КИНЕТИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ

NASA G2 — Маховичная система накопления энергии

Накопление энергии — аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем. Устройство, хранящее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей.
Типичным примером устройства накопления энергии (энергонакопителя) является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июля 2020 года; проверки требуют 10 правок.

Один из крупных маховиков и его изобретатель Нурбей Гулиа

Супермахови́к — один из типов маховика, применяемый в Маховичных Накопителях Кинетической Энергии для накопления энергии. По сравнению с обычными маховиками, способен сохранять больше кинетической энергии и безопасен в использовании.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хоть и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах.

Сами маховики были изобретены очень давно и даже успешно применялись в промышленности тех лет. Есть даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают использование подобных устройств. Правда, тогда они делались из обожженной глины или из дерева и выполняли иные функции.

Когда речь заходит о том, что надо как-то накопить энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Конечно, что же это может быть еще. Тем не менее, есть еще один способ, который используется не очень часто, но при этом имеет очень хорошие перспективы. Особенно, на фоне развития других технологий. Такие разработки даже применялись при производстве общественного и грузового транспорта. Их начало берет свои корни еще в Советском Союзе, но в последнее время технология начинает применяться все чаще. Несколько лет назад, когда позволял регламент, это использовалось даже в Формуле-1. Откроем завесу тайны и расскажем, как работает это достаточно простое, но гениальное изобретение, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Основные материалы тела вращения маховичных накопителей энергии

Для монолитных маховиков обычно применяют среднеуглеродистые стали с термообработкой (закалка с достаточно глубоким отпуском для предотвращения хрупкости) типа 40Х, 40ХН и аналогичные. Но ввиду ограниченной прокаливаемости таких сталей производство крупных маховиков технологически затруднительно. Также были попытки использования мартенситностареющих сталей, выдерживающих большие напряжения. Однако такие материалы чрезвычайно дороги и экономически нецелесообразны.

Для супермаховиков применят как высокопрочные стали в виде лент (KEST) и проволок (эксперименты Amber Kinetics), так и высокопрочные волокнистые материалы (кевлар, стекловолокно, углеволокно и др.). Перспективным материалом для производства супермаховиков является графеновая лента . Преимуществом графеновой ленты по сравнению с углеволокном является возможность безопасного разрыва тела вращения, аналогично супермаховикам из высокопрочной стальной ленты.

Эффективность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности достигает очень высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обычным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд таких батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо сделанного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно вспомнить старые времена, когда люди начали запасать энергию посредством маховиков. Самым простым примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика достаточно проста, он имеет высокий КПД и при этом стоит относительно недорого, но есть у него один минус, который сказывается на эффективности его использования и стоит на пути массового внедрения. Точнее, таких минусов два.

Главным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное побочное свойство, то на автомобильном транспорте это будет очень сильно мешать и надо будет использовать сложные системы подвеса. Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за большой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять большое количество тепла за счет трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На стационарном объекте это не будет большой проблемой, так как можно сделать систему пожаротушения, но на транспорте может создать очень много трудностей. Тем более, на транспорте риск разрушения выше за счет вибраций во время движения.

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают сохранять энергию, не имея в составе каких-либо химических соединения для этого.

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.

Супермаховик представляет собой один из типов маховиков, предназначенный для накопления энергии. Он специально сделан так, чтобы накапливать как можно больше энергии без необходимости применения по другому назначению.

Такие маховики тяжелые и очень быстро крутятся. Из-за того, что скорость вращения очень высокая, есть риск разрежения конструкции, но это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной пластичной ленты или из композитных материалов. Кроме того, что такая конструкция прочнее монолитной, она еще разрушается постепенно. То есть, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в своих же частях. Думаю, не стоит объяснять, что разрыв маховика, который вращается со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными последствиями.

Кроме этого, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с таким маховиком в бронекапсулу и закопать ее на несколько метров в землю. В этом случае движущиеся элементы точно никак не смогут навредить человеку.

Дополнительным плюсом использования бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который позволит существенно снизить воздействие внешних сил на движение. Проще говоря, так можно свести к минимуму или вообще убрать сопротивление газовой среды (в обычном случае воздуха).

