Ток впрок: как химия, движение и гравитация помогают хранить электричество

Многие из нас держат под рукой пауэрбанк — запас энергии на случай, если телефон разрядится и рядом не окажется розетки. По тому же принципу работают промышленные накопители, которые обеспечивают энергией заводы и целые города. Рассказываем, как они устроены.

«Пауэрбанк» для города

На севере Якутии в окружении арктических снегов находится поселок Тикси. Сюда не ведут автомобильные дороги, а сам поселок не подключен к энергосистеме региона — электричество здесь вырабатывают автономно.

На фоне заснеженных холмов поднимаются башни ветрогенераторов. Ветер в Тикси сильный и частый, но непостоянный. Когда лопасти вращаются, поселок получает энергию от ветра, а в периоды штиля приходится запускать дизельные станции. Между этими режимами и работают накопители энергии. Они собирают избыток электричества в ветреную погоду и отдают его, когда выработка падает.

Такие решения эффективны не только в удаленных регионах. В Минэнерго России рассматривают промышленные накопители как способ сделать энергосистему страны более гибкой и надежной. Например, в этом году в Крыму и Краснодарском крае запустят системы накопления общей мощностью 350 мегаватт — примерно столько потребляет город с населением около 300 тысяч человек. Если опыт окажется успешным, такие решения начнут внедрять и в других регионах.

Как сохранить электричество

Хранить электричество сложнее, чем кажется. Воду можно набрать в бак, зерно — сложить в амбар, бензин — залить в канистру. Электрический ток нельзя просто поставить на полку и достать позже в том же виде. Любой накопитель работает как преобразователь: сначала превращает энергию в другую, более удобную для хранения форму, а потом обратно в электричество. 

Представьте термос, сжатую пружину или баллон с воздухом. В каждом случае энергия запасена внутри — в тепле, давлении или движении — и может высвободиться позже. Нельзя сказать, что один из этих способов лучше других — они просто подходят для разных задач.

Похожая история с промышленными накопителями. Энергию в них запасают по-разному: с помощью химических реакций, движения, нагрева и даже гравитации. От этого зависят свойства этих устройств: одни быстро отдают энергию, другие могут хранить ее дольше, третьи подходят для хранения больших объемов. 

Энергия химии

Знакомый каждому пример накопителя: аккумулятор в телефоне. Пока устройство заряжается, электричество накапливается внутри химических ячеек. Когда телефон отключен от сети, происходит обратная реакция и запасенная энергия поддерживает работу устройства.

По этому принципу сегодня работают батарейные системы накопления энергии в промышленности. Это те же литиевые аккумуляторы, как в телефоне, только в тысячи раз больше и мощнее. Они умеют реагировать на сбой или скачок нагрузки за доли секунды, поэтому их часто ставят рядом с солнечными и ветряными станциями, на предприятиях, в дата-центрах: там, где объемы потребления могут резко меняться — например, из-за погоды или пиков нагрузки.

В энергосистеме их используют не как склад электричества, а как быстрый резерв: они мгновенно подключаются, когда это нужно.

Энергия гравитации

Для больших объемов хранения используют другие решения. Например, гидроаккумулирующие станции, где энергию накапливают с помощью воды и силы тяготения. Такая станция состоит из двух водоемов, один из которых расположен выше другого. Когда электроэнергии в сети много и спрос на нее низкий, насосы перекачивают воду в верхний бассейн. Если потребление растет — спускают вниз через турбины, которые вырабатывают электричество.

Другой способ — использовать потенциальную энергию поднятых вверх грузов. Еще в XVIII веке, чтобы завести часы в башне Петропавловского собора в Петербурге, приходилось вручную поднимать на лебедке четыре гири весом по полтонны. Опускаясь, они приводили механизм в движение.

Этот подход используют и в современной промышленности. В китайской провинции Цзянсу к энергосети подключен гравитационный накопитель способный обеспечивать питанием городской квартал. Вместо воды здесь «работают» тяжелые бетонные блоки: при избытке их поднимают вверх, а когда электричество нужно — опускают.

Энергия движения

Движение тоже может запасать энергию — по такому принципу работает кинетический накопитель, или маховик. Тяжелый вращающийся диск (ротор), раскручивают до высокой скорости, а затем силу вращения превращают в электричество. Такие механизмы используют в системах короткого цикла: например, для возврата энергии торможения в транспорте, сглаживания скачков нагрузки в энергосетях и обеспечения бесперебойного питания.

Для длительного хранения такие «карусели» не подходят. Их эффективность быстро уменьшается из-за трения и сопротивления воздуха. Правда, инженеры стараются свести эти потери к минимуму. В МИФИ создали лабораторный макет установки, в котором ротор левитирует в вакууме между мощными магнитами — практически без трения.

В теории такой маховик сможет вращаться много часов подряд и держать энергию в буквальном смысле на весу. Однако пока речь идет не о готовой промышленной установке, а о лабораторной отработке самой идеи.

Энергия тепла

Существуют и другие способы хранения энергии — например, за счет сжатия воздуха или в виде тепла. Такие решения пока применяются реже и чаще остаются на уровне пилотных проектов.

Один из примеров — тепловые накопители. В Марокко, на краю Сахары, работает станция Noor III. Это солнечная башня, вокруг которой расположены тысячи зеркал. Они направляют свет на приемник наверху, где нагревается расплавленная соль. Накопленное тепло используют для выработки электроэнергии после захода солнца — запаса хватает примерно на семь часов работы.

На практике разные технологии обычно работают вместе. Быстрые накопители помогают сглаживать кратковременные изменения, а крупные системы — запасать энергию в больших объемах. В российских условиях такие решения можно эффективно комбинировать — в зависимости от задач, климата и особенностей энергосистемы.