegenwoordig betekent een warmteaccumulator meestal containers voor het opslaan van warm water, bekleed met materiaal met hoge thermische isolatie-eigenschappen.

Er zijn warmteaccumulatoren op basis van vaste koelmiddelen, bijvoorbeeld in keramische stenen.

Verschillende stoffen hebben verschillende warmtecapaciteiten. Voor de meeste ligt deze in het bereik van 0,1 tot 2 kJ/(kg K). Water heeft een abnormaal hoge warmtecapaciteit: de warmtecapaciteit in de vloeibare fase bedraagt ​​ongeveer 4,2 kJ/(kg K). Alleen zeer exotisch lithium heeft een hogere warmtecapaciteit: 4,4 kJ/(kg K).

Naast de specifieke warmtecapaciteit (in massa) is het echter ook noodzakelijk om rekening te houden met de volumetrische warmtecapaciteit, waardoor we kunnen bepalen hoeveel warmte nodig is om de temperatuur van hetzelfde volume van verschillende stoffen te veranderen door de zelfde hoeveelheid. Het wordt berekend op basis van de gebruikelijke soortelijke (massa)warmtecapaciteit door deze te vermenigvuldigen met de soortelijke dichtheid van de overeenkomstige stof. U moet zich concentreren op de volumetrische warmtecapaciteit wanneer het volume van de warmteaccumulator belangrijker is dan het gewicht.

De specifieke warmtecapaciteit van staal is bijvoorbeeld slechts 0,46 kJ/(kg K), maar de dichtheid is 7800 kg/kubieke meter, en bijvoorbeeld polypropyleen is 1,9 kJ/(kg K) - meer dan vier keer hoger, maar de dichtheid bedraagt ​​slechts 900 kg/m3. Daarom kan staal bij hetzelfde volume 2,1 keer meer warmte opslaan dan polypropyleen, hoewel het bijna 9 keer zwaarder zal zijn. Vanwege de abnormaal grote warmtecapaciteit van water kan geen enkel materiaal deze qua volumetrische warmtecapaciteit echter overtreffen. De volumetrische warmtecapaciteit van ijzer en zijn legeringen (staal, gietijzer) verschilt echter met minder dan 20% van die van water - in één kubieke meter kunnen ze meer dan 3,5 MJ warmte opslaan voor elke graad temperatuurverandering, de volumetrische warmtecapaciteit koper is iets minder - 3,48 MJ /(kubieke m K). De warmtecapaciteit van lucht onder normale omstandigheden is ongeveer 1 kJ/kg, oftewel 1,3 kJ/kubieke meter, dus om een ​​kubieke meter lucht 1° te verwarmen, is het voldoende om iets minder dan 1/3 liter water af te koelen ( natuurlijk, heter dan lucht) in dezelfde mate).

Vanwege de eenvoud van het apparaat (wat is er eenvoudiger dan een stationair vast stuk vaste materie of een gesloten reservoir met een vloeibaar koelmiddel?), hebben dergelijke energieopslagapparaten een vrijwel onbeperkt aantal cycli van energieaccumulatie en -afgifte en een zeer lange levensduur - voor vloeibare koelmiddelen totdat de vloeistof uitdroogt of totdat de tank beschadigd raakt door corrosie of andere redenen, voor vaste stoffen bestaan ​​deze beperkingen niet. Maar de opslagtijd is zeer beperkt en varieert in de regel van enkele uren tot meerdere dagen - conventionele thermische isolatie is niet langer in staat warmte langer vast te houden en de specifieke dichtheid van de opgeslagen energie is laag.

Ten slotte moet nog een omstandigheid worden benadrukt: voor een efficiënte werking is niet alleen de warmtecapaciteit belangrijk, maar ook de thermische geleidbaarheid van de warmteaccumulatorsubstantie. Bij een hoge thermische geleidbaarheid zal de warmteaccumulator, zelfs op vrij snelle veranderingen in externe omstandigheden, met zijn gehele massa, en dus met al zijn opgeslagen energie, reageren - dat wil zeggen zo efficiënt mogelijk.

In het geval van slechte thermische geleidbaarheid zal alleen het oppervlaktegedeelte van de warmteaccumulator de tijd hebben om te reageren, en kortetermijnveranderingen in externe omstandigheden zullen eenvoudigweg geen tijd hebben om de diepere lagen te bereiken, en een aanzienlijk deel van de substantie daarvan een warmteaccumulator wordt feitelijk buiten werking gesteld.