Так устроен супермаховик Гулиа.

В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых установлен маховик. Но его можно установить на магнитный подвес. В этом случае силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Именно по этой причине такие маховики способны крутиться месяцами. Кроме этого, магнитный подвес позволяет не задумываться об износе системы. Изнашивается только генератор.

Именно генератор и является тем элементом, который позволяет выработать электричество. Он просто подключается к маховику, и получая переданное им вращение вырабатывает электричество. Получается аналог обычного генератора, только для этого не надо сжигать топливо.

Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии в то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и тем самым “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный вариант по аналогии с обычными аккумуляторами, которые могут одновременно отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика используется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Такие системы актуальны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. Например, подобная система по задумке инженеров Skoda должна использоваться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а вечером отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время. При этом можно заряжаться медленно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

FES – аббревиатура, обозначающая «Flywheel energy storage», то есть хранение энергии с применением маховика. Имеется ввиду, что механическая энергия накапливается и хранится в кинетической форме, в процессе вращения на высокой скорости массивного колеса. Аккумулированная таким способом механическая энергия может быть позже преобразована в электричество, для этого маховичную систему совмещают с обратимой электрической машиной, способной работать и в двигательном, и в генераторном режимах. Когда энергию необходимо накопить, электрическая машина служит двигателем и раскручивает маховик до требуемой угловой скорости, потребляя при этом электрическую энергию от внешнего источника, по сути — преобразуя энергию электрическую — в энергию механическую (кинетическую). Когда же накопленную энергию нужно отдать в нагрузку, электрическая машина переходит в генераторный режим, и механическая энергия отдается, маховик при этом замедляется. Самые современные накопители энергии на базе маховиков обладают достаточно высокими показателями удельной мощности, и вполне могут конкурировать с традиционными системами накопления энергии. Особенно перспективными в этом плане считаются кинетические аккумуляторные установки на базе супермаховиков, где вращающееся тело изготавливается из высокопрочной графеновой ленты. Такие накопители способны накапливать до 1200 Вт*ч (4,4 МДж!) энергии НА 1 КИЛОГРАММ массы. Новейшие наработки в сфере супермаховиков уже позволили разработчикам отказаться от идеи применения монолитных накопителей в пользу менее опасных ленточных систем. Дело в том, что монолитные системы представляли опасность в случае аварийного разрыва, да и энергии могли накопить меньше. Ленточные же при разрушении не разлетаются на крупные осколки, а разрушаются лишь частично; при этом отделившиеся части ленты тормозят маховик трением о внутреннюю поверхность корпуса и предотвращают дальнейшее его разрушение. Высокая удельная энергоемкость супермаховиков, изготавливаемых методом навивки ленты или волокна с натягом, достигается благодаря ряду вспомогательных факторов. Во-первых, маховик эксплуатируется в вакууме, что сильно снижает трение по сравнению с воздухом. Для этого вакуум в корпусе постоянно должен поддерживаться системой создания и поддержания вакуума. Во-вторых, система обязана уметь автоматически балансировать вращающееся тело. Для демпфирования вибраций и гироскопических колебаний принимаются специальные технические меры. Словом, маховичные системы весьма требовательны с точки зрения проектирования, посему их разработка — сложнейший инженерный процесс. Казалось бы, в качестве подшипников лучше подойдут магнитные (в т.