Накопители энергии

3. Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно  встретить повсюду — от мобильного телефона до самолётов и кораблей.

Как правило, при необходимости  запасать достаточно большую энергию  — от нескольких сотен килоджоулей  и более — используются свинцово-кислотные  аккумуляторы (пример — любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов — никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.

В последнее время на гибридных  автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%. Однако опасность возгорания современных литий-ионных аккумуляторов заметно выше, чем у традиционных свинцово-кислотных — помимо нарушений режимов заряда (в том числе при использовании зарядных устройств для свинцово-кислотных аккумуляторов) и разряда (особенно при коротком замыкании), которые могут спровоцировать переход этих аккумуляторов в так называемый «режим саморазгона», к возгоранию с достаточно высокой вероятностью могут привести сильные механические повреждения и разрушение корпуса. А вот потушить вспыхнувший мощный литий-ионный аккумулятор из-за высокой химической активности лития не так просто, о чём свидетельствует пока ещё не очень богатый опыт эксплуатации массовых моделей электромобилей. Как правило, машины, с которыми случилась подобная беда, сгорают дотла. Впрочем, не следует считать электромобили слишком пожароопасными — общая вероятность их возгорания не выше, чем у бензиновых, а сам пожар обычно развивается гораздо медленнее по сравнению с возгоранием бензина и происходит достаточно спокойно, без взрывов, подобных взрыву бензобака у традиционного автомобиля, так что у людей гораздо больше шансов успеть покинуть автомобиль и постараться уменьшить ущерб от возгорания.

По режиму использования  электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса — так  называемые тяговые и стартовые. Тяговые аккумуляторы ориентированы на относительно равномерный разряд в течение достаточно длительного времени, когда параметры разряда сравнимы с током и временем зарядки, а глубина разряда может быть достаточно большой — прежде всего это аккумуляторы для электротранспорта, электроинструмента и источников бесперебойного питания (UPS). Стартовые, наоборот, способны выдать очень большой ток в течении короткого времени, но при штатной эксплуатации не должны испытывать глубокий разряд — таковы обычные автомобильные аккумуляторы, выдающие в течении нескольких секунд на стартёр ток в сотни ампер, при том что нормальный зарядный ток у них лежит в диапазоне 5..10 А, а полная зарядка длится несколько часов. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное — контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя. С другой стороны, менее жёсткие условия разряда позволяют несколько облегчить конструкцию тяговых аккумуляторов по сравнению с их стартовыми собратьями, а допустимость большей глубины разряда позволяет приблизить реально используемую ёмкость к номинальной.

К недостаткам электрохимических  аккумуляторов можно отнести  весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей — гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов  через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские  свойства. При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с  начала их эксплуатации, а с момента  изготовления. Исключение составляют так называемые «сухозаряженные» свинцово-кислотные  аккумуляторы (в которые на заводе не залили электролит), — они могут  многие годы храниться без существенного  ухудшения потребительских свойств, и для них срок службы можно  отсчитывать с момента первой заливки электролита. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов  характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в  десятки раз превышающее время  разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение  глубокого разряда для свинцовых  аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда  для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено — обычно от недели до года (я имею в виду, что оставшийся в аккумуляторе заряд будет намного меньше исходного, а вовсе не то, что по истечении указанного срока он будет совсем «пуст», хотя возможно и такое). У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.

8. Химические накопители энергии

Этот способ накопления энергии  стоит рассмотреть отдельно, поскольку  такие процессы часто позволяют  получать энергию как в том  виде, из которого она запасалась, так  и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей, которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.

1. Накопление энергии наработкой топлива

На этапе накопления энергии  происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород  — прямым электролизом, в электрохимических  ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или  сильно сконцентрированным солнечным  светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для  кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта  — под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования  топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.

На этапе извлечения энергии  наработанное топливо окисляется с  выделением энергии непосредственно  в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это  топливо. Например, водород может  дать сразу тепло (при сжигании в  горелке), механическую энергию (при  подаче его в качестве топлива  в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при  окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции требуют  дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.

Этот способ очень привлекателен  независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и её использования («разрядки»), высокой удельной ёмкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на каждый килограмм топлива) и возможностью длительного хранения (при обеспечении должной герметичности ёмкостей — многие годы). Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем.

2. Безтопливное химическое накопление энергии

В данном случае на этапе  «зарядки» из одних химических веществ  образуются другие, и в ходе этого  процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная  известь при помощи нагрева переводится  в негашёное состояние).

При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в  виде тепла, иногда дополнительно в  виде газа, который можно подать в турбину) — в частности, именно это имеет место при «гашении»  извести водой. В отличие от топливных  методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом — дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.

По сути, это разновидность  термохимической реакции, однако в  отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.

Необходимость расхода дополнительного  вещества — скажем, воды для гашения  извести — не является существенным недостатком (при необходимости  можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное  состояние). А вот особые условия  хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и  взрывом, переводят этот и ему  подобные способы в разряд тех, которые  вряд ли выйдут в широкую жизнь.

9. Другие типы накопителей энергии

Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они  весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются  для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях  не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушка

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Традиционная энергетика основана на возможности не только производить энергию, но и делать ее запасы. При этом вопросы хранения энергии опережают вопросы ее производства. Например, запас воды в хранилище позволяет использовать ее в любое время для получения  электроэнергии на гидроэлектростанциях, а запас угля обеспечивает бесперебойную работу тепловой электростанции. Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весьма важные стадии – добычу и первичную переработку природного сырья. Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны: это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянного тепла, улучшение изоляции и герметичности, оптимизация процессов испарения и конденсации и т.д. Сохранение энергетических ресурсов – неотъемлемая и значимая задача всех отраслей материальногопроизводства. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

 
Рисунок 1 - Пружинный маятник в часах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 2

 

 
Рисунок 2 Накопитель Уфимцева.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 3

 

 
Рисунок 3 - Супермаховик Нурбея Гулиа.