Polypropyleen, genoemd in het zojuist besproken voorbeeld, heeft een thermische geleidbaarheid die bijna 200 keer minder is dan die van staal, en daarom kan het, ondanks zijn vrij grote specifieke warmtecapaciteit, geen effectieve warmteaccumulator zijn. Technisch gezien kan het probleem echter eenvoudig worden opgelost door speciale kanalen te organiseren voor de circulatie van koelvloeistof in de warmteaccumulator, maar het is duidelijk dat een dergelijke oplossing het ontwerp aanzienlijk compliceert, de betrouwbaarheid en energie-intensiteit ervan vermindert, en zeker periodiek onderhoud zal vereisen, wat Het is onwaarschijnlijk dat dit nodig is voor een monolithisch stuk substantie.

Hoe vreemd het ook mag lijken, soms is het nodig om geen warmte, maar koude op te slaan en op te slaan. In de Verenigde Staten zijn er al meer dan tien jaar bedrijven actief die op ijs gebaseerde ‘accumulatoren’ aanbieden voor installatie in airconditioners. 'S Nachts, wanneer er een overvloed aan elektriciteit is en deze tegen gereduceerde tarieven wordt verkocht, bevriest de airconditioner het water, dat wil zeggen dat hij overschakelt naar de koelkastmodus. Overdag verbruikt hij meerdere keren minder energie en werkt hij als een ventilator. Gedurende deze tijd wordt de energieverslindende compressor uitgeschakeld. .

Energieaccumulatie bij het veranderen van de fasetoestand van een stof

Als je goed naar de thermische parameters van verschillende stoffen kijkt, kun je zien dat wanneer de aggregatietoestand verandert (smelten-stollen, verdampen-condensatie), er een aanzienlijke absorptie of vrijgave van energie plaatsvindt. Voor de meeste stoffen is de thermische energie van dergelijke transformaties voldoende om de temperatuur van dezelfde hoeveelheid van dezelfde stof met vele tientallen of zelfs honderden graden te veranderen in die temperatuurgebieden waar de aggregatietoestand niet verandert. Maar zoals u weet, is de temperatuur vrijwel constant totdat de aggregatietoestand van het gehele volume van een stof hetzelfde wordt! Daarom zou het erg verleidelijk zijn om energie te accumuleren door de aggregatietoestand te veranderen - er wordt veel energie geaccumuleerd en de temperatuur verandert weinig, dus als gevolg daarvan zal het niet nodig zijn om problemen op te lossen die verband houden met verwarming tot hoge temperaturen, en tegelijkertijd is het mogelijk een goede capaciteit van een dergelijke warmteaccumulator te verkrijgen.

Smelten en kristallisatie

Helaas zijn er momenteel vrijwel geen goedkope, veilige en resistente stoffen met een hoge faseovergangsenergie, waarvan het smeltpunt in het meest relevante bereik zou liggen - van ongeveer +20°C tot +50°C (maximaal +70°C). °C - Dit is nog steeds een relatief veilige en gemakkelijk haalbare temperatuur). In dit temperatuurbereik smelten in de regel complexe organische verbindingen, die helemaal niet gezond zijn en vaak snel oxideren in de lucht.

Misschien wel de meest geschikte stoffen zijn paraffines, waarvan het smeltpunt, afhankelijk van het type, in het bereik van 40..65 ° C ligt (er zijn echter ook “vloeibare” paraffines met een smeltpunt van 27 ° C of minder, evenals natuurlijk ozokeriet, verwant aan paraffines, waarvan het smeltpunt in het bereik van 58..100°C ligt). Zowel paraffines als ozokeriet zijn redelijk veilig en worden ook voor medische doeleinden gebruikt om pijnlijke plekken op het lichaam direct te verwarmen.

Bij een goede warmtecapaciteit is hun thermische geleidbaarheid echter erg laag - zo laag dat paraffine of ozokeriet die op het lichaam worden aangebracht, verwarmd tot 50-60 ° C, alleen aangenaam warm aanvoelt, maar niet broeierig, zoals het geval zou zijn met verwarmd water tot dezelfde temperatuur, - dit is goed voor medicijnen, maar voor een warmteaccumulator is dit een absoluut minpunt. Bovendien zijn deze stoffen niet zo goedkoop, bijvoorbeeld de groothandelsprijs voor ozokeriet in september 2009 bedroeg ongeveer 200 roebel per kilogram, en een kilogram paraffine kostte 25 roebel (technisch) tot 50 en meer (sterk gezuiverde voedselkwaliteit, d.w.z. geschikt voor gebruik in voedselverpakkingen). Dit zijn groothandelsprijzen voor partijen van enkele tonnen; in de detailhandel is alles minstens anderhalf keer duurder.