ч. сверхпроводящие) подвесы. Однако от низкотемпературных сверхпроводников в подвесах инженерам пришлось отказаться, поскольку они требуют много энергии. Куда лучше для средних скоростей вращения подошли гибридные подшипники качения с керамическими телами. Что же касается высокоскоростных маховиков, то здесь оказалось экономически приемлемым и весьма экономичным применение в подвесах высокотемпературных сверхпроводников. Одно из главных преимуществ систем хранения FES, после высокой удельной энергоемкости, – их сравнительно продолжительный строк эксплуатации, который может достигать 25 лет. Кстати, КПД маховичных систем на основе лент графена доходит до 95%. Далее стоит отметить скорость зарядки. Она, конечно, зависит от параметров электрической установки. Для примера, маховичный рекуператор энергии в метро, работающий при разгоне и торможении поезда, заряжается и разряжается за 15 секунд. Считается, что для получения высокой эффективности от маховичной системы хранения, номинальное время ее зарядки и разрядки не должно превышать одного часа. Применимость систем FES довольно широка. Они могут с успехом применяться на различных грузоподъемных устройствах, давая выигрыш в энергозатратах до 90 % при погрузке-разгрузке. Данные системы могут эффективно применяются для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта, для стабилизации частоты и мощности в электросетях, в источниках бесперебойного электропитания, в гибридных установках автотранспорта и т.п. При всем этом у маховичных систем хранения есть примечательные особенности. Так, если применяется материал с высокой плотностью, то удельная энергоемкость накопителя понижается из-за снижения номинальной частоты вращения. Если же применяется материал низкой плотности, то энергоемкость повышается благодаря повышению частоты вращения, однако при этом усиливаются требования к вакууму, а также к опорам и уплотнениям, кроме того усложняется электрический преобразователь. Лучше всего в качестве материалов для супермаховиков подходят высокопрочные стальные ленты и волокнистые материалы, такие как кевлар и углеволокно. Наиболее же перспективным материалом, как отмечалось выше, остается графеновая лента в силу не только приемлемых прочностных и плотностных показателей, но главным образом — благодаря безопасности при разрыве. Возможность разрыва — главное препятствие для создания высокоскоростных маховичных систем. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, распадаются быстро, сначала расслаиваясь на нити малого диаметра, которые мгновенно переплетаются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок. Контролируемый разрыв (в случае аварии) без повреждений корпуса — одна из главных задач инженеров. Выделение энергии в результате разрыва можно смягчить с помощью инкапсулированной жидкой или гелеобразной внутренней облицовки корпуса, которая примет на себя энергию в случае разрушения маховика. Один из способов защиты при разрыве заключается в том, чтобы разместить маховичный накопитель под землей, дабы остановить любые фрагменты, которые в случае аварии разлетятся со скоростью пули. Тем не менее известны случаи когда вылет фрагментов получается вверх из под земли, с разрушением не только корпуса, но и прилегающих построек. Рассмотрим, наконец, физику процесса. Кинетическая энергия вращающегося тела определяется формулой:где I – момент инерции вращающегося телаугловая скорость может быть представлена так:Например, для СПЛОШНОГО ЦИЛИНДРА момент инерции равен:и тогда кинетическая энергия для сплошного цилиндра через частоту f получается равна:где f – частота (в оборотах в секунду), r – радиус в метрах, m – масса в килограммах. Рассмотрим для понимания грубый пример. Чайник мощностью 3 кВт кипятит воду за 200 секунд. С какой скоростью должен вращаться сплошной цилиндрический маховик весом 10 кг и радиусом 0,5 метров, чтобы в процессе его остановки энергии хватило бы на то, чтобы вода успела закипеть? Пусть КПД нашего генератора-преобразователя (способного работать при любых оборотах) равен 60%. Решение. Общее количество энергии, необходимое для закипания чайника 200*3000 = 600000 Дж. С учетом КПД, требуется 600000/0,6 = 1000000 Дж. Применив приведенную выше формулу, получим значение 201,3 оборота в секунду. Еще один современный способ хранения энергии: Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES)Андрей Повный, FB, ВК

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Где применяются маховики?

Благодаря своей массивности и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он нашел применение во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.

Самое простое применение заключается в сохранении скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может пригодиться во время работы какого-нибудь станка. Особенно, в те моменты, когда он испытывает резкие нагрузки и надо не допустить падения частоты вращения. Получается такой своего рода демпфер.

Наверное, самым частым местом, где встречаются маховики, является двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Он позволяет сохранить скорость вращения двигателя при выключении сцепления. Тем самым снижается воздействие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит в то время, когда двигатель работает на оборотах выше оборотов холостого хода. Кроме этого, так достигается больший комфорт и плавность движения. Правда, на гоночных машинах маховик очень сильно облегчается для снижения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается двигатель.

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто используются для стабилизации движения. Происходит это за счет того, что колесо, которым и является маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он создает сильное сопротивление при попытке наклонить его. Этот эффект легко ощутить, например, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Есть развитие и обычнх аккумуляторов: Новый тип аккумулятора позволит электромобилям проехать почти 2400 километров без подзарядки

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, заставляя прибегать к контррулению, особенно на большой скорости, но очень помогает, например, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и учитывая, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Применение таких свойств маховика актуально в авиации. Именно вращающийся маховик позволит определить положение фюзеляжа самолета в пространстве.

В двадцатом веке электричество вырабатывалось, прежде всего, за счет сжигания ископаемого топлива. Проблемы с транспортировкой энергии, загрязнением воздуха и глобальным потеплением привели к росту использования возобновляемых источников энергии — таких, как солнечная энергия и энергия ветра. Энергия ветра зависит от климатических условий и погоды. Солнечная энергия зависит от географического положения, облачного покрова. Она доступна только в дневное время, в то время, как спрос зачастую достигает пика после захода солнца. Интерес к накоплению энергии из этих источников растет, поскольку именно они в последнее время генерируют всё большую часть мирового энергопроизводства.

Использование электричества вне электросетей в XX веке было нишевым рынком, но в XXI веке оно значительно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные батареи получают все более широкое распространение в сельской местности. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики, а не местоположения. Однако в энергоснабжении транспорта сжигание топлива по-прежнему преобладает.

Удельная энергоемкость маховичных накопителей энергии

Удельная энергоёмкость (см. энергоёмкость) маховичных накопителей энергии обычно дается двумя показателями — массовой Дж/кг или Вт*ч/кг и объёмной Дж/м3 и Вт*ч/м3.

Классическим применением накопления энергии до промышленной революции было управление водными путями для приведения в действие водяных мельниц для обработки зерна или приводной техники. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены, чтобы хранить и выпускать воду (и потенциальную энергию, которую она содержит), когда требуется.

Домашнее накопление энергии

Самый большой запас возобновляемой энергии предоставляется сейчас гидроэлектростанциями. Большое водохранилище около гидроэлектростанции может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между сухим и влажным сезонами. Хотя гидроэлектростанция не накапливает напрямую энергию от прерывистых источников, она уравновешивает энергосистему, удерживая воду, когда энергия генерируется солнечным или ветровым излучением.

В 2011 году Администрация энергетики Бонневилля (северо-запад США) разработала экспериментальную программу по поглощению избыточного ветра и гидроэнергии, генерируемых ночью или во время штормовых периодов, сопровождаемых сильными ветрами. При наличии центрального управления бытовые приборы поглощают избыточную энергию, нагревая керамический кирпич в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру в резервуарах с подогревом горячей воды. После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и подачу горячей воды по мере надобности. Экспериментальная система была создана с учётом последствий сильного шторма 2010 года, который довел ситуация до перепроизводства возобновляемой энергии а такой степени, что все обычные источники энергии были закрыты, или в случае АЭС — редуцированы до минимально возможного рабочего уровня, оставляя большую область почти полностью на возобновляемых источниках энергии.

Ещё один продвинутый метод, который использовался в бывшем проекте Solar Two в Соединенных Штатах и Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, получаемой от солнца, а затем преобразует её и отправляет в виде электрической энергии. Система перекачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы, которые нагреваются солнцем. Изолированные резервуары хранят раствор. Электричество производится путем превращения воды в пар, который подается в турбины.

См. также: Схема аккумулирования энергии

Следующий список включает виды аккумулирования энергии:

Энергия может сохраняться в воде, перекачиваемой на большую высоту с использованием накачки или путем перемещения твердого вещества в более высокие места (гравитационные батареи). Другие механические методы предполагают сжатие воздуха и маховиков, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую, а возвращая её, когда потребность в электричестве достигает пика.