Als gevolg hiervan staat de economische efficiëntie van een paraffine-warmteaccumulator ter discussie. Een kilo of twee paraffine of ozokeriet is immers alleen geschikt om een ​​verkrampte onderrug gedurende enkele tientallen minuten medisch op te warmen en ervoor te zorgen dat een stabiele temperatuur in een min of meer ruime woning gedurende minimaal een dag, de massa van een paraffine-warmteaccumulator moet worden gemeten in tonnen, zodat de kosten ervan onmiddellijk de kosten van een personenauto benaderen (zij het in het lagere prijssegment)!

En de temperatuur van de faseovergang zou idealiter nog steeds precies moeten overeenkomen met het comfortabele bereik (20..25°C) - anders zul je nog steeds een soort warmte-uitwisselingsregelsysteem moeten organiseren. Het smeltpunt in de buurt van 50..54 °C, kenmerkend voor sterk gezuiverde paraffinen, in combinatie met de hoge faseovergangswarmte (iets meer dan 200 kJ/kg), is echter zeer geschikt voor een warmteaccumulator die is ontworpen om zorgen voor warmwatervoorziening en waterverwarming, het enige probleem is de lage thermische geleidbaarheid en de hoge prijs van paraffine.

Maar in geval van overmacht kan paraffine zelf worden gebruikt als brandstof met een goede calorische waarde (hoewel dit niet zo eenvoudig is - in tegenstelling tot benzine of kerosine brandt vloeibare en vooral vaste paraffine niet in de lucht, je hebt beslist een lont of ander apparaat om niet de paraffine zelf in de verbrandingszone te voeren, maar alleen de damp)!

Een voorbeeld van een thermische energieopslagapparaat gebaseerd op het smelt- en kristallisatie-effect is het TESS thermische energieopslagsysteem op basis van silicium, ontwikkeld door het Australische bedrijf Latent Heat Storage.

Verdamping en condensatie

De hitte van verdamping-condensatie is in de regel meerdere malen hoger dan de hitte van smeltkristallisatie. En het lijkt erop dat er nogal wat stoffen zijn die verdampen in het vereiste temperatuurbereik. Naast het ronduit giftige koolstofdisulfide, aceton, ethylether, enz., bestaat er ook ethylalcohol (de relatieve veiligheid ervan wordt dagelijks bewezen door persoonlijk voorbeeld van miljoenen alcoholisten over de hele wereld!). Onder normale omstandigheden kookt alcohol bij 78°C, en de verdampingswarmte is 2,5 keer groter dan de smeltwarmte van water (ijs) en komt overeen met het verwarmen van dezelfde hoeveelheid vloeibaar water met 200°.

In tegenstelling tot smelten, waarbij veranderingen in het volume van een stof zelden meer dan een paar procent bedragen, neemt de damp tijdens verdamping echter het gehele volume in beslag dat eraan wordt verstrekt. En als dit volume onbeperkt is, zal de stoom verdampen en onherroepelijk alle verzamelde energie met zich meebrengen. In een gesloten volume zal de druk onmiddellijk beginnen toe te nemen, waardoor de verdamping van nieuwe delen van de werkvloeistof wordt voorkomen, zoals het geval is in de meest gewone snelkookpan, zodat slechts een klein percentage van de werksubstantie een verandering in de toestand ondergaat. aggregatie, terwijl de rest in de vloeibare fase blijft opwarmen. Dit opent een groot werkterrein voor uitvinders: het creëren van een effectieve warmteaccumulator op basis van verdamping en condensatie met een afgedicht variabel werkvolume.