Основная статья: Гидроэлектростанция

Основная статья: Гидроаккумулирующая электростанция

В периоды низкой потребности в электроэнергии, избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из более низкого резервуара в более высокий. Когда спрос растет, вода поступает обратно в нижний резервуар (или водный путь/водоем) через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные турбогенераторные узлы действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса). Почти все подобные сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Насосно-накопительные установки «в чистом виде» перемещают воду между резервуарами, в то время как подход с «откачкой» представляет собой комбинацию насосных хранилищ и обычных гидроэлектростанций, использующих естественное течение воды.

Технология накопления энергии сжатого воздуха

Пневматический аккумулятор может преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Пневматический аккумулятор удовлетворяет потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая доступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, имеют переменные ресурсы. В результате, добавление других видов энергии необходимо для удовлетворения спроса на энергию в периоды снижения доступности возобновляемых ресурсов. Установки для хранения энергии на сжатом воздухе способны аккумулировать избыточную энергию от возобновляемых источников энергии во время перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована, когда спрос на электроэнергию увеличивается или доступность энергетических ресурсов уменьшается.

Технология накопления энергии маховиком

Накопитель энергии маховика (FES) работает за счет ускорения ротора (маховика) до очень высокой скорости, аккумулируя энергию вращения. Когда энергия извлекается, скорость вращения маховика уменьшается; добавление энергии соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенных на магнитных подшипниках и вращающихся со скоростью от 20000 до более 50000 об/мин в вакуумном корпусе. Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором.

Накопление гравитационной потенциальной энергии твердых масс

Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию через подъемную систему, приводимую в движение электродвигателем / генератором.

Накопление тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии (TES) — это временное хранение или отвод тепла.

Аккумулированная тепловая энергия

Аккумулирование тепла использует преимущества нагрева материала для накопления энергии.

Скрытое накопление тепловой энергии

Скрытые тепловые системы накопления тепловой энергии работают с материалами с высокой скрытой теплоемкостью, известными как материалы с фазовым переходом (PCM). Основным преимуществом этих материалов является то, что их скрытая теплоемкость гораздо больше, чем ощутимое тепло. В определённом температурном диапазоне фазовый переход от твердого к жидкому поглощает большое количество тепловой энергии для последующего использования.

Скрытое накопление тепловой энергии представляет собой процесс, посредством которого энергия в форме тепла либо поглощается, либо выделяется во время фазового перехода материала (PCM). Изменение фазы — это плавление или затвердевание материала. Во время изменения фазы PCM обладает способностью поглощать большое количество энергии из-за высокой температуры плавления.

Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов. Аккумуляторы бывают разных форм и размеров, от кнопок до мегаваттных энергосистем.

Аккумуляторные батареи имеют более низкие общую стоимость использования и уровень воздействия на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторных батареек доступны в тех же форматах, что и одноразовые. Аккумуляторные имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дёшево перезаряжать и использовать много раз.

Общие химические составы аккумуляторной батареи:

Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки / разрядки элемента. Напряжение тока химически определено уравнением Нернста, и на практике составляет от 1,0 до 2,2 В. Ёмкость накопителя зависит от объёма ёмкостей, в которых находится раствор.

Проточная батарея технически близка как топливному элементу, так и элементу электрохимического аккумулятора. Коммерческие приложения предназначены для длительного полупериода хранения, например, для резервного энергоснабжения.

Основная статья: Суперконденсатор

В то время, как суперконденсаторы имеют удельную энергию и удельные плотности энергии примерно 10 % в сравнении с батареями, их плотность мощности обычно в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки. Кроме того, они будут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем батареи.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр применений, включая:

Другие химические вещества

Технология Power-to-Gas — это технология, которая преобразует электричество в газообразное топливо, к примеру, водород или метан. Известны три метода использования электричества для превращения воды в водород и кислород посредством электролиза.

При первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа. Второй метод заключается в реакции водорода с диоксидом углерода для получения метана, с использованием реакции метанирования (такой, как реакция Сабатье) или биологического метанирования, что приводит к дополнительной потере преобразования энергии на 8 %. Затем метан можно подавать в природную газовую сеть. Третий метод использует выходной газ из генератора древесного газа или биогазовой установки после того, как модификатор биогаза смешан с водородом из электролизера, чтобы улучшить качество биогаза.