Faseovergangen van de tweede orde

Naast faseovergangen die verband houden met veranderingen in de aggregatietoestand, kunnen sommige stoffen, zelfs binnen één aggregatietoestand, verschillende fasetoestanden hebben. Een verandering in dergelijke fasetoestanden gaat in de regel ook gepaard met een merkbare vrijgave of absorptie van energie, hoewel meestal veel minder significant dan wanneer de totale toestand van een stof verandert. Bovendien treedt bij dergelijke veranderingen in veel gevallen, in tegenstelling tot een verandering in de aggregatietoestand, temperatuurhysteresis op - de temperaturen van de directe en omgekeerde fase-overgangen kunnen aanzienlijk verschillen, soms met tientallen of zelfs honderden graden.

Opslag van elektrische energie

Elektriciteit is de handigste en meest veelzijdige vorm van energie in de moderne wereld. Het is niet verrassend dat apparaten voor de opslag van elektrische energie zich het snelst ontwikkelen. Helaas is de specifieke capaciteit van goedkope apparaten in de meeste gevallen klein, en apparaten met een hoge specifieke capaciteit zijn nog steeds te duur om grote energiereserves op te slaan voor massaal gebruik en hebben een zeer korte levensduur.

Condensatoren

De meest voorkomende ‘elektrische’ energieopslagapparaten zijn gewone radiocondensatoren. Ze hebben een enorme energieaccumulatie en -afgifte - gewoonlijk van enkele duizenden tot vele miljarden volledige cycli per seconde, en kunnen op deze manier vele jaren of zelfs tientallen jaren in een breed temperatuurbereik functioneren. Door meerdere condensatoren parallel te combineren, kunt u eenvoudig hun totale capaciteit verhogen tot de gewenste waarde.

Condensatoren kunnen worden onderverdeeld in twee grote klassen: niet-polair (meestal "droog", d.w.z. zonder vloeibare elektrolyt) en polair (meestal elektrolytisch). Het gebruik van een vloeibare elektrolyt zorgt voor een aanzienlijk hogere specifieke capaciteit, maar vereist vrijwel altijd inachtneming van de polariteit bij het aansluiten. Bovendien zijn elektrolytische condensatoren vaak gevoeliger voor externe omstandigheden, voornamelijk temperatuur, en hebben ze een kortere levensduur (na verloop van tijd verdampt het elektrolyt en droogt het uit).

Condensatoren hebben echter twee belangrijke nadelen. Ten eerste is dit een zeer lage soortelijke dichtheid van opgeslagen energie en dus een kleine (ten opzichte van andere vormen van opslag) capaciteit. Ten tweede is dit een korte opslagtijd, die meestal wordt gemeten in minuten en seconden en zelden langer duurt dan enkele uren, en in sommige gevallen slechts een kleine fractie van een seconde bedraagt. Als gevolg hiervan is het toepassingsgebied van condensatoren beperkt tot verschillende elektronische circuits en accumulatie op korte termijn, voldoende voor het gelijkrichten, corrigeren en filteren van stroom in de elektrische energietechniek - er zijn er nog niet genoeg voor meer.

Ionistoren

Ionistoren, ook wel ‘supercondensatoren’ genoemd, kunnen worden beschouwd als een soort tussenschakel tussen elektrolytische condensatoren en elektrochemische batterijen. Van de eerste erfden ze een vrijwel onbeperkt aantal laad-ontlaadcycli, en van de laatste relatief lage laad- en ontlaadstromen (een volledige laad-ontlaadcyclus kan een seconde duren, of zelfs veel langer). Hun capaciteit ligt ook in het bereik tussen de meest capacitieve condensatoren en kleine batterijen - meestal varieert de energiereserve van enkele tot enkele honderden joule.

Bovendien moet worden opgemerkt dat de ionistoren behoorlijk temperatuurgevoelig zijn en een beperkte opslagtijd voor de lading hebben - van enkele uren tot maximaal enkele weken.

Elektrochemische batterijen

Elektrochemische batterijen werden uitgevonden aan het begin van de ontwikkeling van de elektrotechniek, en nu zijn ze overal te vinden - van mobiele telefoons tot vliegtuigen en schepen. Over het algemeen werken ze op basis van een aantal chemische reacties en daarom kunnen ze worden geclassificeerd in de volgende sectie van ons artikel: “Apparaten voor chemische energieopslag”. Maar aangezien dit punt meestal niet wordt benadrukt en de aandacht wordt gevestigd op het feit dat batterijen elektriciteit accumuleren, zullen we ze hier beschouwen.

Als het nodig is om behoorlijk veel energie op te slaan - van enkele honderden kilojoules of meer - worden in de regel loodzuuraccu's gebruikt (bijvoorbeeld elke auto). Ze hebben echter aanzienlijke afmetingen en, belangrijker nog, gewicht. Als een laag gewicht en mobiliteit van het apparaat vereist zijn, worden modernere typen batterijen gebruikt: nikkel-cadmium, metaalhydride, lithium-ion, polymeer-ion, enz. Ze hebben een veel hogere specifieke capaciteit, maar ook de specifieke kosten aanzienlijk hoger, zodat het gebruik ervan doorgaans beperkt blijft tot relatief kleine en zuinige apparaten, zoals mobiele telefoons, foto- en videocamera's, laptops, enz.

Onlangs worden krachtige lithium-ionbatterijen gebruikt in hybride en elektrische voertuigen. Naast een lichter gewicht en een grotere specifieke capaciteit maken ze, in tegenstelling tot loodzuur, een vrijwel volledig gebruik van hun nominale capaciteit mogelijk, worden ze als betrouwbaarder beschouwd en hebben ze een langere levensduur, en is hun energie-efficiëntie over een volledige cyclus groter dan 90%, terwijl de energie-efficiëntie van lood Bij het opladen van de laatste 20% van de batterijen kan hun capaciteit dalen tot 50%.

Afhankelijk van de gebruikswijze zijn elektrochemische batterijen (voornamelijk krachtige) ook verdeeld in twee grote klassen: de zogenaamde tractie- en startbatterijen. Meestal kan een startaccu behoorlijk succesvol werken als tractieaccu (het belangrijkste is om de mate van ontlading te controleren en deze niet op een diepte te brengen die toegestaan ​​is voor tractieaccu's), maar bij omgekeerd gebruik ontstaat er te veel laadstroom kan de tractiebatterij zeer snel beschadigen.

De nadelen van elektrochemische batterijen omvatten een zeer beperkt aantal laad-ontlaadcycli (in de meeste gevallen van 250 tot 2000, en als de aanbevelingen van de fabrikant niet worden opgevolgd - veel minder), en zelfs als er geen actief gebruik is, kunnen de meeste soorten batterijen Batterijen gaan na een paar jaar achteruit en verliezen hun consumenteneigenschappen.

Tegelijkertijd begint de levensduur van veel soorten batterijen niet vanaf het begin van hun werking, maar vanaf het moment van fabricage. Daarnaast worden elektrochemische batterijen gekenmerkt door temperatuurgevoeligheid, een lange oplaadtijd, soms tientallen keren langer dan de ontlaadtijd, en de noodzaak om te voldoen aan de gebruiksmethode (het vermijden van diepe ontlading bij loodbatterijen en omgekeerd het handhaven van een volledige laad-ontlaadcyclus voor metaalhydride en vele andere soorten batterijen). De opslagtijd van de lading is ook vrij beperkt: meestal van een week tot een jaar. Bij oude batterijen neemt niet alleen de capaciteit af, maar ook de opslagtijd, en beide kunnen vele malen worden verkort.

De ontwikkelingen om nieuwe soorten elektrische batterijen te creëren en bestaande apparaten te verbeteren staan ​​niet stil.

Apparaten voor opslag van chemische energie

Chemische energie is de energie ‘opgeslagen’ in de atomen van stoffen die vrijkomt of wordt geabsorbeerd tijdens chemische reacties tussen stoffen. Chemische energie komt vrij als warmte tijdens exotherme reacties (bijvoorbeeld de verbranding van brandstof) of wordt omgezet in elektrische energie in galvanische cellen en batterijen. Deze energiebronnen kenmerken zich door een hoog rendement (tot 98%), maar een lage capaciteit.

Apparaten voor chemische energieopslag maken het mogelijk energie te verkrijgen in de vorm waarin deze is opgeslagen, maar ook in welke andere vorm dan ook. Er zijn ‘brandstof’- en ‘brandstofvrije’ varianten. In tegenstelling tot thermochemische opslagapparaten op lage temperatuur (hierover later meer), die energie kunnen opslaan door simpelweg op een voldoende warme plaats te worden geplaatst, kan dit niet worden gedaan zonder speciale technologieën en hoogtechnologische apparatuur, die soms erg omslachtig is. Terwijl in het geval van thermochemische reacties bij lage temperatuur het mengsel van reagentia gewoonlijk niet wordt gescheiden en zich altijd in dezelfde container bevindt, worden reagentia voor reacties bij hoge temperatuur afzonderlijk van elkaar opgeslagen en alleen gecombineerd als er energie nodig is.