Основная статья: Хранение водорода

Водород тоже можно рассматривать как накопитель энергии: электричество в этом случае производится посредством водородного топливного элемента.

Для синтеза килограмма водорода требуется около 50 кВт⋅ч (180 МДж) солнечной энергии, поэтому стоимость электроэнергии является критически важной.

Основная статья: Синтетический природный газ

Метан — простейший углеводород с молекулярной формулой СН 4. Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Имеется полноценная инфраструктура его хранения и сжигания (трубопроводы, газометры, электростанции).

Синтетический природный газ (синтез-газ или SNG) может быть создан в многоступенчатом процессе, начиная с водорода и кислорода. Водород реагирует с диоксидом углерода в реакции Сабатье, производя метан и воду. Метан может храниться, а затем использоваться для производства электроэнергии. Полученная вода рециркулируется, уменьшая потребность во внешних её источниках. На стадии электролиза, кислород сохраняется для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции.

При сгорании метана образуются углекислый газ (CO2) и вода. Диоксид углерода может быть переработан для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. Производство метана, хранение и сгорание перерабатывают продукты реакции.

Основная статья: Биотопливо

Ископаемое топливо могут заменять различные виды биотоплива, такие как биодизельное топливо, растительное масло, спиртовое топливо или биомасса. Химические процессы могут превращать углерод и водород (в составе угля, природного газа, растительной и животной биомассы и органических отходов), в простые углеводороды, подходящие в качестве замены для традиционных углеводородных видов топлива. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша, метанол, диметиловый эфир и синтез-газ. Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. По тем же причинам Южная Африка производит большую часть дизельного топлива из угля.

Бор, кремний и цинк

Основная статья: Электрический конденсатор

Конденсатор — это пассивный двухполюсный электрический компонент, используемый для электростатического накопления энергии. На практике конденсаторы сильно различаются, но все они содержат, по меньшей мере, два электрических проводника (пластины), разделенных диэлектриком (изолятором). Конденсатор может накапливать электрическую энергию, когда он отключен от своей зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие виды перезаряжаемой системы накопления энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания при замене батарей (это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти). В среднем конденсаторы имеют плотность менее 360 джоулей на килограмм, в то время как у обычной щелочной батареи этот параметр составляет порядка 590 кДж / кг.

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле между пластинами. Благодаря разности потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле проходит через диэлектрик, заставляя положительный заряд (+Q) собираться на одной пластине и отрицательном заряде (-Q) на другой пластине. Если аккумулятор подключен к конденсатору в течение достаточного времени, через конденсатор не может протекать ток. Однако если через выводы конденсатора подается напряжение, может возникать ток смещения.

Сверхпроводящие индуктивные накопители

Система хранения сверхпроводящей магнитной энергии — сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) хранит энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже её сверхпроводящей критической температуры. Типичная система СПИН включает в себя сверхпроводящую катушку, систему кондиционирования и холодильник. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не распадается, и магнитная энергия может храниться бесконечно долго.

Накопленная энергия может быть передана в сеть путем разрядки катушки. Соответствующий инвертор / выпрямитель обеспечивает примерно 2-3 % потерь энергии в каждом направлении. С ПИН теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе накопления энергии, по сравнению с другими методами хранения энергии.

Из-за энергетических требований охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода, СПИН используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии Эта система хранения применяется так же в балансировке сетки.

Изначально Н. В. Гулиа планировал применить супермаховик как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.

В настоящий момент накопители энергии на базе супермаховиков успешно применяются в других областях. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны в зависимости от модели запасать энергию в 6 и 25 кВт⋅ч и выдавать мощность в 2 и 200 кВт соответственно.

Помимо этого, супермаховики могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания объектов высших уровней ответственности. Свойства супермаховика обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии.

Где применяются супермаховики?

В первую очередь, Н. В. Гулия хотел использовать свое изобретение именно на транспорте. Даже было построено несколько образцов, которые проходили испытания. Несмотря на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато применение такому способу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в США в 1997 году компания Beacon Power сделала большой шаг в разработке супермаховиков для применения их в электростанциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт⋅ч и имели мощность до 200 кВт. Строительство станции мощностью 20 МВт началось в 2009 году. Она должна была нивелировать пики нагрузки на электрическую сеть.

В России тоже есть подобные проекты. Например, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт⋅ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт. Система таких маховиков может обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно полностью отказаться от очень дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно использование супермаховиков и на объектах, где нужна независимость от электрических сетей и резервное питание. Эти системы имеют очень высокую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и позволяет обеспечить действительно бесперебойное питание.

Такая идея «не зашла». Может получится с поездами?

Еще одним местом, где возможно применение Супермаховик, является железнодорожный транспорт. На торможение составов тратится очень много энергии и, если не тратить ее впустую, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопленную энергию потом можно потратить на набор скорости. Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, но в таком случае можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго просто нет необходимости и потери от подшипников будут не такими большими на таком промежутке времени. Зато такой способ позволяет экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как видим, системы на супермаховиках имеют очень много плюсов и совсем немного минусов. Из этого можно сделать вывод, что они будут набирать популярность, становиться более дешевыми и массовыми. Это тот самый случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древних времен, позволяют придумать что-то новое. В итоге вы получили удивительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

Главные компоненты маховичных накопителей энергии

Современные маховичные накопители энергии обычно выполняются на основе перспективных супермаховиков. « Классические» монолитные маховики для маховичных накопителей энергии встречаются все реже — они накапливают слишком малую удельную энергию и очень опасны при аварийном разрушении (разрыве).

Супермаховик — это маховик высокой удельной энергоёмкости, изготовленный методом навивки с натягом на упругий центр материалов с высокой одноосной прочностью — проволок, лент, волокон со связкой (склейкой). Эксплуатируется супермаховик не в воздушной среде, а в среде с пониженными сопротивлениями вращению, например вакууме.
Существуют три основных вида супермаховиков — ленточные и волоконные, гораздо реже — проволочные. Разрабатываются также составные «пластинчатые» супермаховики, выполненные из тонких высокопрочных дисков.

Вспомогательные системы маховичных накопителей энергии

Значительные расходы энергии на охлаждение привели к отказу от низкотемпературных сверхпроводников для использования в магнитных подшипниках для маховичных систем накопления энергии. Наиболее приемлемыми для супермаховиков средних частот вращения являются гибридные подшипники качения с керамическими телами.

Тем не менее, для высокоскоростных тел вращения, например, супермаховиков из графеновых лент, применение высокотемпературных сверхпроводниковых подшипников может быть экономически оправдано и, возможно, может увеличить экономию энергии.

Преимущества и недостатки супермаховика

Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора. Перспективным также является использование вакуумированного супермаховика на магнитном подвесе в качестве источника электроэнергии.

Маховичные (супермаховичные) системы хранения энергии с большой эффективностью могут быть применены для рекуперации энергии торможения на рельсовом транспорте с большой цикличностью движения, например, метропоездах и электричках. Экономия энергии в этих случаях может достигать 50 % и выше.

Кроме того, эти системы могут с успехом применяться на подъёмных кранах, лифтах, других грузоподъёмных устройствах. При этом выигрыш в энергозатратах подъемных устройств, оборудованных маховичной (супермаховичной) системой накопления энергии может достигать 90 % и выше (например, при разгрузке контейнеровоза, груз которого расположен выше зоны выгрузки).

Прочность на разрыв и виды разрушения

Одним из основных ограничений конструкции маховиков (супермаховиков) является предел прочности материала тела вращения на разрыв. Как правило, чем прочнее маховик (супермаховик), тем быстрее он вращается и тем больше энергии может запасать система.

Монолитные маховики разрываются на крупные осколки (обычно на три части), причем каждый обладает огромной кинетической энергией, вызывающей большие разрушения. Кроме разрушения от превышения предела прочности материала, разрыв маховика может произойти от скрытых дефектов, волосовин, раковин и др.