Energieaccumulatie door brandstofproductie

Tijdens de fase van energieopslag vindt er een chemische reactie plaats die resulteert in de reductie van brandstof, bijvoorbeeld het vrijkomen van waterstof uit water – door directe elektrolyse, in elektrochemische cellen met behulp van een katalysator, of door thermische ontleding, bijvoorbeeld een elektrische boog of zeer geconcentreerd zonlicht. De “vrijgekomen” oxidator kan afzonderlijk worden opgevangen (voor zuurstof is dit nodig in een gesloten geïsoleerd object - onder water of in de ruimte) of “weggegooid” als dat niet nodig is, aangezien deze oxidator op het moment van brandstofgebruik ruim voldoende zal zijn in de milieu en het is niet nodig om ruimte en geld te verspillen aan de georganiseerde opslag ervan.

In de energieterugwinningsfase wordt de verzamelde brandstof geoxideerd om energie direct in de gewenste vorm vrij te geven, ongeacht hoe de brandstof is verkregen. Waterstof kan bijvoorbeeld direct warmte leveren (bij verbranding in een brander), mechanische energie (bij toevoer als brandstof aan een verbrandingsmotor of turbine) of elektriciteit (bij verbranding in een brandstofcel). In de regel vereisen dergelijke oxidatiereacties extra initiatie (ontsteking), wat erg handig is voor het beheersen van het energie-extractieproces.

Deze methode is zeer aantrekkelijk vanwege de onafhankelijkheid van de stadia van energieaccumulatie (“opladen”) en het gebruik ervan (“ontladen”), de hoge specifieke capaciteit van de energie die in de brandstof is opgeslagen (tientallen megajoules voor elke kilogram brandstof) en de mogelijkheid van langdurige opslag (op voorwaarde dat de containers goed afgesloten zijn - gedurende vele jaren). Het wijdverbreide gebruik ervan wordt echter belemmerd door de onvolledige ontwikkeling en de hoge kosten van de technologie, het hoge brand- en explosiegevaar in alle stadia van het werken met dergelijke brandstoffen, en, als gevolg daarvan, de behoefte aan hooggekwalificeerd personeel bij het onderhouden en bedienen van deze brandstoffen. systemen. Ondanks deze tekortkomingen worden er over de hele wereld verschillende installaties ontwikkeld die waterstof als reserve-energiebron gebruiken.

Energieopslag met behulp van thermochemische reacties

Een grote groep chemische reacties, die in een gesloten vat, bij verhitting, in de ene richting gaan met de opname van energie, en bij afkoeling in de tegenovergestelde richting gaan met het vrijkomen van energie, zijn al lang algemeen bekend. Dergelijke reacties worden vaak thermochemisch genoemd. De energie-efficiëntie van dergelijke reacties is in de regel minder dan bij het veranderen van de aggregatietoestand van een stof, maar is ook zeer merkbaar.

Dergelijke thermochemische reacties kunnen worden beschouwd als een soort verandering in de fasetoestand van een mengsel van reagentia, en de problemen die zich hier voordoen zijn ongeveer hetzelfde: het is moeilijk om een ​​goedkoop, veilig en effectief mengsel van stoffen te vinden dat met succes werkt in op vergelijkbare wijze in het temperatuurbereik van +20°C tot +70°C. Eén soortgelijke samenstelling is echter al lang bekend: dit is het zout van Glauber.

Mirabiliet (ook wel Glauberzout genoemd, ook bekend als natriumsulfaatdecahydraat Na2SO4 · 10H2O) wordt verkregen als gevolg van elementaire chemische reacties (bijvoorbeeld door tafelzout aan zwavelzuur toe te voegen) of wordt in “afgewerkte vorm” als mineraal gewonnen.

Vanuit het oogpunt van warmteaccumulatie is het meest interessante kenmerk van mirabiliet dat wanneer de temperatuur boven de 32°C stijgt, er gebonden water vrijkomt, en uiterlijk lijkt dit op het “smelten” van kristallen, die oplossen in het vrijkomende water. van hen. Wanneer de temperatuur daalt tot 32°C, wordt vrij water weer gebonden aan de kristallijne hydraatstructuur – er vindt “kristallisatie” plaats. Maar het allerbelangrijkste is dat de hitte van deze hydratatie-dehydratatiereactie zeer hoog is en 251 kJ/kg bedraagt, wat merkbaar hoger is dan de hitte van “eerlijke” smeltkristallisatie van paraffines, hoewel een derde minder dan de hitte van versmelting van ijs (water).

Zo kan een warmteaccumulator op basis van een verzadigde oplossing van mirabiliet (precies verzadigd bij temperaturen boven 32°C) de temperatuur effectief op 32°C houden met een lange bron voor het opslaan of vrijgeven van energie. Voor een volwaardige warmwatervoorziening is deze temperatuur uiteraard te laag (een douche met deze temperatuur wordt op zijn best als “erg koel” ervaren), maar voor het verwarmen van de lucht kan deze temperatuur voldoende zijn.

Brandstofvrije opslag van chemische energie

In dit geval worden in de fase van het "opladen" andere gevormd uit bepaalde chemische stoffen, en tijdens dit proces wordt energie opgeslagen in de nieuwe gevormde chemische bindingen (gebluste kalk wordt bijvoorbeeld door verhitting omgezet in een ongebluste kalktoestand).

Tijdens "ontlading" vindt een omgekeerde reactie plaats, vergezeld van het vrijkomen van eerder opgeslagen energie (meestal in de vorm van warmte, soms ook in de vorm van gas, dat aan de turbine kan worden geleverd) - in het bijzonder is dit precies wat gebeurt bij het "blussen" van kalk met water. In tegenstelling tot brandstofmethoden is het meestal voldoende om de reactanten eenvoudigweg met elkaar te verbinden om een ​​reactie te starten; er is geen extra initiatie van het proces (ontsteking) vereist.

In wezen is dit een soort thermochemische reactie, maar in tegenstelling tot de lage temperatuurreacties die worden beschreven bij het overwegen van apparaten voor thermische energieopslag en waarvoor geen speciale omstandigheden nodig zijn, hebben we het hier over temperaturen van vele honderden of zelfs duizenden graden. Als gevolg hiervan neemt de hoeveelheid energie die in elke kilogram van de werkstof wordt opgeslagen aanzienlijk toe, maar de apparatuur is ook vele malen complexer, omvangrijker en duurder dan lege plastic flessen of een eenvoudige tank voor reagentia.

De noodzaak om een ​​extra substantie te consumeren - bijvoorbeeld water om de kalk te blussen - is geen significant nadeel (indien nodig kunt u het water opvangen dat vrijkomt wanneer de kalk in de ongebluste kalktoestand overgaat). Maar de speciale opslagomstandigheden van deze zeer ongebluste kalk, waarvan de overtreding niet alleen gepaard gaat met chemische brandwonden, maar ook met een explosie, brengen deze en soortgelijke methoden over naar de categorie van methoden die waarschijnlijk niet op grote schaal zullen worden gebruikt.

Andere soorten energieopslagapparaten

Naast de hierboven beschreven apparaten zijn er nog andere soorten energieopslagapparaten. Momenteel zijn ze echter zeer beperkt in termen van de dichtheid van de opgeslagen energie en de tijd van opslag ervan tegen hoge specifieke kosten. Daarom worden ze voorlopig meer voor amusement gebruikt en wordt hun uitbuiting voor serieuze doeleinden niet overwogen. Een voorbeeld zijn fosforescerende verven, die energie opslaan uit een felle lichtbron en vervolgens enkele seconden of zelfs lange minuten gloeien. Hun moderne aanpassingen zijn al lang vrij van giftige fosfor en zijn volkomen veilig, zelfs voor gebruik in kinderspeelgoed.

Supergeleidende magnetische energieopslagapparaten slaan deze op in het veld van een grote magnetische spoel met gelijkstroom. Indien nodig kan het worden omgezet in elektrische wisselstroom. Opslagapparaten voor lage temperaturen worden gekoeld met vloeibaar helium en zijn beschikbaar voor industriële toepassingen. Vloeistof-waterstofgekoelde opslagapparaten op hoge temperatuur zijn nog in ontwikkeling en kunnen in de toekomst beschikbaar komen.

Supergeleidende magnetische energieopslagapparaten zijn groot van formaat en worden doorgaans voor korte perioden gebruikt, zoals tijdens schakelhandelingen. gepubliceerd