Когда предел прочности на разрыв супермаховика из композитного материала будет превышен, тело вращения разрушится, высвобождая всю свою накопленную энергию одновременно; это обычно называют «взрывом маховика», поскольку осколки колеса могут достигать кинетической энергии, сравнимой с энергией пули. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, имеют тенденцию быстро распадаться, сначала на нити малого диаметра, которые переплетаются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок.

Ленточные супермаховики аварийно разрываются строго контролируемым образом, путем отрыва внешних тонких витков ленты, трущихся о внутреннюю поверхность корпуса и замедляющих при этом вращение основной массы супермаховика. При этом не происходит повреждения ни даже тонкого корпуса и всей системы накопления энергии.

Традиционные системы с маховиками (супермаховиками, кроме ленточных) требуют наличия прочных защитных корпусов или мощных кольцеобразных вставок, что существенно увеличивает общую массу устройства. Выделение энергии в результате разрушения можно смягчить с помощью гелеобразной или инкапсулированной жидкой внутренней облицовки корпуса, которая поглощает энергию разрушения.

Тем не менее, многие заказчики крупномасштабных систем накопления энергии с маховиками предпочитают встраивать их в землю, чтобы остановить любые фрагменты разорванного маховика (супермаховика), которые могут пробить корпус. Но и это не всегда помогает. Известны случаи верхнего выхода фрагментов из заглубленного в землю корпуса с разрушением бетонной крышки и близлежащих построек.

Свойства материала тела вращения маховичных накопителей энергии

Главное свойство материала — высокая прочность. При этом если материал с высокой плотностью, то удельная массовая энергоемкость понижается, но при этом сильно снижается частота вращения маховика (супермаховика). При низкой плотности материала эта энергоемкость повышается, но за счет существенного роста частоты вращения, что требует существенного усложнения опор и уплотнений маховичного накопителя энергии и связанных с ним машин — преобразователей энергии. Это относится как к опорам вращения маховика (супермаховика), так и к системам отбора мощности, а также уровню вакуума в камере вращения маховика (супермаховика).

Эффективность хранения энергии

Эффективность хранения энергии в маховичных (супермаховичных) системах достаточно высока до 95 % при правильном подборе опор качения, уровня вакуума и достаточно коротких циклов зарядки-разрядки (желательно менее часа).

Попытки приписать значительные потери от гироскопических нагрузок, вызванных вращением Земли не оправданы — эти гироскопические нагрузки ничтожны.
Например, супермаховик, с частотой вращения (ω1) — 1500 с−1 , моментом инерции (I) — 8 кг*м2 при частоте вращения Земли (ω2) — около 7,3*10−5 с−1 гироскопический момент прецессии при самом невыгодном положении осей вращения равен M= I* ω1* ω2  = 8*1500*7,3*10−5= 0,8 Н*м.
Это — ничтожная величина момента, которая никак не может повлиять ни на сопротивление вращению, ни на долговечность подшипников.

Гораздо большее влияние будут иметь гироскопические нагрузки, вызванные поворотами транспортных средств, если на них установлены маховичные накопители энергии, но и они эффективно уменьшаются системами упруго-демпфирующего подвеса.

Физические свойства маховиков и супермаховиков маховичных накопителей близки к друг к другу и с ними можно ознакомиться здесь — Маховик — Физика

По сравнению с другими способами хранения энергии, маховичные системы накопления энергии имеют длительный срок службы, обычно более 20 — 25 лет.

Высокая удельная энергия применяемых тел вращения с учётом коэффициентов безопасности — от 2.5 Вт*ч / кг у монолитных маховиков до 1200 Вт*ч / кг у перспективных графеновых супермаховиков и большая максимальная выходная мощность. К ПД устройства может достигать 95 %. Быстрота зарядки / разрядки маховичных накопителей энергии зависит от мощности присоединенных к ним машин. Для целей рекуперации энергии на железнодорожном электротранспорте (например, метрополитене) время зарядки/разрядки связано с торможением/разгоном электропоезда и в среднем составляет около 15 секунд.